2015. december 6., vasárnap

ATX tápegység


      Az ATX (Advanced Technology eXtended) egy számítógépes Intel szabvány, amely bizonyos feszültség- és áramerősségszinteket, csatlakozótípusokat, méreteket és elrendezéseket határoz meg. Az ATX tápegység ehhez a szabványhoz igazodik. A legfőbb feladata egy számítógép tápegységének a megfelelő feszültségszintek előállítása: +12V, +5V és +3.3V a szükséges áramerősségekkel együtt. Emellett még előfordul a -12V, amit az RS-232 soros port használ vagy a -5V, amit az ISA buszra csatlakozott perifériák használnak. Ez a kettő, főleg az utóbbi már elavult technológiának számít és az újabb tápegységekbe már nincs beleépítve (vagy csak az alkatrészek helye van meghagyva a nyomtatott áramkörön). Tulajdonképpen a +12V-ot csak a villanymotorral rendelkező perifériák használják, mint a DVD író, HDD vagy egyéb mechanikus alkatrész (pl. ventillátor), a teljesítmény nagy részét az 5V-ról üzemelő processzorok fogyasztják el, ezért a tápegység erre az ágra összpontosítja az energia legnagyobb részét. Sok esetben a villanymotorok is 5V-osak, valamint a RAM memória és a PCI kártyák is ebből konvertálják át maguknak a feszültségeket. Az átkonvertált feszültségek többnyire 3.3V vagy ez alatti értékek, ezért a tápegységből egy ilyen ág is ki van vezetve. A külön kivezetések külön áramkörökből erednek, így egyik leterhelése nem okoz problémát a másiknak. A gyengébb minőségű tápegységekben ez a különállóság nem teljes mértékű és sokszor üzemzavart okozhat.


Az ATX tápegységek ezeken kívül még el vannak látva 3 további kivezetéssel:
  • PWR-OK (szürke, 5V): az alaplap csak akkor lép működésbe, ha erről a vezetékről jelet (5V-ot) kap. A tápegység pedig csak akkor ad jelet, ha a bekapcsolást követően minden feszültség- és áramerősségszint megfelelő és stabil. Ez a jel folyamatosan jelen kell legyen, hogy a számítógép működjön. Egy áramkör folyamatosan teszteket végez és ha túl nagy az ingadozás vagy nem teljesülnek a megadott küszöbértéket, nyomban lekapcsolja az 5V-ot a PWR-OK vezetékről. Amíg a PWR-OK jel meg nem érkezik, addig egy időzítő felhúzva tartja a processzor reset lábát, hogy az ne tudjon elindulni.
  • PS-ON (zöld, 5V): lehetővé teszi a tápegység szoftveres ki- és bekapcsolását. Ezt az olyan operációs rendszerek tudják kihasználni, melyek támogatják APM (Advanced Power Management) vagy ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) funkciókat. Ezen funkciók nélkül a leállásra szánt rendszer nem tudja lekapcsolni a tápegységet, csupán kiírja, hogy a számítógép biztonságosan kikapcsolható. Amíg az 5V jelen van a vezetéken, addig a tápegység nem kapcsol be. A számítógép kapcsológombja hozza 0V-r a feszültségszintet.
  • 5VSB (lila, 5V): a kikapcsolt állapotban lévő tápegység egy 5V-os tápfeszültséget szolgáltat ezen a vezetéken, amely ellátja a készenléti áramköröket. Ennek segítségével távolról (LAN, USB) is bekapcsolható a számítógép. A PWM vezérlőnek is szüksége van erre mielőtt elindítaná a tápegységet.
Az ATX tápok működése kapcsolóüzemű, nem lineáris. Ez azt jelenti, az aktív komponensek (pl. tranzisztorok) nem lineáris, hanem kapcsoló üzemmódban dolgoznak.
  • A lineáris tápegységek általában előbb áttranszformálják a hálózati feszültséget a megfelelő értékre, egyenirányítják, szűrik, majd negatív visszacsatolású szabályzóval vagy teljesítménytranzisztorokkal stabilan tartják a kimenetet.

  • A kapcsolóüzemű tápegységek a transzformálás előtt egyenirányítják, szűrik, majd magas frekvencián (10-50kHz) kapcsolgatják a hálózati feszültséget. Emiatt kisebb transzformátor is elég, hisz a transzformátor vasmagjának keresztmetszete és menetszáma fordítottan arányos a frekvenciával. Ugyanakkor a vasmag anyagának fluxus-sűrűsége is eleget kell tegyen a magas frekvenciáknak, különben a transzformátor túltelítődik. A transzformálás után újabb szűrés következik, ám ezúttal kisebb (és gyorsabb) alkatrészek is elegendőek a szűréshez.


A kapcsolóüzem láthatólag bonyolultabb, mivel több lépésből áll mint a lineáris üzem. Ennek ellenére olcsóbb és sokkal hatékonyabb megoldás (amíg a lineáris 40% hatékony, addig a kapcsolóüzemű 90%). A magas frekvencia további bonyodalmakat okoz a tervezésben, hiszen az alkatrészek képesek kell legyenek a gyors kapcsolgatásra és figyelembe kell venni a tekercseken fellépő szkin-hatást (minél nagyobb a frekvencia, annál kevésbé hatol be az áram a vezető belsejébe).

Az ATX tápegység belső felépítése 3 részre osztható:
  1. Primer rész: egyenirányítja a bemenő áramot és felkonvertálja a frekvenciáját (230V)
  2. Transzformátor rész: letranszformálja a kapcsolgatott feszültséget (230V -> 12V)
  3. Szekunder rész: egyenirányítja és stabilizálja a kimenetet (12V, 5V, 3.3V)

Ez a három rész a régebbi tápegységekben különíthető csak olyan szépen el, mint a fenti képen, az újabb vagy minőségibb tápegységekben kicsivel szétszórtabbak az alkatrészek. Legegyszerűbben a vezetékek végigkövetésével lehet őket beazonosítani: a hálózati csatlakozóhoz tartozó vezeték a primer ágba megy, a ventillátor és a kimenő csatlakozókhoz tartozó vezetékek pedig a szekunder ágba tartanak. A kettő között minden esetben transzformátorok jelzik a transzformátor részt. A három rész további bontható funkciójuk szerint:

1. Primer rész:
         - Zajszűrő - kiszűri a beérkező és a kimenő zajokat
         - Egyenirányító - javítja a teljesítménytényezőt, egyenirányít, szűr, véd (túláram, zárlat stb.)
         - Kapcsoló - magas frekvencián kapcsolgat
         - PWM vezérlő - irányítja a kapcsoló bekapcsolt állapotának időtartamát (a kitöltési tényezőt)
2. Transzformátor rész:
         - Transzformátor - lecsökkenti a primer feszültséget
         - Izolátor - elválasztja a primer és a szekunder részt a visszacsatolásnál (lásd a köv. ábrát)
3. Szekunder rész:
          - Kimenő szűrő és védő - szabályozza a kimeneti feszültségeket, véd (túlterhelés, zárlat, stb.)

Az ATX táp blokkvázlata ezek alapján a következő:


Látható, hogy egy zárthurkú rendszerről van szó. A kapcsolót a vezérlő a kimenet alapján vezérli.

1. Zajszűrő


Megvédi a tápegységet az elektromágneses zajoktól, és levágja a feszültségtüskéket. Kifelé is védenie kell, hisz a gyorsan kapcsolgató tranzisztorok magas frekvenciás zajt visznek a hálózatba. Az áramkör általában egy X és két Y kondenzátorból, két fojtótekercsből, egy MOVból (Metal Oxide Varistor) és egy biztosítékból áll. A varisztor a túlfeszültségtől véd, a biztosíték a zárlattól, a tekercsek és a kondenzátorok pedig a zajokat szűrik ki. Az X kondenzátor párhuzamosan van kötve a hálózati feszültséggel, az Y kondenzátorok pedig két sorba kötött kondenzátorból állnak, amely a hálózattal szintén párhuzamosan van kötve. A közös pontjuk a földre, azaz a tápegység házára van kötve.


A zajszűrő áramkör után szokott lenni egy NTC (Negative Temperature Coefficient) termisztor is, ami megvédi a tápegységet a bekapcsolási túláramtól. Sok esetben bekapcsolás után a termisztort egy relé zárja rövidre levéve róla a terhelést, így az kihűlhet, hogy az esetleges újraindításnál is megfelelően működjék. Van úgy, hogy a zajszűrőt vagy annak egyik felét a hálózati csatlakozóra szerelik.


2. Egyenirányító


váltóáramot egyenárammá alakítja. Az egyenirányító diódahíd után a az egyenáramot egy vagy két puffer-kondenzátoron vezetik át, a kimenet pedig $\sqrt{2}\cdot 230=325.27 \text{ V}$ lesz. Ehhez az áramkörhöz tartozik a PFC (Power Factor Correction - Teljesítménytényező korrekciós) áramkör is, amely a meddő teljesítményt csökkenti. A PFC lehet aktív (APFC) vagy passzív (PPFC). A teljesítménytényező a hatásos (P) és a látszólagos (S) teljesítmény aránya, ami a derékszögű teljesítmény-háromszögben: $\cos{\varphi}=\frac{P}{S}$. A legnagyobb érték 1 lehet, ekkor a teljesítmény tisztán hatásos, 0 esetén pedig tisztán meddő (Q). Tisztán hatásos teljesítmény csak tisztán ohmos terhelés esetén létezik, amikor a hálózatot csak a terhelés által felvett teljesítmény terheli. A teljesítmény akkor válik meddővé, ha a terhelés reaktív. Ekkor ugyanis a feszültség és az áram fázisa 90 fokos eltolódásban van egymáshoz képest, azaz a feszültségcsúcsoknál az áramfelvétel nulla, az áramcsúcsoknál pedig a feszültség nulla:



A teljesítmény, mint az áramerősség és a feszültség szorzata, minden fél ciklusban előjelet vált, tehát amennyi energiát felvesz, annyit vissza is szolgáltat a terhelés. A teljes ciklust nézve elmondható, hogy semmi nem használ energiát, bár az áramszolgáltatónak a villamos energia szállítása veszteséget okoz. Ez csupán elmélet, a valóságban semmi sem tisztán reaktív vagy ohmos, így a számítógép tápegységek is csak részben reaktívak, a feszültség és az áram fázisai közti eltolódás értéke 45 fok.  Más szóval a hatásos és meddő teljesítménnyel is egyaránt számolni kell, a derékszögű teljesítmény-háromszögben e kettő négyzetösszege a látszólagos (S) teljesítmény négyzetét adja:
Bár a háztartási fogyasztóknak csak a hatásos teljesítményt kell megfizetniük (hiszen azt a legegyszerűbb mérni), de az üzleti fogyasztók (pl. gyárak) a meddő teljesítményt is, azaz a látszólagos teljesítményt fizetik. Ha egy vállalkozásban több számítógépet üzemeltetünk, akkor megfizetjük a meddő teljesítményt is. Mivel otthon senki nem fizet a meddő teljesítményért, ezért az  EN61000-3-2 európai szabvány kimondja, hogy a 75W-nál nagyobb kimenő teljesítményű kapcsolóüzemű tápegységeknek rendelkezniük kell PFC-vel. A régebbi ATX tápok passzív PFC-t használtak, azok melyeken manuálisan kellett a 110/230V bemenő hálózati áramforrást kiválasztani és a 110V-os álláson a hálózati feszültség átment egy feszültségkétszerezőn. Az aktív PFC-vel rendelkező tápegységekben ez automatikusan működik, általában 100-240V-os bemenő feszültségtartományt tűntetnek fel. A cél, hogy a teljesítménytényező minél közelebb kerüljön 1-hez. Ezt az aktív PFC sokkal jobban megközelít mint a passzív PFC. A 80 Plus számítógép-tápegység tanusítvány 0.9 vagy ennél is nagyobb teljesítménytényezőt követel.
- PPFC $(\cos{\varphi}=0.7-0.8)$: egy alul-áteresztő szűrővel szűri ki a felső harmonikusok keltette zajokat és csak az 50Hz-es alaphullámot hagyja meg, ezáltal a nem-lineáris terhelés lineárissá alakul. A passzív PFC jóval nagyobb alkatrészeket követel. Azokban a tápegységekben, ahol a vasházra külön fel van csavarozva egy transzformátor, az passzív PFC-vel rendelkezik (akkor is ha nincs rajta hálózati feszültségváltó kapcsoló):



- APFC $(\cos{\varphi}=0.9-0.99)$:  kapcsoló-üzemmódban dolgozik, az egyenirányítás után az egyenáramot megszaggatja, majd az impulzusok közti réseket simító kondenzátorok egyenlítik ki. A szaggatást két MOSFET tranzisztor végzi, melyek a primer oldal hűtőbordájára  vannak általában felszerelve. Szaggatás után egy teljesítménydióda védi a tranzisztorokat, amely szintén ugyanazon a hűtőbordán kap helyet. Előfordulhat, hogy a PFC alkatrészeit külön hűtőbordára szerelik. A tekercs a váltóáramú komponens kiszűrésére szolgál és a bekapcsolási túláram ellen véd, ez a legnagyobb toroid tekercs a tápegységben. A teljesítménytranzisztorokat vezérlő IC hajtja, ami gyakran egyben a PWM meghajtást is végzi (ezért angolul PFC/PWM combo-nak nevezik). A termisztor gondoskodik arról, hogy a felmelegedett tápegység kevesebb áramot vegyen fel.



Az APFC kétféle vezérlést különböztet meg:

  • DCM (Discontinuous Conduction Mode): a tekercsen átfolyó áram elértheti a nullát, ekkor a kapcsolóüzemben dolgozó MOSFET-ek bekapcsolnak.
  • CCM (Continuous Conduction Mode): a tekercsen átfolyó áram sohasem éri el a nullát, így minden meddő energia a tranzisztorokon nyelődik el.
Általában a CCM vezérlést használják, mert ennél a legalacsonyabb a csúcstényező (a maximális és az átlagos teljesítmény aránya), ám hátránya, hogy a diódák záró irányú áramai veszteséget okozhatnak, éppen ezért sokszor ott van egy X kondenzátor az egyenirányító után.  Az aktív PFC-vel rendelkező tápegységekben általában egy puffer kondenzátor van. A puffer kondenzátorok értéke 200-500uF /200V körüli.


Megjegyzendő, hogy a PCF nem javít a tápegység hatékonyságán, nem lesz energiatakarékosabb tőle a számítógép. A felhasználónak tulajdonképpen nem is számít, hogy van-e PCF vagy nincs a tápban, hisz csak az aktív (hatásos) energiát fizeti. Egyedül az energiaszolgáltató örül ennek a szabványnak, mert kevesebb reaktív (meddő) energiát kell ingyen szolgáltasson és ezzel kevésbé terheli a hálózatot, és persze kíméli a környezetet.

3. Kapcsoló


Két teljesítmény MOSFET tranzisztor az átalakított egyenáramot magas frekvencián kapcsolgatja a primer oldalon. Az eredmény tehát négyszögű váltakozó áram (négyszögjel), az impulzusok amplitúdóját a bemenet amplitúdója adja, szélességét pedig a PWM vezérlő módosítja. Amikor a teljesítménytranzisztor bekapcsol, akkor nulla feszültség folyik át rajta, amikor kikapcsol, akkor pedig nulla áram. A feszültség és az áramerősség szorzata tehát mindig zéró, azaz nincs energiaveszteség. Ilyenkor nem is szabadna melegedjenek, viszont a valóságban átkapcsoláskor a tranzisztorok átmennek a lineáris régiójukon, ahol a feszültség és az áramerősség szorzata nem nulla. Ilyenkor melegednek, és mivel mindez magas frekvencián történik úgy tűnik, hogy folyamatosan energiát használnak fel és ettől melegednek. Többféle kapcsolási topológia létezik attól függően, hogy mekkora maximális áramerősségre van szükség, mekkora hatékonyságra, mekkora feszültségre, stb.

Topológia
Teljesítmény
Bemenő feszültség
Izolátor
Hatékonyság
Relatív ár
Buck
0-1000 W
5-40 V
Nincs
78%
1.0
Boost
0-150 W
4-40 V
Nincs
80%
1.0
Buck-Boost
0-150 W
5-40 V
Nincs
80%
1.0
Flyback
0-150 W
5-500 V
Van
80%
1.2
Előrecsatolt rezonáns
0-60 W
60-400 V
Van
87%
1.2
Előrecsatolt
0-150 W
5-500 V
Van
78%
1.4
Push-Pull
100-1000 W
50-1000 V
Van
75%
2.0
Fél-híd
100-500 W
50-1000 V
Van
75%
2.2
Teljes híd
400-2000+ W
50-1000 V
Van
73%
2.5
Kvázi-rezonáns
100-1000+ W
50-1000 V
Van
87-92%
2.8

(kattints a képre a nagyobb változathoz)

Előfordulhat, hogy régi tápegységekben bipoláris tranzisztorokat találunk, melyek szinte biztos, hogy a fél-híd topológiát követik. MOSFET-tel igazából bármelyik topológia előfordulhat, ám a leggyakrabb az előrecsatolt és a rezonáns topológia. Az unipoláris tranzisztorok sokkal gyorsabbak és kisebb belső ellenállásúak mint a bipoláris társaik. A drágább tápegységek a rezonáns topológiát használják (pl. ZM500-RS), aminek kapcsolása hasonló a félhidas topológiához, ám az áram egy soros rezgőkörön kerül a transzformátorra. Ha a rezgőkör frekvenciája megegyezik a táp üzemfrekvenciájával, akkor nem négyszögjel, hanem szinusz hullám alakul ki. A MOSFET-ek a szinuszhullám nullátmeneténél kapcsolnak, tehát a nulla áram és a nulla feszültség pillanatában.
     Az 5VSB külön áramkört képez, tehát neki is megvan a maga kapcsoló tranzisztorpárja. Mivel ez kisebb teljesítményt kell szolgáltasson, az egyik tranzisztort szerelik csak a hűtőre. A jó minőségű tápegységekben az 5VSB-t nem két tranzisztor, hanem egy IC szolgáltatja (pl. DM311), mert ez meggátolja a túlfeszültség kialakulását ha a kondenzátorok tönkre mennének.
     Amikor a tápegység elromlik és a primer oldalon nem találunk hibát, akkor nagy a valószínűsége, hogy a kapcsolótranzisztorok  égtek ki. Ha túlterhelődnek vagy túlmelegednek, akkor zárlatosak lesznek és kiütik a biztosítékot. Ha a biztosíték nem ég ki, akkor a tranzisztorok robbannak fel.


4. Transzformátor


Letranszformálja a feszültséget alacsonyabb szintre. A tápegységet primer és szekunder részre osztja. A bemenetére kapcsolt négyszögjel a kimenetén azonos frekvenciájú "négyszögjel" lesz, kisebb amplitúdóval. Általában 3 darab EI magformájú transzformátor van egy tápegységben (a passzív PFC trafóját leszámítva), melyek közül a főtranszformátor a legnagyobb (a legnagyobb magú birkózik meg a legtöbb energiával). A két kisebbik közül egyik az 5VSB feszültséget szolgáltatja (készenléti transzformátor), a másik izolátorként szolgál a tápegység primer és a szekunder oldala között (segédtáp transzformátor). Van úgy, hogy ez utóbbi helyett optocsatoló izolálja a két oldalt.


Az egész tápegységben a transzformátor a legutolsó komponens ami tönkre mehet. A két tranzisztoros előrecsatolt topológiát használó tápegységekben előfordul, hogy az izolátor (vagy visszacsatoló) transzformátor a tápegység primer oldalán kap helyet.

5. Kimenő szűrő és védő


Egyenirányítja és megszűri a kimenetet, valamint lekapcsolja a tápegységet ha valami nincs rendben. Itt alakul ki a +12V, 5V, 3.3V, 5VSB és -12V feszültség. Két egyenirányítási technikáról beszélünk:
  • Passzív egyenirányítás: Schottky teljesítmény diódákkal (jellemzően az 5V és a 3.3V ágon)
  • Szinkron egyenirányítás: MOSFET-ekkel, így nem kell számolni a diódák nagy feszültségeséseivel (<0.5V).
Ezek mellett még létezik a hibrid típus (vagy szemi-szinkron egyenirányítás), ahol Schottky diódák és MOSFET tranzisztorok is részt vesznek. A hagyományos diódahíd (amilyen a primer oldalon is van) nem elég gyors ezen az oldalon. Talán nem is gondolnánk, de gyakorlatilag az szekunder oldal egyenirányítói szabják meg, hogy a tápegység mennyi áramot képes szolgáltatni. Ezeknek a legfontosabb paramétere az a legnagyobb hőmérséklet, ami mellett még nem csökken a teljesítőképességük. A -12V előállítása egyetlen diódával történik, mert nincs szükség nagy áramerősségre ezen a kivezetésen (1A alatt). Az 5VSB egy teljesen független áramkör külön transzformátorral, hiszen ennek akkor is működnie kell mikor a tápegység ki van kapcsolva (de áram alatt van). A +12V, 5V és 3.3V kimenetek előállítására/szűrésére három szabályzási módszer létezik:
  • Csoportos szabályzás: ezt a gazdaságos tápegységekben használják, a legkönnyebben úgy lehet beazonosítani, hogy megszámoljuk a szekunder oldalon lévő tekercseket. Ha ebből csak kettő van, akkor csoportos szabályzásról van szó. A nagy tekercs a 12V/5V-nak, a kisebb 3.3V-nak van odatéve. A 12V/5V együtt van előállítva és kimeneteik vissza vannak csatolva a szabályzásvezérlőbe. Ez azt jelenti, hogy ha a terhelés nem kiegyensúlyozott a két kimenet között, akkor a vezérlőnek igencsak nehezére fog esni fenntartani a stabil feszültségszinteket. Például ha a 12V-os oldalt túlságosan leterheljük, akkor a szabályzó megpróbálja ellensúlyozni azt a feszültségszint növelésével, de ezzel együtt az 5V-os ágon is megnöveli a feszültséget. A 3.3V-os ág szabályzása mágneses erősítős után-szabályzással történik 5V-ról, vagy ritkábban 12V-ról.

  • Független szabályzás: ezt nagyobb teljesítményű tápegységekben használják, ahol a költségek másodlagosak. Minden fő DC kimenetnek megvan a maga szabályzóköre, ezért a kiegyensúlyozatlan terhelés nem okoz problémát. Ha a szekunder részben három toroid tekercset látunk, akkor független szabályzásról van szó.

  • DC-DC konvertálás: ez egy feszültségcsökkentő kapcsolás, ahol az 5V és a 3.3V közvetlenül a 12V-ból származik. A tulajdonságok szempontjából az előző kettő keveréke, hiszen a 12V-os ág leterhelése a többire is kihat, viszont a szabályzás mégis külön történik

Az egyenirányítás kétféleképp történhet:


A második esetben csupán két kivezetéses transzformátorra van szükség, emiatt a ferritgyűrű is nagyobb kell legyen a tekercsen. Éppen ezért a második esetet a drágább, az első esetet az olcsóbb tápegységekben használják. A drágább változatban, a maximális kimenő áram növelésére a teljesítmény diódákat megduplázzák, párhuzamosan kötve őket. Minden tápegységben megtalálható legfeljebb kettő a fenti áramkörök közül. A teljesítménydiódák és az egyenirányítók a szekunder oldal hűtőbordájára vannak felszerelve. Mellettük lehet még egy-egy szabályzó (stabilizátor-kocka vagy MOSFET tranzisztor) az 5VSB-nek és a 3.3V-nak.
      Az egyenirányítók utáni toroidoknak nem csak szabályzó, de szűrő szerepük is van. Az LLC rezonáns topológiájú tápegységekben nincs toroid tekercs a szekunder oldalon, ha mégis akkor az csakis szűrés céljából. A kimenő feszültségek toleranciája 5% a pozitív és 10% a negatív feszültségeknél. 12V helyett például megengedett 11.4V vagy 11.6V. A generált feszültségek fodrozódhatnak és ott van rajtuk még az a rádiófrekvenciás zaj is, amit a kapcsoló-frekvencia okoz. Ezek együttes vastagsága nem haladhatja meg a 120mV-ot a 12V esetén és az 50mV-ot az 5V és a 3.3V esetén.


      A három feszültségág a szekunder hűtőbordára szerelt egyenirányítók és a kimenő vezetékek között helyezkedik el egymás mellett. Mindenik egyenirányítóval a saját kivezetése van szemben, ezek alapján könnyen be lehet azonosítani, hogy melyik vezetékhez melyik egyenirányító tartozik: 12V-al szemben a sárga, 5V-al szemben a piros, 3.3V-al szemben a narancssárga. A fenti képen az is jól látszik, hogy a 12V és az 5V közös tekercsen osztozik (csoportos szabályzás). A kép bal oldalán lévő IC a PWR-OK jel generátor, ami a tápegység kimenetét teszteli a bekapcsolást követően.


A két toroid tekercs egy-egy mágneses erősítő része, mely a szabályzásban játszik szerepet. A felállított, gyakran légmagos tekercsek egy-egy PI-szűrő részei, melyből van egy az 5VSB ágon is, és szerepe, hogy kiszűrje a magas frekvenciás zajt a kimenetből.

6. PWM vezérlő


Egy integrált áramkör (gyakran azonos az APFC vezérlőjével), ami változtatja az impulzusok kitöltési tényezőjét, hogy minden terhelés esetén megmaradjon a stabil feszültség. Nagy megközelítéssel elmondható, hogy a kimenő feszültség = bemenő feszültség x kitöltés. Ezért ha nagy a terhelés és leesik a kimenet, akkor a kitöltést növelni kell. A feszültségesést egy komparátor segítségével érzékeli, ami mindig viszonyítja a kimenetet egy iedális referenciához, aminek értéke nem függ a terheléstől. Ezek mellett egyéb funkciókra is képes a vezérlő. Például fokozatosan indítja el a tápegységet a túláramok elkerülése végett, túlterhelés védelemet, alacsony feszültségvédelemet nyújt.


Az APFC nélküli tápegységek általában a TL494 IC-t használják, az APFC-vel rendelkezők pedig a CM6800 együttes vezérlőt.

7. Izolátor


Fenntartja a primer és szekunder oldalak izoláltságát. A DC kimeneti feszültség bementre való visszacsatolásáról van szó, melyet a PWM vezérlő használ a kimenet stabilan tartásához. Erre két módszer lehetséges: optikai (optocsatoló) és mágneses (transzformáor) izolálás. Leginkább optikai izolálást alkalmaznak, de van hogy mindkettőt alkalmazzák. A feszültséghiba-erősítőt az izolátor szekunder oldalára szerelik.


Védőáramkörök:
  • Rövidzárvédelem: kikapcsolja a tápegységet, ha a kimenetek valamelyikét rövidre zárjuk.
  • Alacsony feszültség védelem: kikapcsolja a tápegységet, ha valamelyik kimenet feszültségszintje túlságosan lecsökken.
  • Túlfeszültség védelem: kikapcsolja a tápegységet, ha valamelyik kimenet feszültségszintje túlságosan megnő.
  • Túláram védelem: kikapcsolja a tápegységet, ha túlságosan leterheljük vagy rövidre zárjuk. Lassabb a rövidzárvédelemnél, inkább egyfajta áramkorlátnak mondható.
  • Túlterhelés védelem: kikapcsolja a tápegységet, ha túlságosan leterheljük. A túláram kialakulását előzi meg, valamint az alkatrészek túlmelegedését.
  • Túlmelegedés védelem: kikapcsolja a tápegységet, ha a hűtőbordára szerelt hőmérő értéke meghalad egy küszöbértéket. Ez csak végső esetben kapcsol be, mikor az előző kettő kudarcot vallott.
A következő kapcsolási rajzon egy 450W-os ATX tápegység 7 funkciója színekkel van csoportosítva. A szürke rész (kimenő szűrő és védő) további csoportokra van bontva.

(kattints a képre a nagyobb változathoz)


Ez egy tipikus számítógép tápegység MOSFET kapcsolókkal és aktív PFC-vel.

A hálózati feszültség három vezetéke (G-föld, N-nulla, L-fázis) a pirossal jelölt zajszűrőbe megy. Ez egy EMI (ElectroMagnetic Interference) szűrő és célja, hogy csökkentse a hálózat nagyfrekvenciás felharmonikusait (oda-vissza). Az RT3 ellenállás egy NTC ellenállás, mely korlátozza a C4 és C5 kisült kondenzátorokba jutó bekapcsolási áramlöketet. Miután felmelegszik csökken az ellenállása és több áramot enged át.



A BD1 diódahíd egyenirányítja a váltóáramot, majd a zölddel jelölt többi komponens megvalósítja az aktív PFC-t, valamint a B+ egyenáramú kapcsolatot a kapcsoló résszel. Az APFC meghajtása a Q3, Q10 MOSFET tranzisztorból, az L11 tekercsből, a D27 diódából és a C4-C4 puffer-kondenzátorból áll.


A kékkel jelölt kapcsolót a Q1 és Q25 MOSFET tranzisztor valósítja meg valamint ezek visszacsatolt diódáik: D36 és D39. Amikor Q1 és Q25 be vannak kapcsolva, a B+ egyenáram a T1 transzformátorra kerül. A pozitív feszültségtől vezetni kezd a D4 és a D9 egyenirányító, majd a D28 is. A két MOSFET vezérlése a T3 izolátor transzformátoron át történik egy rakás impulzusformáló alkatrésszel. Az L4-nek három tekercse van a +5V, +12V és a -12V számára. A -12V-os ágat az M1 stabilizátor (7912) stabilizálja, de a +12V és a +5V csoportos szabályzást kap.

A 3.3V-os ág szabályzását a mágneses erősítő végzi (angolul: mag-amp), aminek fő komponense az L8 tekercs, a Q15 bipoláris tranzisztor és a D14 dióda. Kezdetben L8 induktanciája sokkal nagyobb mint az L9 tekercsé, ezért minden kapcsolás elején L8 megelőzi az áram átfolyását D28-on. Aztán L8 gyorsan telítődik és D28 vezetni kezd. Az áramblokkolás ideje a Q15 és D14 visszáramától függ, melyet az M9 söntszabályzó határoz meg.

Az 5V készenléti feszültséget (5VSB) a Q6 fly-back topológiát használó tranzisztor és a T2 izolátor (készenléti transzformátor) valósítja meg. Neki is van egy M3 hibaerésítője és egy M5 optocsatolója, ami a stabilizálásban segít. Az M5 optocsatoló két oldala a kapcsolási rajzon külön szerepel.

A hibajel erősítés (pirossal bekeretezett áramkör) az M7 söntszabályzóval van megvalósítva, például egy TL431-el. Ha a kimeneti feszültség túl magas, a TL431 katódján söntáram folyik és megvezérli az M2 optocsatoló fototranzisztorát. A fototranzisztor emitterárama pedig befolyásolja a PWM kitöltési tényezőjét. Ez az áramkör képezi a tápegység egyetlen visszacsatolását.
A PCB3-al jelölt téglalap egy külön áramkör, amit mint cserélhető vezérlőkártyát, a tápegység NYÁK-jára függőlegesen forrasztanak bele.

A védő mechanizmust az M10-es IC valósítja meg. Itt történik a PS-ON és PWR-OK jelek generálása is.

A ventillátor sebességének szabályzásáért az M201 quad-komparátor a felelős. A sebesség mértéke az RT201 termisztor mérésétől függ.

9 megjegyzés:

  1. Vannak olyan esetek, amikor javítás közben valami logikátlannak tűnő hibába ütközök, akkor elkezdem magamnak megmagyarázni, hogy az a valami hogyan is működik. De be kell vallanom ennél szebben még magamnak sem sikerült megmagyarázni a PC tápok működési elvét/tényét.
    Akárhogy is, a jövő nemzedéke nevében megköszönöm e sorokat és időt amit e szöveg írásába beleölt.

    VálaszTörlés
  2. Szép munka! Le a kalappal! Nagyon hasznos volt!!

    VálaszTörlés
  3. Gyakorlatias, érthető ... =Gratulálok!= :)

    VálaszTörlés
  4. Köszönöm! Szuper, hasznos, profi munka!

    VálaszTörlés
  5. Sokat segített, köszönöm. Igazán jó munka.

    VálaszTörlés
  6. Hát nekem ez teccet . Apai anyai benne vót.

    VálaszTörlés
  7. Nagyon köszönöm, végre egy normális és részletekbe menő leírás!

    VálaszTörlés
  8. Ámulok és bámulok! Pont erre volt szükségem, és milyen profi módon! 👍

    VálaszTörlés
  9. Áron, nagyon jó vagy!!! Örömmel meghívnálak 1-2 jó sörre (motiváció céljából, csinálj még ilyen írásokat más hasonló témában is ;)...

    VálaszTörlés