poradnik Jak działa zasilacz komputerowy

[drachenfeles 5499]

 

Co to jest zasilacz komputerowy?

Zasilacz komputerowy (ang. Power Supply Unit - PSU) to urządzenie, które służy do przetwarzania prądu przemiennego (choć w naszym kraju, w niektórych przypadkach bardziej zmiennego) dostarczanego z sieci energetycznej (w Polsce standardowo z napięciem 230V) na stabilizowany prąd stały o niskich napięciach, niezbędny do pracy komponentów komputera. Zasilacze komputerowe należą do grupy tzw zasilaczy impulsowych (ang. Switching Power Supply).

 

Co to jest prąd przemienny, zmienny i stały?

Zjawisko to najlepiej obrazuje poniższy rysunek, jest to wykres zmiany napięcia w czasie.

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cb/Zmienno%C5%9B%C4%87_pr%C4%85du_by_Zureks.svg/700px-Zmienno%C5%9B%C4%87_pr%C4%85du_by_Zureks.svg.png

 

 

Prąd przemienny (ang. Alternating Current, AC) to charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero.

 

Taki właśnie prąd powinien „znajdować się” w naszych gniazdkach sieci elektrycznej, co jak niektórzy wiedzą, jest w wielu przypadkach pobożnym życzeniem i dużo częściej elektrownia dostarcza coś pomiędzy zieloną sinusoidą, a szarym szlaczkiem, gdy przytrafi się nam sinusoida zniekształcona w dużym stopniu zachodzi potrzeba stosowania własnego, domowego filtra sieci elektrycznej, który „poprawi prąd” zanim trafi on do drogiej elektroniki.

 

Prąd stały (ang. Direct Current, DC) charakteryzuje się stałym zwrotem oraz kierunkiem przepływu ładunków elektrycznych. Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów, o które opierają się współczesne układy scalone tworzące podzespoły komputerowe.

 

To jak w końcu działa ten zasilacz?

Urządzenia te same w sobie są skomplikowane, a analiza ich schematu wymaga pewnej dawki wykształcenia kierunkowego plus jest po prostu nudna, dlatego w dalszej części artykułu posłużę się poniższym uproszczonym schematem takiego urządzenia.

 

http://images65.fotosik.pl/565/e275ad0d98367fc5.jpg

 

• Obwód rezonansowy (układ cewek i tranzystorów) odpowiada za filtrowanie chwilowe (ang. transient filtering) zabezpiecza on PSU przed kompetencją (a raczej jej brakiem) elektrowni oraz przypadkowymi zmianami napięcia powstającymi w warunkach domowych, np. uruchomieniem silnego odbiornika jak czajnik elektryczny czy odkurzacz. Nie jest to mega wydajne zabezpieczenie, pomaga tylko przy stosunkowo niewielkich „skokach”.
• Układ diod prostowniczych inaczej zwany Mostkiem Graetz’a (ang. Rectifier lub Rectifying Bridge) służy do prostowania prądu, czyli zmiany AC na DC, prostowanie odbywa się etapami, a w efekcie nie gwarantuje idealnego prądu stałego tylko tętniący (patrz niebieska linia na pierwszym wykresie), dlatego na dalszym etapie pracy zasilacza przechodzi on gruntowne filtrowanie i regulację.
• PFC (ang. Power Factor Correction – Poprawa Współczynnika Mocy) to układ scalony służący do dostosowania do warunków pracy czyli inaczej mówiąc do tego jaki prąd dostarczymy do zasilacza na wejściu oraz tego ile prądu potrzeba w danej chwili, istnieją dwa rodzaje PCF – aktywne (na powyższym schemacie) i pasywne mówiąc, wprost rozwiązanie tanie i słabsze (pasywne) i rozwiązanie droższe i lepsze (aktywne).
• Przełącznik (ang. Switcher) to układ scalony odpowiadający za przełączanie pomiędzy układami/stanami w zasilaczu. Wbrew pozorom to ważny i skomplikowany element (stąd zresztą angielska nazwa - switching power suppy).
• Transformator (ang. Transformer) to urządzenie służące do transformowania prądu pomiędzy układami, ze zmianą napięcia, ale zachowaniem częstotliwości, w naszym przypadku zmienia prąd wejściowy 230V na 12V. Drugi transformator widoczny na schemacie pełni rolę izolatora pomiędzy przełącznikiem, a układem PWM, gdy ten nie jest zintegrowany z przełącznikiem.
• Układ filtrujący (głównie kondensatory) wraz z drugim układem mostków prostowniczych (tym razem diody MPS lub inaczej diody Schottky’ego) służy do filtrowania i tworzenia czystych linii zasilania czyli podstawowych +3,3V, +5V oraz +12V (i dodatkowych ujemnych), za dalszą „obróbkę” prądu odpowiada układ PWM.
• PWM (ang. Pulse Width Modulation – modulacja szerokości impulsów) to skomplikowany układ scalony odpowiedzialny za sterowanie oraz regulację/wygładzanie napięcia i natężenie prądu poprzez podawanie go w formie impulsów (stąd polska nazwa – zasilacz impulsowy), co gwarantuje wysoką sprawność całego układu.

 

Co z tego wynika?

Dowiedzieliśmy się już jak ogólnie działa nasz PSU, nie muszę chyba tłumaczyć, że powyższe podzespoły mogą być różnej jakości od podłej po wysoką, w skrócie od tego jakie będą zależy cena i jakość całego urządzenia.

 

Najtańsze jednostki, wymieniane na tzw „Czarnej Liście” zbudowane są w taki sposób, by z grubsza spełniały normy ATX, co nie zawsze jest regułą (a tak swoją drogą normy ATX w cale nie gwarantują dobrego układu, są zbyt rozległe - miejcie to na uwadze), co gorsza zastosowane podzespoły ce****ą się zwykle sporą awaryjnością i ogólnie niską żywotnością, czyli z czasem pracują coraz gorzej co jak łatwo się domyślić źle się odbija na efekcie pracy takiego urządzenia – zbyt tętniący prąd zamiast stałego. Z reguły byle przeciążenie sprowadza się do awarii kończącej żywot PSU, nierzadko wraz z innymi podzespołami „popieszczonymi” niewłaściwym prądem.

 

 W przypadku trochę droższych konstrukcji powyższe zjawisko występują znacznie rzadziej/w mniejszym stopniu, a samo urządzenie nie zużywa się tak szybko, ma przy tym przyzwoitą regulacją i znosi przeciążenia na tyle dobrze, że z reguły nie zabiera ze sobą innych podzespołów, a i samo ma szanse „przeżyć” takie doświadczenie.

 

Najdroższe PSU oferują coś więcej niż (mówiąc kolokwialnie) ustawa przewiduje, ich stopień regulacji oraz sprawność nie tyle trzymają się norm ATX, co znacznie bardziej ścisłych ustaleń, co więcej w przeciwieństwie do tańszych rozwiązań potrafią one utrzymać swoje parametry nawet podczas przeciążeń i z reguły nie ulegają uszkodzeniom z takiego błahego powodu.

 

Moc zasilacza

Teraz proszę czytać uważnie – moc nie ma wpływu na jakość samego urządzenia, może ono mieć napisane i 1200W i jednocześnie być zbudowana z elementów, które nie wytrzymają nawet połowy deklarowanego obciążenia. Dlatego trzymajcie się z dala od urządzeń o dużej liczbie Wat w stosunku do innych w tej samej cenie.

 

A tak na marginesie, przeciętny komputer do grania z mocnym CPU i jedną mocną kartą graficzną, nawet po OC do granic możliwości nie wymaga więcej niż 45A na linii 12V, więcej wymagają tylko układy multiGPU lub gdy ktoś zasila w komputerze coś więcej np. układ chłodzenia cieczą i/lub Ogniwa Peltiera.

Komputer z średniej klasy GPU/CPU, nawet po OC rzadko wymaga więcej niż 35A na linii 12V.

 

Dlaczego piszę tylko o linii +12V, a o pozostałych nic nie wspominam? bo mają marginalne znaczenie, pobór mocy z +3,3V oraz +5V jest znikomy w porównaniu do mocno obciążanej linii +12V.

 

Swoją drogą, zapewne ktoś zapyta - co jest lepsze - kilka słabszych linii +12, czy jedna mocna?

Wszystko zaczęło się w roku 2003 od zalecenia Intel'a wynikającego z przejścia zasilania CPU z linii +5V na linię +12V, zgodnie z normą ATX 2.0 doszło do podziału linii +12V w zasilaczu komputerowym na dwie osobne, z czego pierwsza +12V₁ miała służyć wyłącznie dodatkowemu zasilaniu procesora, a druga +12V₂ obsługiwać pozostałe podzespoły. Miało to niby na celu odseparowanie elektryczne wówczas najbardziej prądożernego podzespołu jakim był CPU od pozostałych urządzeń, niestety efekt był taki, że konstrukcja tego typu pozwalała na stosowanie tańszych i mniej wytrzymałych mostków, tym samym faworyzowała producentów szrotu, zwłaszcza, że z czasem intel brną dalej w tym kierunku. W 2007 wprowadził normę ATX 2.3 zgodnie, z którą maksymalna obciążalność linii +12V w zasilaczu nie mogła przekraczać 20A, co stało się powodem do budowania PSU wyposażonych w 4 lub 5 linii zasilania, które musiały się na wzajem uzupełniać, by dostarczyć odpowiednią ilość prądu do bardziej prądożernych podzespołów, przede wszystkim kart graficznych... Norma ATX2.3 obowiązuje od dziś, a Intel raczy nie zauważyć zmian jakie zaszły w architekturze komputerów osobistych, na szczęście w między czasie (mniej więcej pomiędzy 2010, a 2012) liczący się producenci PSU postanowili olewać zalecenia i zaczęli produkować urządzenia w oparciu o jedną lub dwie mocne linie zasilania, w tym drugim przypadku wyposażone w porządny system regulacji i dobrą separację.

 

Wiem! skoro nie moc, to najważniejsza w zasilaczu jest sprawność, w końcu taki 80+ GOLD musi być lepszy od BRONZE

Nie! Zacznijmy od tego co to jest sprawność i na co ma wpływ, potem przejdziemy do certyfikacji i norm 80+

 

Sprawność urządzenia elektrycznego to parametr podawany w procentach (%), mówi nam o tym ile owych procent energii pobieranej przez zasilacz marnuje się i jest oddawane w postaci ciepła, a ile wykorzystywana przez samo urządzenie - w przypadku zasilaczy przekazywana na podzespoły.

Z powyższego stwierdzenia można by wywnioskować, że im więcej tych procent tym gorzej, nie im więcej tym lepiej, podana wartość to ilość energii jaką dane urządzenie wykorzystuje, reszta do 100 oznacza starty.

 

Teraz, wypadałoby obalić często powtarzany mit - sprawność nie ma wpływu na moc - dla ułatwienia rachunku weźmy następujący przykład:

 

Zasilacz o sprawności 70% dostarcza 100W prądu do komputera, dostarczy on takie samo 100W jak zasilacz o sprawności 85%, dlaczego? Bo tak to działa, różnicę zaobserwujemy nie w komputerze, tylko "w gniazdku" dostarczając rzeczone 100W do podzespołów zasilacz o sprawności 70% zużyje na ten cel 130W, tymczasem zasilacz o sprawności 85% tylko 115W, innymi słowy im sprawniejszy PSU tym mniej prądu "idzie w komin", ale nie ma to wpływu na to ile prądu dostaną podzespoły.

 

Nie ma to też za bardzo wpływu na to czy PSU jest faktycznie dobry, czy tylko wykręca wysoką sprawność, jedno nie implikuje drugiego, dla przykładu Coolmax CUL-750B, certyfikowany na 80+ Bronze, o potwierdzonej niezależnymi testami sprawności ~81-84% w zależności od obciążenia, czyli trochę poniżej certyfikatu, ale co tam, gorsze jest to, że spalił się biedaczek przy obciążeniu 500W, dodam, że to jednostka oznaczona nominalną mocą 750W, sama jakość nie ma co...

Dla zainteresowanych cały artykuł: http://www.hardwaresecrets.com/article/Coolmax-CUL-750B-750-W-Power-Supply-Review/977/1

 

Przejdźmy teraz do norm i certyfikacji 80+

Na początek zapraszam na stronę organizacji: http://www.plugloadsolutions.com/About.aspx

Jak możemy wyczytać z podanej przez EPLS metodologii w zależności od dokonanych pomiarów na danej jednostce otrzymuje ona odpowiednio normę od 80+ po 80+ Titanium, kłopot w tym, że:

• pomiarów dokonuje się w warunkach laboratoryjnych mających się nijak do rzeczywistych, większość PSU pracuje w wyższych temperaturach uzyskując tym samym niższą sprawność, czasami zauważalnie niższą
• pomiarów dokonuje się wyłącznie na napięciu źródłowym 115V, podczas, gdy większość świata ma "w gniazdku" 220-240V, a wyniki wielu konstrukcji pod większym napięciem różnią się (na niekorzyść) od tych uzyskiwanych na 115V
• Rebrandowane zasilacze nie przechodzą testów ponownie, tylko dostają certyfikat "z automatu", wystarczy zapłacić, nawet jak dokona się w nich pewnych modyfikacji, które teoretycznie mogłoby mieć wpływ na taki pomiar

​Z tych powodów nie należy tak do końca ufać nalepkom, do tego dochodzi pewna dawka niezdrowej konkurencji w postaci firm chwalących się certyfikatem, którego ich urządzenia tak na prawdę nigdy nie otrzymały.