3.3.9. Izvor energije - SPS

Naravno, izvor energije za rad računala je gradska mreža, ali ne u izvornom obliku već transformirana u jednosmjernu struju. Različite koncepcije DRS na različit način rješavaju problem transformacije energije. Jednostavniji sustavi imaju transformatore, kojima se smanjuje napon gradske mreže na potrebitu mjeru te potom ispravlja. No, za veće snage takva koncepcija zahtijeva velike transformatore s teškim željeznim jezgrama. Stoga se primjenjuje drugačiji način transformacije. Izmjenični napon gradske mreže veličine 220 V i frekvencije 50 Hz (Europa), izravno se ispravlja u jednosmjernu struju te se ispravljeni napon propuštanjem kroz transformator ponovo pretvara u izmjenični ali daleko veće frekvencije (preko 15'000 Hz), a kako je presjek željezne jezgre transformatora obrnuto proporcionalan frekvenciji, glomazni transformator svodi na veličinu nešto veću od kutije šibica. Potom se smanjeni transformirani izmjenični napon ponovo ispravlja za potrebe rada sklopova. Ovakvi ispravljači nazivaju se IMPULSNI ISPRAVLJAČI (SPS - Switching Power Supply). Često se nazivaju PSU (Power Supply Unit) zbog toga što su često dizajnirani kao zaseban uređaj, gotovo standardizirane veličine, kojemu mogućnosti ovise o potrebama.

Primjer XIV

Načelna električna shema i primjer izvedbe uređaja za napajanje sklopova PC računalnog sustava.

Slika** 3.3.38 Načelna električna shema SPS-a / Izvedba. ( + / - )

Načelna električna shema prikazana na slici 3.3.38a pokazuje kako je ispravljač koncipiran. Izmjenični napon gradske mreže, frekvencije 50 Hz, dostupan preko 'RMO' priključka se nakon filtra 'F' ispravlja diodnim mostom 'D' i filtrira parom kondenzatora 'C'. Ispravljeni napon preko otpornika 'R' napaja inicijalnu elektroniku u upravljačkim sklopovima, koja preko transformatora 'TR1' generira osnovni upravljački napon od +5 V SB (Stand-by) za ostale upravljačke sklopove i uređaje koji omogućavaju pokretanje računala (botun 'B', mrežna kartica, tipkovnica, miš i slični), kao i dodatno napajanje (Up) za upravljačke i pobudne sklopove. Pobudni sklopovi posredstvom signala iz generatora takta visoke frekvencije, od nekoliko desetaka kHz, omogućavaju da se preko prekidačkih elektroničkih komponenti 'T1-D1' i 'T2-D2' pobuđenih s 'T3' i 'T4' preko transformatora 'TR2', izvrši nadzirano izmjenično propuštanje struje uzrokovane pražnjenjem para kondenzatora 'C' kroz primarnu zavojnicu 'P' transformatora 'TR3' vrlo velikom frekvencijom. U sekundaru 'S' transformatora 'TR3' inducira se izmjenična struja vrlo visoke frekvencije koja omogućava male gabarite ispravljačkih i 'LC' filtarskih elemenata za svaki potrebni istosmjerni napon. Zbog vrlo velike radne frekvencije, feritne jezgre transformatora su vrlo malog presjeka, i potreban je vrlo mali broj namota bakrene žice u primarnom i sekundarnom namotaju glede transformiranja napona. Jeftinije verzije impulsnog ispravljača koriste elektroniku s kojom se u 'TR3' vrši visokofrekventno propuštanje struje kroz primarnu zavojnicu 'P' korištenjem jednog elektrolitskog kondenzatora 'C' i jednog prekidačkog tranzistora, za razliku od izvedbe prikazane na slici 3.3.38b.

Kada se zbroji potrošnja mikroprocesora, grafičke kartice, diskovnih i optičkih uređaja, radne memorije rashladnih ventilatora i ostalih uređaja i eventualno umetnutih kartica, treba priskrbiti energije od 200 W pa do preko 1000 W. Dakle, za zahtjevniji računalni sustav treba osigurati kvalitetan izvor energije, s dovoljno priključnih konektora. U većini slučajeva u ponudi proizvođača kućište za računalo i izvor napajanja energijom su objedinjeni. No, kvalitetnija napajanja obično su zaseban proizvod. Stoga je dobro izabrati dovoljno tvrdo i prozračno kućište računala koje sadrži dovoljno 5,25" i 3,5" vanjskih i unutarnjih utora za diskovne uređaje, optičke uređaje i druge dodatke i ima mogućnost ventiliranja barem s prednje i stražnje strane, te u njega ugraditi kvalitetne ventilatore. Napajanje mora opskrbiti energijom sve uređaje koje opslužuje i o njima ovisi kolika mu mora biti deklarirana snaga. Na Internetu postoje sjedišta koja omogućavaju brz proračun potrebite snage napajanja ili programska potpora namijenjena upravo za tu svrhu (PSU Wattage Calculator). Sam izvor napajanja najbolje je izabrati na osnovu testova u magazinima i provjerom mogućeg izbora kod korisnika koji ga već rabi. Navedena snaga izvora ukazuje na to da i samo kućište izvora napajanja mora imati dobro riješeno rashlađivanje.

No sve dosad navedeno je opis za kućno ili uredsko računalo korisnika (PC). No kućišta i izvori napajanja za poslužitelje nešto su sasvim drugo. Jedno dobro kućište težiti će preko 30 kg, imati će matičnu ploču koja podržava multiprocesorski rad, mogućnost izmjene 5-10 diskova u radu (hotplug), 10-15 ventilatora koji se lako izmjenjuju i plastične vodilice za kanaliziranje strujanja zraka kroz kućište, a za slučaj naglog porasta temperature aktivirati će se posebna turbina koja će ostvariti snažan protok zraka. Grafička podrška u osnovi je slaba (a poslužitelju nije ni potrebna). Napajanje je u pravilu udvojeno i u slučaju otkaza jednog od izvora sustav ne prestaje raditi. Diskovi su u RAID sustavu podržanom sklopovski, što je odlična garancija očuvanja podatka. Naravno, u takvo računalo ugrađuje se DAT sustav za 'backup' podataka. Jednom uključen poslužitelj u osnovi se više ne isključuje.

Primjer XV

Raspored priključaka u konektorima za napajanje sklopova PC računalnog sustava tipa AT i ATX-2 (ATX12V) version 2.2.

Kod PC sustava parametri ispravljača su standardizirani, odnosno broj i raspored kontakata (pinout), pa čak i boja izlaznih vodiča. Ispravljač se isporučuje uz kućište računala, snage u rasponu od 150-1000 W, te sa četiri ili pet izlaznih jednosmjernih napona kao na primjer za ispravljač s AT ili ATX (ATX-2) MPC (Main Power Connector) konektorom prema matičnoj ploči kako je prikazano u narednim tablicama:

Vodič označen s PW-OK služi kao nadzor izvora i ako su svi izlazni naponi stabilizirani i u redu s +5 V DC daje podatak matičnoj ploči da se sustav može pokrenuti. PS-ON služi za nadzor nad uključivanjem i isključivanjem računala, a SB je priključak za Stand-by režim rada računala. Sve navedene kontrole iniciraju se naponom od +5 V DC. ATX konektor može se uključiti u ležište za ATX-2 konektor s tim da se ne rabe pinovi 11, 12, 23 i 24. Ako se PC-ON priključak (zeleno obojeno) spoji na bilo koji priključak mase (GND) isključuje se uzajamna kontrola matična ploča - izvor napajanja, i napajanje se može samostalno uporabiti kao zasebni izvor u neku drugu svrhu, na primjer kao dodatno napajanje u kućištu u koje je ukomponirano više uređaja od uobičajenih; kao izvor za dodatne diskovne i optičke uređaje, naravno bez korištenja MPC konektora. Umjesto premoštenja priključaka bolje je uporabiti u za tu svrhu izrađen MPC razdjelnik koji omogućava korektno spajanje dva napajanja u sustavu.

Svi izlazni naponi su stabilizirani i ispravljač posjeduje elektroniku koja ga u slučaju kratkog spoja na izlaznim priključcima isključuje. Ispravljač na izlazu daje deklarirane vrijednosti uz promjene ulaznog napona u rasponu od 200-260 V (Europa). Na samom kućištu ispravljača ugrađuje se glavni prekidač računala, naponski priključak 220 V za napajanje monitora i preklopnik za prebacivanje ulaznog napona 110 V / 220 V. Prije prvog uključivanja računala treba provjeriti položaj ovog preklopnika.

Kod sustava s 'Pentium 4' CPU i grafičkih kartica veće potrošnje, uz postojeće ATX priključke dodaje se još jedan priključak oblika kao AT-P8, AUX konektor (+5 V i +3.3 V). Noviji stabilniji koncept napajanja procesora preko zasebnih stabilizatora napajanja na matičnoj ploči traži samo izvor od +12 V koji se osigurava preko kvadratnog konektora nešto manjih dimenzija ATX 2×2. Dodatni konektor istog oblika koristi se za napajanje grafičke kartice. Na taj način rasterećuju se kontakti napajanja u utorima (slot-ovima) matične ploče od prekomjernog opterećenja. Koncept napajanja procesora s konektorom ATX 2×2 (P4) istisnuo je AUX koncept.

Tipična potrošnja jednog ATX12V izvora 'MS 400W ATXP4' prikazana je u narednoj tablici:

Uz navedene konektore, iz ispravljača vode kablovi s jednim ili dva mala FDPC (Floppy Drive Power Connector) konektora za disketne uređaje, te više PPC (Peripheral Power Connector) konektora za periferne uređaje kao HDD (tvrdi disk) i CD-DVD (optički uređaji). Ako nema dovoljno PPC konektora za uređaje vrlo dobro mogu poslužiti razdjelnici. Konektori (pinout) uređaja prikazani su u narednim tablicama.

Noviji i zahtjevniji PC sustavi glede potrošnje imaju snažnije napajanje od prethodno opisanog, veći dodatni konektor na matičnoj ploči za napajanje CPU, te dodatne konektore za grafičke kartice, prema specifikaciji ATX12V version 2.3. Tipično, to su konektori s 6 (PCI-E 2×3) ili 8 (EPS 2×4) pin-ova, koji osiguravaju napajanje od +12 V DC, uz GND vod za svaki vod napajanja, prema narednim tablicama.

Konektor od 6 pin-ova ponekad ima dodatak od još dva pin-a za GND (6+2). Kako slučajno ne bi došlo do zbrke prilikom spajanja pojedinih konektora za uređaje, ležišta pojedinih pinova konektora su trapeznog oblika. Dakle, ni jedan konektor ne može se u nepripadno mu ležište ugurati 'na silu'. EPS konektor može se izraditi i kao udvostručeni P4 konektor.

Svi pinovi na konektorima normirani su na radnu struju od 6 A, te je otuda veliki broj pinova iste boje za isti napon za pojedine vrste konektora. Nešto manji SATA napojni konektori, koji zamjenjuju PPC konektore u novijim sklopovskim izvedenicama ovih uređaja, spajaju se za PPC konektor preko adaptera, ili izvor energije ima dodatne konektore upravo za SATA uređaje. Broj pinova SATA konektora je povećan (15), te više njih sliži za istu svrhu radi povećane sigurnosti glede 'isporuke' energije uređaju, a značajno je da standard vrijedi za diskove širine 2.5" i 3.5", odnosno kućna i prijenosna računala. Osim navedenog SATA standard predviđa i peti napojni vod za izvor +3.3 V glede buduće primjene. Normirana radna struja po SATA pinu je 1.5 A.

Jedan od novijih standardiziranih priključaka, namijenjen isključivo za grafičke kartice generacije PCIe 5.0, je konektor za 12V i GND prema slijedećoj tablici.

U odnosu na uobičajene priključke dodana su četiri manja koja služe za senzorske svrhe, što se vidi po izgledu konektora na slici 3.3.39d.

Prilikom odabira ispravljača treba biti pažljiv. Prvi korak je izračunati ukupno potrošnju komponenti unutar računala; mikroprocesor, grafička kartica, diskovi, rashladni ventilatori i drugo. Izračunu treba pridodati 25% radi eventualnih dogradnji. Potom treba odabrati proizvođača koji zaista može ponuditi ispravljač s potrebnim zahtjevima. Iako ispravljač može anulirati promijene napona gradske mreže u određenim razmjerima, bolje je obratiti pažnju na veličinu i stabilnost istosmjernih napona. Najčešće su problemi s izvorom od +12 V DC, koji je ili nestabilan ili se prilikom opterećena smanji ispod 11.5 V DC što automatski dovodi do nestabilnog rada računala. Anuliranje promjena napona gradske mreže treba u slučaju potrebe prepustiti izvoru besprekidnog napajanja (UPS).

Uzgred, navedeni konektori često se nazivaju MOLEX-konektori, prema jednom od najznačajnijih proizvođača koji ih je radio. Ovaj naziv često se koristi za sve konektore u PC računalu iako se uobičajeno odnosi samo na PPC konektore uređaja PATA grupacije. Konektor se vrlo često koristi za proširenje postojećih HDD priključaka (molex razdjelnik - jedan muški prema dva ženska priključka) za dodatne uređaje ili priključivanje ventilatora kućišta. Naredni skup slika prikazuje jedan moderan SPS. Ono što ga čini drugačijim od jeftinijih uređaja je modularno napajanje, odnosno na unutrašnjoj strani kućišta SPS-a su priključci za kablove koji vode mrema matičnoj ploči i uređajima. Ima ih različitih vrsta s različitim brojem priključaka, što omogućava lijepo uređivanje unutrašnjosti računala bez viška kablova i priključaka.

Slika**** 3.3.39 Ispravljač PC računala. ( + / - )

Kako je sve standarizirano za matične ploče, tako je sve standarizirano i za SPS, uključujući razmak rupa za vijke. Prikazani SPS dizajniran je prema ATX 3.0 standardu, koji u odnosu na prethodne ima zasebno napajanje za PCIe 5.0 grafičku karticu ako joj takav priključak treba (12VHPWR konektor).

Važan faktor glede kvalitete SPS-a je pripadnost jednoj od kategorija prema oznakama u zaglavlju ovog paragrafa. SPS za PC računalo uglavnom ima efikasnost od 80% na više, što znači da se od ukupne privedene energije u uređaj 20% gubi na toplotu. Na slici 3.3.39e prikazan je dijagram efikasnosti jednog SPS-a prema svakoj od kategorija prikazani? oznakama na slici u zaglavlju paragrafa. Prema svemu navedenom može se zaključiti da bez obzira na pojedine standarde (AT, ATX i ATX-2) ima mnoštvo priključaka koji iz napajanja mogu izaći i još se pomoću razdjelnika može povećati njihov broj. Bez obzira na to jedno im je zajedničko, svi priključci su različito fizički profilirani (slika 3.3.39d) tako da se ne može dogoditi da se konektor jedne vrste uključi u konektor neke druge pripadnosti i uporabi za neku drugu svrhu. Zbog toga pojedini proizvođači SPS-a ne koriste kablove različitih boja, kao što je primjer za kabel tipa 12VHPWR. Uz navedeno treba voditi računa i o tipu matične ploče jer je MPC konektor svakog opisanog standarda dizajniran je upravo za različite standarde matičnih ploča.

Važan dio ispravljača je ventilator koji omogućava hlađenje komponenti u ispravljaču kao i izmjenu zraka u samom kućištu računala. U slučaju potrebe postoji mjesto u kućištu računala za dodatni ventilator, a manji dodatni ventilator skupa s hladilom ugrađuje se i na mikroprocesore i grafičke kartice koji imaju veću potrošnju. Bolji ispravljači imaju dva ventilatora, jedan za usis zraka iz kućišta i drugi prema zadnjoj strani računala za ispuh ugrijanog zraka. Izvedbe su vrlo raznolike. Svakako treba pripaziti podržava li izabrani ispravljač sa svim svojim napojnim priključcima odabranu matičnu ploču i ostale uređaje, osobito novije tipove kao SATA-II.

Dobro je ako SPS ima ugrađenu elektroniku za aktivnu korekciju faktora snage (aktivni PFC). To je sposobnost izvora energije (SPS) da se kontrolira njegovo opterećenje kako bi se dobila što bolja iskoristivost. U većini primjena, aktivni PFC (power factor correction) kontrolira struju opterećenja na način da je valni oblik struje proporcionalan valnom obliku mrežnog napona (sinusni val). Svrha nadzora faktora snage je da se što više prividna snaga izvora približi stvarnoj potrebnoj snazi i postigne da su napon i struja u fazi te je stoga jalova snaga vrlo mala. Dakle, PFC omogućava učinkovitiju isporuku električne energije računalu.

SAŽETAK:

Važno je spoznati da se preko nekoliko kontakata (kao PW-OK) vrši nadzor stanja naponskih izvora ispravljača. To bi trebalo značiti da ako je napon neispravan, navedeno će matična ploča signalizirati elektroničkoj logici ispravljača koja bi trebala onemogućiti isporuku napajanja i neće doći do oštećenja matične ploče. No, u praksi to obično nije tako; neispravnost ispravljača obično ima za posljedicu i stradavanje nekih od komponenti računala pa tako i matične ploče. Matične ploče najčešća su žrtva loših ili neispravnih ispravljača računala.

Impulsni ispravljači ne primjenjuju se samo za računalne komponente, već se koriste i kao izvor energije za druge vrste uređaja, kao na primjer ispravljač prikazana na slici 3.3.38c, koji napaja ADSL modem. Na izlazu daje 12 V istosmjernog napona uz maksimalnu struju od 1.5 A. Na lijevoj strani kućišta na slici je dio koji pripada naponu gradske mreže 220 V AC; vidi se hladilo ispod kojeg je par kondenzatora, ispravljačka dioda, prekidački tranzistor, te mali transformator. S desne strane kućišta su nisko naponski ispravljački elementi, odnosno dio koji se odnosi na izlaz od 12 V DC; toroidna feritna prigušnica, elektrolitski kondenzatori i tranzistor za stabilizaciju napona. Ovakva vrsta ispravljača sve je popularnija kod prijenosnika.

Dakle, prijenosna računala imaju odvojen izvor napajanja u vidu male plastične kutije koja ima priključak za gradsku mrežu, a izlaz joj je jedan istosmjerni napon s kojim se napaja prijenosno računalo. Problem nastaje ako je takav SPS ispravljač univerzalnog tipa i radi u rasponu od 110-220 V AC, odnosno 'pokriva' američko i europsko tržište. Ako radi na 220 V i uz to na frekvenciji 50 Hz, neminovno će se jako zagrijavati, osobito zbog manje frekvencije gradske mreže (američki standard napajanja je 110 V AC / 60 HZ). Ako je moguće bolje je uzeti ispravljač predviđen upravo za europsko tržište jer se znatno manje grije, a time je i vjerojatnost kvara značajno manja.