Jak funguje napájení počítače?

Většina příběhů o napájecích zdrojích začíná zdůrazněním jejich nejdůležitější a téměř dominantní role v počítači. To je špatně. Zdroj je prostě jedna ze součástí systému, bez které to nepůjde. Zajišťuje převod střídavého napětí ze sítě na stabilizovaná napětí nezbytná pro provoz PC. Všechny bloky lze rozdělit na pulzní a lineární. Moderní počítačové jednotky jsou vyrobeny pomocí pulzního obvodu.

Lineární napájecí zdroje

Síťové napětí je přivedeno na primární vinutí transformátoru a ze sekundárního odebíráme střídavé napětí, které již bylo sníženo na požadované meze. Poté se narovná, následuje filtr (v tomto případě je nakreslen běžný elektrolytický kondenzátor) a stabilizační obvod. Stabilizační obvod je nezbytný, protože napětí na sekundárním vinutí přímo závisí na vstupním napětí a pouze podle GOST se může lišit v rozmezí ±10% a ve skutečnosti – ještě více.

Lineární napájecí obvod

Hlavní předností lineárních zdrojů je jednoduchá konstrukce a nízká hlučnost (proto je audiofilové často používají v zesilovačích). Nevýhodou takových zdrojů je jejich velikost a nízká účinnost. Pomocí tohoto schématu je možné sestavit napájecí zdroj s výkonem 400 W nebo více, ale bude mít skličující rozměry, hmotnost a cenu (měď je dnes drahá).

Spínané zdroje

Dále v textu zkrátíme název „spínaný zdroj“ na SMPS. Takové napájecí zdroje jsou složitější, ale mnohem kompaktnější. Jako příklad níže uvedená fotografie ukazuje dvojici transformátorů.

Vlevo je domácí síťový o jmenovitém výkonu 17 W, vpravo pájený z počítačového zdroje o výkonu 450 W. Mimochodem, ta domácí váží také 5x více.

V SMPS je síťové napětí nejprve usměrněno a vyhlazeno filtrem a poté opět převedeno na střídavé napětí, ale s mnohem vyšší frekvencí (několik desítek kilohertzů). A pak je sešlápnut transformátorem.

Počítač spínaný napájecí obvod

Takto vypadá deska v reálném životě:

Filtr

Filtr v napájecím zdroji je obousměrný: pohlcuje různé druhy rušení: jak rušení vytvářené samotným napájecím zdrojem, tak rušení přicházející ze sítě. V nejlevnějších napájecích zdrojích podnikaví čínské pájené propojky místo tlumivek (nebo, jak jim opraváři říkají, „je to jedno“), a vůbec neinstalovali kondenzátory. Proč je to špatné: rušení ovlivní ostatní zařízení připojená k této síti a výstupní napětí bude „odpadky“. Nyní je takových bloků málo. Úspora je i na velikosti: je tam filtr, ale nějak to půjde.

READ
Jak aplikovat tmel ve sprchovém koutě?

Filtr pracuje efektivněji, když je umístěn co nejblíže ke zdroji rušení. Část filtru je proto často umístěna přímo na zásuvce.

Na obrázku je filtr v minimální konfiguraci. F1 – pojistka, VDR1 – varistor, N1 – termistor, X2 – X-kondenzátor, Y1 – Y-kondenzátory, L1 – běžná tlumivka. Rezistor R1 slouží k vybití kondenzátoru X2.

Vstupní filtrační obvod pro potlačení šumu

Další životu nebezpečnou úsporou pro uživatele je instalace běžných X a Y kondenzátorů namísto speciálních. Je to však vzácné. Autor to viděl jen jednou a velmi dávno. Úspory jsou velmi malé a riziko pro uživatele je velmi vysoké, protože například Y-kondenzátory jsou spojeny jednou „nohou“ s fází a druhou s pouzdrem. V případě poruchy kondenzátoru se na krytu může vyskytnout životu nebezpečné napětí.

Korektor účiníku

Nebudeme zabíhat do podrobností, protože články na toto téma již byly: jednou a dvakrát. Řekněme, že korektor účiníku by měl být ve všech počítačových zdrojích, nejlépe aktivního typu (A-PFC).

Výhody korektoru:
1) Sníží se zatížení sítě.
2) Zvýšený rozsah vstupního napětí (nejčastěji, ale ne vždy).
3) Vylepšený výkon měniče.

nevýhody:
1) Složitost návrhu se zvyšuje a v souladu s tím se snižuje spolehlivost.
2) Při práci s UPS mohou nastat problémy.

Konvertor

Obvykle se používá můstkový nebo polomůstkový obvod. Nejběžnějším typem je poloviční můstek. Níže uvedený obrázek jej ukazuje ve zjednodušené podobě.

Jak je patrné ze schématu, tranzistory se střídavě otevírají s mírným zpožděním, aby nenastala situace, kdy jsou oba otevřené. V tomto případě získáme na primárním vinutí vysokofrekvenční střídavý proud a na sekundárním vinutí je již snížen na požadovanou hodnotu.

Špičkové jednotky využívají rezonanční měniče (LLC), které mají vyšší účinnost, ale jsou technicky složitější.

Usměrnění a stabilizace výstupních napětí

Na výstupu napájecího zdroje jsou čtyři napětí:
1) 12 V – je zodpovědný za napájení procesoru, grafické karty, HDD, ventilátorů.
2) 5 V – napájení logiky základní desky, mechanik, USB.
3) 3,3 V – napájení RAM.
4) -12 V – je považováno za atavismus a v moderních počítačích se nepoužívá.

Podle způsobu rovnání a stabilizace lze bloky rozdělit do čtyř skupin:

READ
Jak vyměnit vypouštěcí čerpadlo na pračce?

1) Usměrnění pomocí Schottkyho diod (polovodičové zařízení, jehož úbytek napětí při přímém zapojení bude třikrát až čtyřikrát menší než u klasických křemíkových), skupinová stabilizace.

Schéma instalace sestavy diod v SMPS

Zevně je lze poznat podle dvou velkých tlumivek. Jeden má tři vinutí (12 V, 5 V a tenký drát -12 V).

Skupinový stabilizační plyn

Druhý je menší. Jedná se o samostatnou stabilizaci kanálu 3,3 V. V dnešní době se takové zdroje často vyskytují především v segmentu rozpočtu. Například:

Zde je například fotografie takového bloku. Velmi příznivé pro rozpočet:

2) Usměrnění pomocí Schottkyho diod, samostatná stabilizace na magnetických zesilovačích. Externě je lze odlišit přítomností tří velkých tlumivek ve výstupních obvodech. Toto schéma se v moderních napájecích zdrojích nepoužívá: bylo nahrazeno produktivnějšími řešeními. Vrcholem takové obvodové technologie byl počátek 2000. století.

3) Usměrnění 12V kanálu pomocí Schottkyho diod. Napětí 5 V a 3,3 V se získá z 12 V pomocí DC-DC měničů. Pokroky v elektronice umožnily vyrábět levné a účinné měniče tohoto druhu. Napájecí zdroj nebude o mnoho účinnější než konvenční se skupinovou stabilizací (protože zatížení nízkonapěťových kanálů je malé), ale stabilita napětí je vyšší.

4) Kanál 12 V – synchronní usměrňovač využívající MOSFET (izolovaný hradlový tranzistor s efektem pole), zbývající napětí jsou získána pomocí DC-DC měničů.

Tranzistory jsou často umístěny na zadní straně desky a chladiče jsou umístěny nahoře. V tomto případě vidíme čtyři PSMN8R3-40YS

Jedná se o nejúčinnější a nejpřesnější, ale také složitější obvod. V souladu s ním jsou vyrobeny všechny špičkové napájecí zdroje. Odchylky výstupního napětí takových jednotek jsou v rozmezí jednoho až dvou procent, s přijatelnými 5 %.

Pohotovostní napájení

Jedná se o nízkopříkonový SMPS s výstupním napětím 5 V. Pracuje po celou dobu připojení zdroje k síti. Poskytuje napájení čipům uvnitř jednotky a napájení logiky na základní desce a také dodává energii portům USB, když je počítač vypnutý.

Clo ve výši 177 TNY. Pod transformátorem je vidět diodový usměrňovač (D22).

Dozorce

Mikroobvod zajišťuje fungování hlavních ochran v jednotce (překročení výstupních napětí, překročení výstupního proudu atd.), řídí zapínání a vypínání jednotky na základě signálů ze základní desky.

Sitronix ST9S313A Vedoucí. Jsou viditelné zelené (PC_ON) a šedé (Power Good) vodiče.

Nyní si můžete představit, jak je to v dnešní době s obvody. Co nás čeká v budoucnu? V květnu 2020 Intel vydal nový ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Design Guide, který popisuje zcela nové napájecí zdroje: jednotce zbývá pouze jedno napětí – 12 V. Základní deska převede požadovaná napětí. Pohotovostní napájení se přepne z 5 V na 12 V. Rozměry ATX jednotek přitom zůstávají stejné. To se provádí za účelem zachování kompatibility se staršími případy. Pravda, zatímco výrobci s přechodem na tento tvarový faktor nijak nespěchají.

READ
Kde je napájení a návrat baterie?

Různé umístění napájecích zdrojů v pouzdře: klady a zápory

Klasické umístění napájecího zdroje v systémové jednotce je na zadní straně. Nyní jsou však stále populárnější „systémové jednotky“ s alternativním umístěním napájecího zdroje. Na boku, dole, v samostatné přihrádce. Dává to smysl? Odpovědi jsou v našem článku.

Konstrukce a účel napájecího zdroje

Proč potřebujete napájecí zdroj v počítači? Samozřejmostí je přívod elektřiny do všech komponent PC! Ale tvůrci prvních systémových jednotek by takovou odpověď považovali za neúplnou. Až dosud mnoho počítačů s nízkou spotřebou nemá skříňové ventilátory. V takových sestavách pouze ventilátor napájecího zdroje organizuje pohyb vzduchu uvnitř skříně. Zdroj tedy chladí i komponenty PC. S ohledem na tuto funkci byl vytvořen návrh napájecího zdroje počítače.

    Na zadním krytu jsou instalovány: vstup 230 V, spínač a někdy odtahový ventilátor.

Klasický design pouzdra

V klasickém provedení zdroj podporuje přirozený pohyb vzduchu v pouzdře. Studený vzduch prochází komponentami systému, ohřívá se a stoupá vzhůru. Poté prochází napájecím zdrojem a je vyveden ven.

Tato konstrukce poskytuje dobré chlazení s minimem ventilátorů. Díky tomu to bylo extrémně běžné.

Existují však i nevýhody.

    Napájecí zdroj visí nad základní deskou, což ztěžuje připojení konektorů a instalaci komponent. V některých sestavách takový napájecí zdroj neumožní instalaci velkých věžových chladičů nebo kapalinových chladicích systémů. Nebo to bude překážet při instalaci paměťových karet. K těm umístěným na okraji základní desky je navíc často nemožné se jednoduše dostat. Musíte odstranit napájecí zdroj.

Vznik velmi „žhavých“ sestav donutil výrobce hledat alternativy ke klasickému designu.

Nestandardní horní pozice

Zajímavá možnost – s horní vertikální umístění napájecího zdroje na přední straně skříně. Kde jsou obvykle umístěny pohony

HDD a SSD lze umístit kamkoli, diskové jednotky dnes nejsou nijak zvlášť potřeba. Toto místo lze tedy využít pro instalaci napájecího zdroje. Při tomto uspořádání zdroj nepřekáží při instalaci chladiče a připojení konektorů k základní desce. A je pohodlnější pokládat kabely.

Další výhodou je velmi kompaktní uspořádání prvků. Taková pouzdra mají minimální rozměry při zachování vnitřního objemu.

Napájecí zdroj v tomto uspořádání zpravidla odebírá vzduch z pouzdra. Toto není nejlepší volba pro horké a vysoce výkonné sestavení.

READ
Jak koordinovat izolaci lodžie?

Zde můžete využít případy, kdy napájecí zdroj nasává vzduch zvenčí, přes mřížku v předním krytu.

Uspořádání „nahoře“ má také své nevýhody. V této sestavě bude vypínač napájení pod krytem. Abyste se k němu dostali, budete muset nejprve sejmout horní kryt pouzdra.

A pokud chcete nainstalovat Bluray mechaniku nebo zvukovou kartu s ovládacími prvky na předním panelu, nebudete to moci udělat. Místo je zaneprázdněné!

Dalším neobvyklým bodem je připojení napájení přes prodlužovací kabel. Vkládá se do bloku, prochází PC skříní a vychází ze zadní strany – paticí směrem ven. Vypadá to zvláštně, ale hlavního cíle je dosaženo – úspora místa.

spodní umístění

Snad nejrozšířenější design posledních let. Napájecí zdroj je umístěn vodorovně ve spodní části. Nasává vzduch zvenčí otvory ve spodní části krytu.

Zdroj je tak dobře chlazen a nezasahuje do komponent uvnitř PC. Úhledné uspořádání kabelů je zde velmi snadné. A samotný design je extrémně jednoduchý.

Jedinou nevýhodou, kterou lze zaznamenat, je zvýšené hromadění prachu v napájecím zdroji. Ventilátor umístěný nad podlahou nasává veškerý prach, který se dostane pod skříň.

To je však velmi malé mínus. Síťový filtr ochrání napájecí zdroj před většinou prachu. Obvykle se umisťuje na horní část roštu.

Musíte také zajistit, aby se pod skříní nehromadily odpadky a neblokovaly proudění vzduchu do napájecího zdroje. A už žádné chlupaté koberce pod vaším počítačem!

Co když to otočíš?

Pokud zdroj pro chlazení odebírá vzduch zvenčí, musí být ve skříni instalovány samostatné ventilátory. V opačném případě se vzduch v něm nebude pohybovat a součásti se začnou přehřívat.

Existují však případy, kdy lze napájecí zdroj nainstalovat dvěma způsoby. V prvním případě odebírá vzduch zvenčí – pak skříň potřebuje přídavný ventilátor. V druhém případě se zdroj obrátí a odebírá vzduch z pouzdra.

Tyto napájecí zdroje mají dvě sady montážních otvorů.

Tento design umožňuje ušetřit na ventilátorech skříně. Dobrá volba pro sestavu s nízkou spotřebou.

Je pravda, že cirkulace vzduchu v případě tohoto uspořádání napájecího zdroje není prováděna nejúčinnějším způsobem. Ale často to stačí.

READ
Jak odstranit zápach z pohovky doma?

Ale dráty a samotné napájení při instalaci komponent na základní desku nepřekáží.

Boční pozice

S horním i spodním přívodem vzduchu se do napájecího zdroje dostává mnoho prachu a nečistot. A s tímto uspořádáním napájecího zdroje není snadné položit kabely krásně. Pokus o vedení vodičů v samostatné přihrádce bude vyžadovat jejich značné prodloužení. Možné řešení: boční umístění zdroje. V tomto případě je vzduch nasáván přes boční stěnu pouzdra.

В pouzdra štíhlého typu Boční umístění napájecího zdroje je nejčastější.

Do tenkého pouzdra se ve své normální poloze jednoduše nevejde ani redukovaný napájecí zdroj ve tvaru SFX.

Jediný způsob, jak umístit zdroj do úzkého pouzdra, je umístit jej na stranu. Napájení je připojeno pomocí prodlužovacího kabelu.

Také populární pouzdro s napájecím zdrojem umístěným v samostatné boční přihrádce.

Poskytují účinné chlazení a nejlepší správu kabelů. Kabely jsou rozmístěny podél bočního oddílu a jsou vyvedeny do krytu vedle komponentů. V boční přihrádce jsou také mechaniky.

„Vnitřnosti“ počítače získávají úhledný a uklizený vzhled. Proto má tento design většinou průhledný boční kryt a milují ho především moddeři.

Nevýhodou provedení s oddělenou boční přihrádkou pro PC jsou velké rozměry a vysoká cena.

Výkon

Standardní umístění napájecího zdroje vzadu nahoře není nejlepší volbou. Napájecí zdroj může rušit instalaci součástí. A horký vzduch uvnitř skříně může snížit životnost samotného napájecího zdroje. Pro výkonné a „horké“ sestavy je vhodnější skříň s externím přívodem vzduchu do napájecího zdroje. Skříně se spodním napájecím zdrojem jsou jednodušší a dostupnější, ty s bočním napájecím zdrojem v odděleném prostoru poskytují více příležitostí pro správu kabelů.