Zasilacze AT.doc

Zasilacze AT
Zasilacze znajdujące się w obudowach AT zapewniają dostarczenie do płyty głównej i pozostałych podzespołów czterech napięć stałych: +5V,+12V, -5 V i -12 V. Nowsze płyty główne przystosowane do montażu w obudowie AT posiadają dodatkowe stabilizatory 3,3V i regulowane stabilizatory napięcia zasilającego wnętrze mikroprocesora (1,8 V-3 V ). Przeznaczenie jak i obciążalność prądowa poszczególnych wyjść jest różna. Wyjście +5 V umożliwia dostarczenie maksymalnego prądu 20 A. Wyjście +12 V może dostarczać maksymalnie prąd 7A. Wyjścia napięć ujemnych dostarczają prąd dużo mniejszy. Maksymalne wartości wynoszą po 0,5A. Kolejnym parametrem są dopuszczalne tolerancje napięć wyjściowych. Najwęższy zakres dotyczy napięcia +5 V. Napięcie to zasila w większości układy TTL lub ich odpowiedniki w technologii CMOS. Układy te wymagają stabilizacji napięcia z tolerancją +/-5%. Taką tolerancję zapewniają także zasilacze komputerowe. Dokładność pozostałych napięć zasilających nie powinna być gorsza od 10%. Wynika to po części z przeznaczenia napięć. +12V używane jest do zasilania silników napędów, dysków twardych i wentylatorów. Razem z -12V stosowane może być do zasilania układów analogowych na kartach rozszerzeń. Na pewno oba te napięcia są stosowane do zasilania układu wyjściowego portu szeregowego (RS232). Napięcie zasilania -5V to właściwie historia - było wykorzystywane przez pamięci dynamiczne RAM na samym początku drogi rozwoju komputeryzacji. Aktualnie może być wykorzystane do zasilania niskonapięciowych układów analogowych na kartach rozszerzeń. Zasilacze montowane są na płytkach drukowanych jednostronnych i umieszczane w obudowie metalowej. Obudowa zasilacza posiada otwory wentylacyjne i obowiązkowy wentylator ( informujący szumem o działaniu komputera ). Do ścianki obudowy mocowane są charakterystyczne gniazda sieciowe. Jedno do podłączenia za pośrednictwem przewodu zasilającego do sieci energetycznej, drugie do podłączenia zasilania do monitora. Gniazdo zasilania monitora jest odłączane wyłącznikiem sieciowym zasilacz znajdującym się w starszych modelach zasilaczy na ściance jego obudowy. W nowszych modelach, z zasilacza są wyprowadzone cztery przewody zakończone izolowanymi konektorami do podłączenia zewnętrznego wyłącznika sieciowego Napięcia wyjściowe są wyprowadzone przewodami zakończonymi charakterystycznymi wtyczkami (rys 1 ). Ujednolicone są kolory przewodów i ich rozmieszczenie we wtyczkach. Czerwony kolor określa przewody doprowadzające napięcie +5V, napięcie +12V prowadzone jest przewodami żółtymi , -5V wykorzystuje przewody białe, a -12V niebieskie. Czarny kolor posiadają przewody masy. Dwie wtyczki sześciostykowe służą do zasilania płyty głównej. Wtyczki czterostykowe w dwóch wersjach rozmiarów przeznaczone są do zasilania napędów.

Moce maksymalne zasilaczy wzrastały w miarę rozwoju szybkości przetwarzania danych. Początkowo wystarczały z powodzeniem zasilacze o maksymalnej mocy z przedziału 100-150W. Aktualnie większość zasilaczy może dostarczać do obciążenia moc około 300W i więcej. Maksymalna moc pobierana z sieci będzie większa w związku z ograniczoną sprawnością i może wynosić nawet 350W. Zasilacze komputerowe budowane są jako zasilacze impulsowe i dzięki temu posiadają dużą sprawność.

Obwody sieciowego zasilacza impulsowego można podzielić na dwie części: podłączoną bezpośrednio do sieci i odizolowaną od niej część niskonapięciową. W części takiej najistotniejszymi elementami są wysokonapięciowe tranzystory przełączające. Przykładem jest tu bipolarny tranzystor npn KSC2335F. Posiada on maksymalne napięcie Uce wynoszące 400V, maksymalny prąd kolektora 7A i maksymalną moc strat 40W. Stabilizacja napięcia i sterowanie tranzystorowych przełączników wysokonapięciowych odbywa się z wykorzystaniem typowych układów scalonych przewidzianych do budowy zasilaczy impulsowych. Takim układem jest układ DBL494. Jego schemat blokowy prezentuje rys 2



Układ ten charakteryzuje się szerokim zakresem napięć zasilania wynoszącym od 7-40V. Posiada dwa wyjścia (tranzystory), które mogą dostarczyć maksymalny prąd rzędu 200mA. Wewnętrzny generator umożliwia uzyskanie częstotliwości od 1-300kHz po dołączeniu zewnętrznych elementów RC. Stabilizator +5V używany jest jako źródło napięcia odniesienia. Generator wytwarza napięcie piłokształtne, które podawane jest do komparatora modulacji szerokości impulsów (PWM). Do drugiego wejścia komparatora podawane jest napięcie ze wzmacniacza błędu EA1 i komparatora ograniczania prądowego EA2. Oba te układy ustalają napięcie stałe na wejściu odwracającym komparatora PWM. Na wyjściu komparatora PWM pojawiają się impulsy prostokątne, których szerokość zależy od napięcia na wejściu odwracającym. Komparator czasu martwego DTK ma za zadanie niedopuszczenie do łączenia się impulsów wyjściowych. Przerzutnik TFF w powiązaniu z wyjściowym układem logicznym steruje naprzemiennie tranzystorami wyjściowymi. Czas otwarcia tranzystorów zwiększa się w miarę wzrostu obciążenia i spadku napięcia wyjściowego. Dodatkowe wyprowadzenie umożliwia zablokowanie układu wyjściowego.

W układzie wyjściowym zasilacza istotną rolę odgrywają prostowniki zmuszone do pracy przy dużych prądach i dużych częstotliwościach. Realizowane są jako prostowniki dwupołówkowe. Największe wymagania dotyczą prostowników napięcia +5V. Najczęściej wykorzystywane są tutaj wysokoprądowe podwójne diody Schottky'ego np. PSR16C40T ( rys 3.4.1 ) Jest to podwójna dioda w obudowie TO-220 z połączonymi katodami. Średni prąd wynosi 16A, a napięcie 40V. Jako prostowniki +12V stosowane są najczęściej dwie pojedyncze szybkie diody prostownicze np. FR3002, pracujące także w układzie dwu połówkowym. Średni prąd przewodzenia diody powinien wynosić około 5A.
Zasilanie -5V i -12V wykorzystuje prostowniki dwupołówkowe na typowych diodach szybkich FR153. Średni prąd tych diod wynosi 1A. Tranzystory stosowane w układach pomocniczych po stronie niskonapięciowej to najczęściej typowe tranzystory bipolarne małej mocy. Powinny jednak charakteryzować się wysokim napięciem Uce, wynoszącym co najmniej 40V. Elementy indukcyjne stosowane w zasilaczach komputerowych z uwagi na wysokie częstotliwości pracy (np. 50kHz) nawijane są na rdzeniach ferrytowych. Największe wymiary posiada transformator zasilający prostowniki wyjściowe. Znacznie mniejszy jest transformator sterujący tranzystory przełączające. Dławiki prostowników wyjściowych nawijane są na wspólnym rdzeniu pierścieniowym. Często stosowaną praktyką jest zrównoleglenie uzwojeń silnoprądowych. Pozostałe elementy RC nie różnią się niczym od stosowanych w innych urządzeniach. Rezystory po stronie wysokonapięciowej najczęściej wykonane są jako półwatowe lub większe. Kondensatory stosowane w zasilaczach komputerowych różnią się oprócz pojemności znamionowych, dużą rozpiętością napięć pracy, na co trzeba zwracać uwagę przy ich ewentualnej wymianie. Elementami, od których zależy bezpieczeństwo są: bezpiecznik i termistor w obwodzie zasilania 220V. Należy je wymieniać na tego samego rodzaju i o tych samych oznaczeniach (parametrach). Istotne z uwagi na bezpieczeństwo także innych użytkowników jest zerowanie. Nie należy usuwać przewodów zerujących we wnętrzu zasilacza. Zasilacz musi być podłączany za pomocą odpowiedniego przewodu sieciowego do gniazdka sieciowego z bolcem zerującym. Przemawia za tym "dalekowschodnie" wykonanie zasilaczy. Nie spełniają one typowych norm bezpieczeństwa jak dla sprzętu powszechnego użytku. Znikomy procent komputerowych zasilaczy sieciowych posiada polskie atesty i znak bezpieczeństwa.

Schemat ideowy płytki zasilacza ( rys 3 ) to dość typowe rozwiązanie. W tym samym stylu wykonana jest większość zasilaczy komputerowych. Schemat ten nie zawiera obwodów gniazd sieciowych, wyłącznika i złącz wyjściowych. Od strony sieci znajduje się prostownik dwupołówkowy (mostkowy). Prostownik ten dostarcza dwóch napięć symetrycznych po 150V jakie uzyskuje się na kondensatorach elektrolitycznych C1 i C2. Skrajne wyprowadzenia kondensatorów zasilają tranzystory Q1 i Q2. Są to właściwe tranzystory przełączające. Wspólny punkt zasilania przez kondensator C4 doprowadzony jest do transformatora T1.

 KLIKNIJ OBRAZEK ABY POWIĘKSZYĆ

Zasilacz komputera jest urządzeniem impulsowym. W związku z tym wytwarza on zakłócenia, które mogą przeniknąć do sieci zasilającej powodując zakłócanie innych urządzeń. Dlatego też konieczne jest zastosowanie odpowiedniej ochrony przed przenikaniem zakłóceń do sieci energetycznej, oraz przenikaniem zakłóceń z sieci do urządzenia. Napięcie zakłóceń generowane przez zasilacz ma dwie składowe: symetryczną Us i niesymetryczną Un1 i Un2 co przedstawiono na rysunku 4


Składowa symetryczna Us pojawia się pomiędzy przewodem fazowym i zerowym, czyli przewodami, przez które płynie prąd pobierany przez zasilacz ( komputer ). Natomiast składowe niesymetryczne to dwa napięcia zakłóceń, które pojawiają się pomiędzy przewodem fazowym a masą (obudową ) oraz pomiędzy przewodem zerowym a masą. Obie powinny być jak najmocniej tłumione przez odpowiednie układy. Na marginesie warto wspomnieć, że przewód zerowy nie jest dokładnie na potencjale ziemi, co wynika z jego impedancji, rezystancji połączeń i indukcyjności. Stąd też możliwość występowania na nim zakłóceń, zwłaszcza o wysokich częstotliwościach 
Do tłumienia zakłóceń stosuje się bierne filtry indukcyjno-pojemnościowe. Schemat typowego układu filtrów przedstawiono na rysunku 5

 

Tłumienie zakłóceń symetrycznych zapewnia filtr LC składający się z elementów C1, C2 i TR1. Uzwojenia transformatora TR1 nawinięte są bifilarnie w jednym kierunku na rdzeniu ferrytowym. Sposób nawinięcia transformatora sprawia, że prąd roboczy i prądy składowych symetrycznych wytwarzają w rdzeniu pola magnetyczne wzajemnie kompensujące się. Wartość indukcyjności filtrów tego typu zawiera się z reguły w przedziale 2-10mH. Kondensatory C1 i C2 charakteryzują się małą indukcyjnością własną, tak że układ zapewnia tłumienie w zakresie dziesiątek MHz. Skuteczność tłumienia zakłóceń ma wartość ok. 40-60dB w zależności od zastosowanych elementów. Układ ten zapobiega przedostawaniu się zakłóceń z wnętrza urządzenia do linii zasilania i odwrotnie. Zadaniem rezystora R1 jest szybkie rozładowanie kondensatorów po wyłączeniu urządzenia z sieci. Do tłumienia zakłóceń niesymetrycznych stosuje się specjalny kondensator przeciwzakłóceniowy C3. Są to w istocie dwa szeregowo połączone kondensatory mieszczące się w jednej obudowie. Konstrukcja kondensatora jest taka, że uszkodzenie go nie powoduje niebezpieczeństwa porażenia. Oczywiście kondensator C3 charakteryzuje się małą indukcyjnością. Zwiera on sygnały zakłócające zarówno z jednego jak i drugiego przewodu zasilającego do masy (ziemi). Całkowite wyeliminowanie składowej niesymetrycznej jest trudne, ponieważ normy związane z bezpieczeństwem obsługi nie zezwalają na stosowanie dużych wartości pojemności kondensatora C3 włączonego pomiędzy przewodami fazowym i zerowym a ziemią. W układach gdzie wymagane jest znacznie większe tłumienie zakłóceń niesymetrycznych stosuje się dodatkowy , szeregowy dławik włączony w obwód uziemienia. Kondensator C3 jest przyczyną charakterystycznego "kopania" przez komputer w przypadku niewłaściwego podłączenia zasilania.. Części składowe kondensatora C3 tworzą dla prądu zmiennego dzielnik napięciowy. W efekcie tego na obudowie połączonej ze środkowym wyprowadzeniem kondensatora pojawia się napięcie zmienne 110V. Dzieje się tak gdy obudowa "wisi" w powietrzu czyli nie jest połączona galwanicznie z żadnym uziemieniem. Sytuacja taka ma miejsce w przypadku podłączenia komputera do gniazda nie posiadającego bolca uziemienia.