Да разглобим едно компютърно захранване

Оригиналът е на известния специалист по хардуер Ken Shirriff

Питали ли сте се някога какво има в едно компютърно захранване? Неговата задача е да преобразува напрежението от домашните контакти (120 или 230 V променлив ток, AC) в стабилизирано постоянно напрежение (DC), което е необходимо за работата на персоналните компютри. Компютърното захранване трябва да е компактно и евтино, като едновременно с това то трябва ефективно и безопасно да преобразува променливия ток към постоянен ток с ниско напрежение. За постигането на тези цели се използват най-различни технологии, като за по-голяма нагледност аз разглобих един от евтините модели. Тези захранвания са по-сложни, отколкото бихте могли да очаквате.

Както е в почти всички съвременни захранвания от подобен тип, и тук се използва импулсна схема. Линейните захранвания вече не са актуални. Към днешен ден импулсните захранвания са много евтини, но не винаги е било така. През 50-те години на миналия век сложните и скъпи импулсни захранвания са се използвали само в ракетите и сателитите понеже имат малки размери и тегло. Но в началото на 1970-те години новите високоволтови транзистори и различните нови технологии значително намаляват цената на импулсните захранвания и те започват масово да се използват в компютрите. Днес само за няколко долара можете да си купите зарядно за смартфона, в което се използва именно импулсно захранване.

Разглобеното от мен компютърно захранване е от стандартен ATX тип с метален корпус, който има размери колкото тухла, и от който излиза сноп разноцветни кабели. Вътре се виждат плътно разположени един до друг електронни компоненти. Вижда се, че са положени сериозни усилия за постигането на възможно най-компактни размери. Много от компонентите имат радиатори, които охлаждат предимно силовите полупроводници. За същата цел се използва и вграденият в модула вентилатор.

Ще започнем с кратко запознаване с работата на компютърното захранване, а след това по-подробно ще опишем работата на различните компоненти.

Входният променлив ток се преобразува във високоволтов постоянен ток с помощта на диоди и няколко филтриращи компонента с доста големи размери. Постоянният ток се преобразува в импулсен, като импулсите със сравнително висока честота се подават на специален трансформатор. Той преобразува високоволтовите импулси в нисковолтови с голяма сила на тока, който се филтрира и стабилизира, за да може на изхода да се получи чисто и качествено ниско напрежение. То се подава към дънната платка и дисковете с помощта на кабелите, които на снимката по-горе са отляво.

Самият процес може да изглежда сложен, но почти всичката битова електроника – от телевизора до  мобилния телефон използват импулсно захранване. В него се генерират високочестотни импулси, които дават възможност за използването на съвсем малък и лек трансформатор. Честотата и типа на импулсите са подбрани по такъв начин, че да се осигури само точно необходимата мощност, без да се допуска изразходването на излишна мощност, която се превръща в топлина, както е при линейните захранвания.

Входният филтър

Входният променлив ток най-напред преминава през веригата на входния филтър, която премахва електрическия шум от електропреносната мрежа.

Филтърът, показан по-долу, се състои от тороидални индуктивности и кондензатори. Квадратните сиви кондензатори са от клас Х, специално предназначени за работа с променлив ток с високо напрежение.

AC/DC преобразуването

Променливият ток (AC) с честота 60 Hz променя своята посока 60 пъти в секунда, но на компютъра е необходим постоянен ток (DC), който тече само в едната посока. Крачетата за постоянен ток на изправителя са обозначени със знаците – и +, а променливият ток се подава на двата централни извода. В този изправител са интегрирани четири диода. Диодът пропуска протичането на тока в едната посока и спира неговото протичане в другата посока. В резултат от това променливият ток се преобразува в постоянен, който тече само в едното направление.

По-долу са показани две опростен схеми на работата на мостовия токоизправител. При първата схема горните два диода са получили положителна полярност на променливото напрежение и пропускат постоянен ток към изхода. При втората схема полярността е противоположна, но конфигурацията на диодите гарантира, че полярността на изходния ток ще си остане постоянна – тоест, плюсът винаги е отгоре. Кондензаторът изглажда полученото от изправителя напрежение.

Съвременните компютърни захранвания без проблеми работят с променливо напрежение от 85 до 264 V, но разглобеният от мен стар модел не може да се справи с толкова широк диапазон и се е наложило да бъде поставен превключвател за избор на 115 или 230 V.

Тук се използва схема за удвояване на напрежението. Идеята е, че при поставяне на превключвателя на 115, всеки един от използваните два кондензатора се зарежда до напрежение 115 V и на постояннотоковия изход се получава удвоеното напрежение. Това опростява конструкцията на захранването, но недостатъкът е в това, че потребителят задължително трябва самостоятелно да постави превключвателя в правилното положение, защото в противен случай захранването бързо се поврежда.  Днес вече не се използват удвоители на напрежение.

От двете страни на компютърното захранване

От гледна точка на безопасността високоволтовите и нисковолтовите компоненти за разделени по механичен и електрически път, както е показано на снимката по-долу. Отдясно са всички вериги на променливия ток, а отляво са нисковолтовите вериги. Двете страни са разделени, като границата е отбелязана със зелена пунктирана линия на снимката. През тази граница не преминават никакви електрически връзки. Единствено трансформаторите прехвърлят енергия през тази граница, като това става чрез магнитни полета без каквито и да било преки електрически връзки. Сигналите за обратна връзка, необходими за стабилизацията на тока и за нормалната работа на захранването, се подават с помощта на оптрони, чрез светлинни импулси. Това разделяне е ключов фактор в безопасността на цялата конструкция – преките електрически връзки между AC/DC веригите биха създали съвсем реална опасност от фатален токов удар.

Импулсният ток към трансформатора

Входният променлив ток се изправя и преобразува до постоянен с напрежение около 320 V. Този постоянен ток се превръща в импулси с помощта на бързодействащ импулсен транзистор. В нашия случай това е силов MOSFET транзистор, който при своята работа се нагрява и му е необходим доста голям радиатор. Импулсите се подават на трансформатора, който в известен смисъл е самото сърце на компютърното захранване.

Импулсният трансформатор има няколко намотки проводник, намотан около магнитна сърцевина. Високоволтовите импулси в първичната намотка на трансформатора създават променливо, силно и високочестотно магнитно поле. Сърцевината прехвърля това магнитно поле към вторичните намотки, на изводите на които се получава импулсен ток с ниско напрежение. Това е – няма никаква електрическа връзка между двете страни на трансформатора, като енергията се прехвърля с помощта на магнитното поле. Друг важен момент при този трансформатор е, че първичната намотка има много повече навивки в сравнение с вторичната и така е образуван понижаващ трансформатор, при който изходното напрежение е много по-ниско от входното, като едновременно с това се осигурява висока сила на тока.

Импулсният MOSFET транзистор в управлява от чипа UC3842B, който реализира широчинно импулсната модулация (ШИМ, PWM), при която се променя широчината на импулсите. Този чип може да се счита за мозъка на компютърното захранване. Той генерира импулси с честота 250 KHz. Ширината на всеки импулс се регулира, с което се осигурява необходимото изходно напрежение – ако входното напрежение започне да пада, то чипът започва да генерира по-широки импулси, за да може през трансформатора да премине същото количество енергия и да се осигури необходимата към момента мощност.

Другата страна

Сега можем да се спрем и на втората нисковолтова част на компютърното захранване. Тази втора страна в нашия случай осигурява четири изходни напрежения: +5, +12, -12 и +3,3 V. За всяко едно от тези напрежения има отделна намотка на трансформатора. Силовите диоди, които се виждат на снимката по-долу, преобразуват импулсния ток от трансформатора в постоянен. След това дроселът и кондензаторът филтрират този ток от пиковете на напрежението. Компютърното захранване трябва да регулира, и по-точно, да стабилизира изходното напрежение и да го удържа на едно и също ниво при увеличаване и намаляване на натоварването. Използват се няколко различни метода на стабилизация.

Основни са изходите с напрежение 5 V и 12 V. Тяхната стабилизация се осъществява, както вече казахме, от чипа на захранването. Ако напрежението е твърде ниско, чипът увеличава широчината на импулсите и по този начин се увеличава енергията преминаваща през трансформатора до необходимото ниво. Съответно, ако напрежението е прекалено високо, чипът намалява широчината на импулсите. В разглобеното от нас компютърно захранване един и същ сигнал на обратната връзка стабилизира и двете напрежения – 5 V и 12 V. Ето защо, натоварването на единия изход води до промени на напрежението и в другия. В по-новите захранвания двата изхода се стабилизират поотделно.

Край на първа част. Във втората част ще продължим със сигналите на обратната връзка, с осигуряването на напрежение от -12 V, ще разгледаме използвания магнитен усилвател, ще се спрем по-подробно на платката за управление на това компютърно захранване и на осигуряването на необходимото напрежение за режима на готовност.