Počítačový napájecí zdroj Počítačový napájecí zdroj je měnič napětí. Má za úkol přeměnit střídavé napětí ze sítě (230 V / 50 Hz) na napětí stejnosměrné, a to do několika větví (3,3 V; 5 V; 12 V). Komponenty v PC využívají tyto napětí buď přímo, nebo si je dále mění. Například obvody základní desky dále snižují napětí pro procesor, moduly operační paměti, atd. Napájecí zdroj je velmi důležitou součástí PC. Porucha zdroje může způsobit zničení dalších komponent. Pro konkrétní počítačovou sestavu může nevhodně zvolený zdroj způsobit nestabilitu celého systému. Počítačový napájecí zdroj je spínaný (resp. impulsní).
Výhody spínaných napájecích zdrojů:
vysoká účinnost (80 až 95 %),
velký celkový výstupní výkon (řádově stovky wattů),
malé rozměry a hmotnost zdroje.
Těchto vlastností lze dosáhnout při změně napětí při podstatně vyšších kmitočtech (u současných zdrojů řádově desítky kHz) než je síťový kmitočet 50 Hz. Nevýhody spínaných napájecích zdrojů:
rušení, které vzniká při spínání výkonových tranzistorů,
na výstupu zdroje by měla být vždy připojena zátěž.
Princip spínaného napájecího zdroje
Zjednodušené blokové schéma spínaného zdroje
Vstupní síťové napětí 230 V / 50 Hz je nejprve filtrováno pomocí širokopásmového filtru, který zabraňuje pronikání rušivých signálů ze zdroje do sítě. Síťové napětí se usměrňuje můstkovým usměrňovačem a vyhlazuje kondenzátorovým filtrem (tantalové elektrolytické kondenzátory). Vyhlazené napětí je přivedeno na výkonový spínací tranzistor, který toto síťové napětí rozstřídá na obdélníkový průběh o frekvenci řádově desítek kHz. Impulzní proud způsobuje relativně malé tepelné ztráty, z čehož vyplývá vysoká účinnost spínaného zdroje. Toto napětí je následně transformováno impulsním transformátorem s feritovým jádrem na potřebnou velikost napětí (rozměry a hmotnost transformátoru jsou tím menší, čím větší je pracovní kmitočet). Transformované napětí se usměrňuje Schottkyho diodami (velmi rychlé polovodičové diody) a dále je filtrováno výstupním filtrem. O stabilitu výstupního napětí se stará zpětná vazba, která je z výstupu zavedena do obvodu. Zpětná vazba snímá velikost výstupního napětí v jednotlivých větvích, porovnává je s referenčním1 napětím pro danou napěťovou větev (5 V; 12 V; 3,3 V) a pomocí řídící logiky řídí rychlost spínání spínacích tranzistorů tak, aby výstupní napětí mělo konstantní průběh. Zdroj referenčního napětí zpětné vazby je stejný jako u lineárních zdrojů. Při poklesu napětí pod referenční hodnotu se zvyšuje rychlost spínání (vyšší indukované napětí) a naopak.
Standardy počítačových zdrojů AT Poskytoval napětí 5 V a 12 V. Velikou odlišností od současného standardu ATX je, že se zapínal spínačem přímo napojeným na síť 230 V (dříve 220 V). Nebylo tedy dostupné softwarové zapínání. Má jiný konektor pro napájení základní desky než zdroje ATX. ATX Standard ATX přidal napěťovou větev 3,3 V. Pro napájení základní desky se používá 20pinový power konektor pro napájení základní desky. Umožňuje softwarové zapínání počítače. Zdroj má tři stavy:
1
zapnuto se všemi napěťovými okruhy,
vypnuto, uskutečnitelné buď pomocí vypínače na zadní straně zdroje, nebo mechanickým odpojením kabelu ze sítě,
stand-by s aktivním 5V okruhem označeným jako 5Vsb, pomocí kterého přepínáme do stavu zapnuto. Toto zapnutí provádí vždy základní deska. Zapnutí přes okruh 5Vsb je možné pomocí Power tlačítka na přední části počítačové skříně, síťové karty s funkcí Wake-on-LAN či jiné periferie připojené k základní desce (záleží na podpoře základní desky).
Referenční napětí = srovnávací napětí; vůči této přesné hodnotě se porovnává hodnota výstupního napětí
ATX 12 V (resp. verze 1.x) Tento ATX standard přidává samostatnou napěťovou větev s 4pinovým power konektorem a napětím +12 V (označený +12V power cable). Zapojuje se do základní desky počítače a dodává napětí pro procesor (povinný od procesorů Intel Pentium 4). ATX 12 V verze 2.x definuje pro napájení základní desky 24pinový napájecí kabel. Tyto ATX standardy již počítají se sběrnicovým systémem PCI Express a je zde povinný Serial ATA napájecí konektor pro současné pevné disky a optické mechaniky. Napájecí zdroje těchto specifikací mohou obsahovat navíc tyto napájecí větve:
PCI Express power cable (6 pinů, 8 pinů, 6+2 pinů) pro přídavné napájení grafické karty připojené ke sběrnici PCI Express ×16,
8pinový EPS +12 V power cable pro napájení současných procesorů s vysokým výpočetním výkonem a tedy vyšším elektrickým příkonem. Jedná se především o procesory pro výkonné herní sestavy, grafické stanice, servery, atd.
Konektory výstupních napájecích kabelů 1. Hlavní napájecí konektor základní desky AT zdroje AT zdroje obsahovaly 2× 6pinový konektor pro napájení základní desky. Konektory se vždy zapojovaly černými vodiči „k sobě“. Konektory na základní desce i výstupu zdroje se zcela odlišují od ATX standardu, není možná jejich záměna. Zdroj neumožňuje vzdálené zapnutí a softwarové vypnutí počítače, na počítačové skříni je v přední části vypínač. Zdroj má pouze 2 stavy:
Zapnutý zdroj – všechny výstupy jsou pod napětím,
Vypnutý zdroj – všechny výstupy jsou bez napětí.
ATX zdroje Od standardu ATX 12V 2.0 má 24 pinů, dříve 20 pinů. Zdroje s novým standardem ATX 12V 2.0 a vyšší mohou nabídnout oddělení nově přidaných 4 pinů a umožnit tak napájení starších typů základních desek, kde se nacházel pouze 20pinový konektor.
20 pinový power cable
24 pinový power cable
20+4 pinový power cable
Význam jednotlivých pinů:
20 pinový konektor
24 pinový konektor
PS_ON# – signál ze základní desky napájecímu zdroji určený k zapnutí zdroje (spojení pinu PS_ON# se zemí) nebo k jeho softwarovému vypnutí (OS Windows: nabídka START → Vypnout). PWR_OK (resp. Power Good) – signál ze zdroje určený základní desce oznamující, že všechna výstupní napětí jsou na požadované úrovni v rámci povolené tolerance. Až poté základní deska zahajuje spuštění počítače. Doba potřebná pro stabilizaci napětí před spuštěním PC je obvykle 100 až 500 ms po zapnutí zdroje.
2. Doplňkové napájení základní desky 4 pin ATX12V power konektor
Je hlavním rozlišovacím znakem mezi ATX a ATX 12 V. Je to 4pinový čtvercový konektor. Jeho zapojení u dnešních základních desek je povinné. Má dva +12 V vodiče a dva vodiče COM (zem). Používá se především pro napájení procesorů s vyšším příkonem a je povinný od Intel Pentium 4. Najdeme jej u zdrojů specifikace ATX12V od verze 1.x.
Poznámka: Napěťová větev +12 V se používá proto, že při stejném požadovaném výkonu pro napájení obvodu je odběr proudu nižší, než u větve +5 V a +3,3 V. (P = U × I). Příklad: Při požadovaném elektrickém příkonu obvodu (např. procesoru) 100 W by při použití napětí +5 V byl proudový odběr 20 A, ale při použití napětí +12 V bude odebírán proud 8,33 A. 8 pin EPS12V power konektor
EPS12V power konektor připojuje k základní desce 4× žlutý vodič s napětím +12 V a 4× černý vodič s potenciálem země (COM). Napájení využívají moderní výkonné vícejádrové procesory určené pro servery nebo grafické či herní stanice. 4+4 pin EPS12V power konektor Pro přídavné napájení procesoru lze využít jak samostatný 4pinový konektor (standard ATX12V s 4pinovým konektorem na základní desce), tak oba 4pinové konektory zapojené do 8pinového konektoru standardu EPS12V na moderní základní desce.
3. Doplňkové napájení grafických karet Grafické karty s nejnižším výpočetním výkonem, které mají elektrický příkon do 75 W, jsou napájeny přímo ze slotu sběrnice PCI-Express ×16. Výkonnější grafické karty již potřebují přídavné napájení, které je vyvedeno přímo na výstupu napájecího zdroje. Obvykle se používá 6pinový PCI-E power konektor (3× žlutý vodič s napětím +12 V a 3× černý vodič s potenciálem země, tedy COM).
Výkonné grafické karty s elektrickým příkonem do 150 W používají pro napájení 8pinový PCI-E power konektor. Obvykle bývá tento konektor rozdělen na 6+2 pinů, což umožňuje napájení i méně výkonných karet pomocí 6pinového konektoru.
Nejvýkonnější grafické karty, jejichž elektrický příkon překračuje 150 W, disponují několika napájecími konektory.
4. Napájení periferních zařízení Používají se především pro napájení externích paměťových jednotek, především HDD, SSD, mechaniky optických pamětí, disketová mechanika. Dále mohou napájet přídavné ventilátory nebo osvětlení počítačové skříně, atd. 4 pin peripheral power konektor (Molex) Používá se především pro napájení starších pevných disků a mechanik optických pamětí s paralelním ATA rozhraním, dále pro napájení přídavných ventilátorů, osvětlení počítačové skříně nebo přídavné napájení některých grafických karet.
SATA power konektor Používá se pro napájení moderních pevných disků, SSD a mechanik optických pamětí se sériovým rozhraním ATA.
4 pin floppy drive power konektor Používá se pro napájení disketové mechaniky. Dnes již pozbývá svého významu.
Parametry počítačových zdrojů Parametry počítačového zdroje jsou uvedeny na jeho štítku:
Vstupní střídavé síťové napětí (230 V, 115 V) včetně max. vstupního proudu a síťového kmitočtu. Přepínač 230 / 115 V bývá ukrytý pod samolepkou. Přepnutí na 115 V vede v ČR ke zničení napájecího zdroje (případně dalších komponent v PC)!
Výstupní stejnosměrná napětí (jednotlivé napěťové větve) včetně max. výstupních proudů
Maximální celkový výstupní výkon zdroje (W). Vypočítá jako součet výkonů jednotlivých větví zdroje, tedy vynásobíme napětí a proud v každé větvi a sečteme (např. 5 V × 20 A = 100 W + další větev). Je-li energetická účinnost zdroje kolem 90 %, pak výsledný výkon je přibližně o 10 % nižší.
Významnou položkou určující kvalitu počítačového zdroje je kolísání napětí. Zdroj by měl být tzv. "tvrdý", tj. při různých hodnotách zatížení by se napětí mělo držet v toleranci dané specifikací:
Kolísání výstupního napětí mimo uvedené tolerance může vést k nestabilitě, nespolehlivé funkci komponent, popřípadě k jejich poškození! Energetická účinnost zdroje
P2 100 (%) P1
Poměr mezi výstupním výkonem a příkonem zdroje. Účinnost je vždy menší než 100 %, neboť část elektrické energie se přemění na ztrátové teplo. Současné počítačové zdroje jsou z hlediska účinnosti certifikovány dle specifikace 80plus:
PFC (Power Factor Correction) – korekce účiníku cos
P S
cos … účiník, vyjadřující fázový posuv mezi napětím a proudem (hodnota 0 až 1). P … činný výkon (W) S … zdánlivý výkon (VA) Počítačový zdroj zapojený do sítě se chová jako indukční zátěž (dochází k fázovému posuvu mezi U a I) a jeho účiník je roven 0,6 (bez PFC). Příklad vlivu účiníku na vstupní odebíraný proud: V PC je zdroj bez PFC 350 W, ze kterého odebíráme na výstupu výkon 300 W (P = 300 W). Je-li účiník cosφ = 0,6 (bez PFC):
P U I cos S cos S
300 W P S 500 VA 500 VA I 2,17 A cos 0,6 U 230 V
Je-li účiník obvody PFC upraven na hodnotu blízkou cosφ = 1 (reálně 0,8 až 0,95):
P U I cos S cos S
300 W P S 300 VA 300 VA I 1,3 A cos 1 U 230 V
Dojde tedy ke snížení vstupního proudu při zachování výstupního výkonu. Navíc, aktivní PFC obvody snižují rušení rozvodné sítě, upravují tedy tvar napětí na sinusový průběh. Pasivní PFC – přidání cívky (resp. tlumivky) na vstup zdroje (cosφ = 0,7 až 0,8) Aktivní PFC – vyžaduje napájení, obvykle obsahuje tlumivky, spínací MOSFET tranzistory a řídicí obvod. Přesně zapojení si každá firma chrání! U kvalitních zdrojů dosahuje cosφ až 0,95. Kabelový management Možnost odpojení (resp. připojení) kabelů ke zdroji. Lze tedy připojit pouze kabely, které skutečně potřebujeme k napájení určité části počítače. Výhoda: kabely nezabírají tolik místa, není nutné řešit nepoužité kabely, větší prostor v počítačové skříni (lepší odvod tepla).
