Bilgisayarınızın güç kaynağının içinde ne olduğunu hiç merak ettiniz mi? PC güç kaynağının görevi, duvardan gelen gücü (120 veya 240 volt Alternatif akım) bilgisayarın ihtiyaç duyduğu dc voltajlarında sabit güce dönüştürmektir. Gücü verimli ve güvenli bir şekilde dönüştürürken güç kaynağının kompakt ve düşük maliyetli olması gerekir. Bu hedeflere ulaşmak için güç kaynakları çeşitli teknikler kullanır ve içleri beklediğinizden daha karmaşıktır. Bu blog yazısında bir bilgisayarın güç kaynağını söküp nasıl çalıştığını anlatacağım.
incelediğim güç kaynağı, çoğu modern güç kaynağı gibi "anahtarlamalı güç kaynağı" olarak bilinen bir tasarım kullanıyor. Anahtarlamalı güç kaynakları artık çok ucuz, ancak durum her zaman böyle değildi. 1950'lerde anahtarlamalı güç kaynakları karmaşık ve pahalıydı; küçük, hafif güç kaynaklarına ihtiyaç duyan havacılık ve uydu uygulamalarında kullanılıyordu. Ancak 1970'lerin başlarında, yeni yüksek voltajlı transistörler ve diğer teknolojik gelişmeler, güç kaynaklarının değiştirilmesini çok daha ucuz hale getirdi ve bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Artık birkaç dolara anahtarlamalı güç kaynağı içeren bir telefon şarj cihazı satın alabilirsiniz.
incelediğim ATX güç kaynağı, tuğla büyüklüğünde metal bir kutunun içinde paketlenmişti ve içinden çok sayıda renkli kablo çıkıyordu. Kasanın çıkarılması, güç kaynağını kompakt tutmak için sıkıca paketlenmiş olan aşağıdaki bileşenleri ortaya çıkarır. Bileşenlerin çoğu, sağdaki fanla birlikte güç yarı iletkenlerini serin tutan ısı emiciler tarafından gizlenmiştir.
güç kaynağı kasadan çıkarıldı. Soldaki büyük kablo demeti bilgisayara bağlı. Ortadaki transformatöre benzeyen büyük bileşen filtre indüktörüdür. Daha büyük bir versiyon için bu fotoğrafa (veya başka birine) tıklayın.
Anahtarlamalı güç kaynağının nasıl çalıştığına dair hızlı bir genel bakışla başlayacağım ve ardından bileşenleri ayrıntılı olarak açıklayacağım. Sağdan başlayarak güç kaynağı AC gücü alır. AC girişi, bazı büyük filtreleme bileşenlerinin yardımıyla yüksek voltajlı DC'ye dönüştürülür. Bu DC, yüksek voltajlı darbeleri düşük voltajlı, yüksek akımlı darbelere dönüştüren bir transformatöre beslenen darbeleri üretmek için saniyede binlerce kez açılıp kapatılır. Bu darbeler DC'ye dönüştürülür ve güzel, temiz güç sağlamak için filtrelenir; bu güç, soldaki kablo demeti aracılığıyla bilgisayarın ana kartına ve disk sürücülerine beslenir.
Bu süreç son derece karmaşık görünse de cep telefonunuzdan televizyonunuza kadar çoğu tüketici elektroniği anahtarlamalı güç kaynağı kullanır. Yüksek frekanslar küçük, hafif bir transformatörün kullanılmasına olanak tanır. Ayrıca güç kaynaklarının değiştirilmesi oldukça verimlidir; darbeler, "doğrusal" bir güç kaynağında olduğu gibi fazla gücü atık ısıya dönüştürmek yerine, yalnızca ihtiyaç duyulan gücü sağlayacak şekilde ayarlanır.
ilk adım, AC girişinin, elektrik gürültüsünün güç kaynağından çıkmasını engelleyen bir giriş filtre devresinden geçmesidir. Aşağıdaki filtre indüktörlerden (toroidal bobinler) ve kapasitörlerden oluşur. Bu kutu şeklindeki gri kapasitörler , AC hatlarına güvenli bir şekilde bağlanacak şekilde tasarlanmış özel X Sınıfı kapasitörlerdir.
Duvardan gelen 60 Hertz AC (alternatif akım) saniyede 60 kez salınır, ancak güç kaynağının tek yönde akan sabit DC'ye (doğru akım) ihtiyacı vardır. Aşağıdaki tam köprü doğrultucu AC'yi DC'ye dönüştürür. Aşağıdaki doğrultucu DC çıkışları için "-" ve "+" ile işaretlenmiştir, iki orta pin ise AC girişidir. Doğrultucunun dahili olarak dört diyotu vardır. Bir diyot akımın bir yönde geçmesine izin verirken diğer yönde bloke eder, böylece alternatif akım istenen yönde akan doğru akıma dönüştürülür.
Köprü doğrultucu "GBU606" olarak etiketlenmiştir. Filtre devresi solundadır. Sağdaki büyük siyah silindir, voltajı ikiye katlayan kapasitörlerden biridir. Küçük sarı kapasitör, güvenlik amacıyla tasarlanmış özel bir Y kapasitörüdür.
Aşağıdaki şema köprü doğrultucunun nasıl çalıştığını göstermektedir. ilk şemada AC girişinin üst tarafı pozitiftir. Diyotlar voltajı DC çıkışına iletir. ikinci şemada AC girişi ters yöndedir. Ancak diyotların konfigürasyonu, DC çıkış voltajının aynı kalmasını sağlar (üstte pozitif). Kapasitörler çıkışı yumuşatır. https://galeri.uludagsozluk.com/r/2346743/+
iki şema, AC girişi salınırken akımın akışını gösterir. Diyotlar, akımı ok şekilleriyle gösterilen yönde akmaya zorlar.
Modern güç kaynakları, 85 ila 264 volt AC "evrensel" giriş voltajını kabul eder, dolayısıyla ülkenin voltajına bakılmaksızın farklı ülkelerde kullanılabilirler. Ancak bu eski güç kaynağının devresi bu kadar geniş bir giriş aralığını kaldıramıyordu. Bunun yerine, 115 V ile 230 V arasında seçim yapmak için bir düğmeyi (aşağıda) çevirmeniz gerekiyordu.
Manyetik amplifikatör, özel manyetik özelliklere sahip ferrit malzemeden yapılmış bir halkadır. Halkanın etrafına birkaç tur sarılmış tel vardır.
Kontrol panosu
Güç kaynağında kontrol devresini tutan küçük bir kart bulunur. Bu kart, geri besleme sinyallerini oluşturmak için voltajları bir referansla karşılaştırır. Ayrıca "iyi güç" sinyali oluşturmak için voltajları da izler. 8 Bu devre ayrı, dikey bir kart üzerine monte edilmiştir, böylece güç kaynağında fazla yer kaplamaz.
Voltaj seçim anahtarı akıllı bir devre olan voltaj katlayıcıyı kullanıyordu . Buradaki fikir, anahtar kapalıyken (115 volt için), AC girişinin köprü doğrultucudaki alttaki iki diyotu atlaması ve bunun yerine doğrudan iki kapasitöre bağlanmasıdır. AC girişi üstte pozitif olduğunda üst kapasitör tam voltajla şarj edilir. Alttaki AC girişi pozitif olduğunda alt kapasitör tam voltajla şarj edilir. DC çıkışı her iki kapasitör arasında olduğundan, DC çıkışı voltajın iki katıdır. Bunun amacı, giriş ister 115 volt ister 230 volt olsun, güç kaynağının geri kalanının aynı voltajı almasıdır, bu da tasarımını basitleştirir. Gerilim katlayıcının dezavantajları, kullanıcının anahtarı doğru konuma getirmesi gerekmesi (veya güç kaynağının zarar görmesi riski) ve güç kaynağının iki büyük kapasitör gerektirmesidir. Bu nedenlerden dolayı, voltaj katlayıcının daha yeni güç kaynaklarında modası geçmiştir. https://galeri.uludagsozluk.com/r/2346746/+
Gerilim çiftleyici devresi. Her kapasitör tam voltajla şarj edilir, böylece DC çıkışı iki kat voltaja sahip olur. Gri renkli diyotlar, katlayıcı aktif olduğunda kullanılmaz.
Birincil ve ikincil
Güvenlik açısından yüksek gerilim bileşenleri ve alçak gerilim bileşenleri hem mekanik hem de elektriksel olarak ayrılmıştır. Aşağıdaki birincil taraf, AC hattına bağlı tüm devreleri içerir. ikincil taraf düşük voltaj devresini içerir. Birincil ve ikincil, sınır boyunca hiçbir elektrik bağlantısı olmayan bir "izolasyon sınırı" (yeşil renkle gösterilmiştir) ile ayrılır. Transformatörler, doğrudan bir elektrik bağlantısı olmadan, manyetik alanlar aracılığıyla gücü bu sınırdan geçirir. Geri besleme sinyalleri, sinyalleri optik olarak ileten opto-izolatörler tarafından ikincilden birinciye gönderilir. Bu ayırma, güvenli güç kaynağı tasarımında önemli bir faktördür: AC hattı ile çıkış arasındaki doğrudan elektrik bağlantısı, yüksek bir elektrik çarpması tehlikesi yaratacaktır.
Etiketli ana özelliklere sahip güç kaynağı. Daha iyi bir görüş sağlamak için ısı emiciler, kapasitörler, kontrol panosu ve çıkış kabloları çıkarıldı. (SB yedek beslemeyi gösterir.) https://galeri.uludagsozluk.com/r/2346747/+
Transformatöre darbeler
Bu noktada, AC girişi yaklaşık 320 volt olan yüksek voltajlı DC'ye dönüştürülmüştür. 2 DC, yukarıdaki anahtarlama transistörü olan bir güç MOSFET'i tarafından darbelere bölünür. 3 Bu transistör kullanım sırasında ısındığı için büyük bir soğutucu üzerine monte edildi. Bu darbeler, bir bakıma güç kaynağının kalbi olan yukarıdaki ana transformatöre beslenir.
Transformatör, mıknatıslanabilir bir çekirdeğin etrafına sarılmış çok sayıda tel bobininden oluşur. Transformatörün birincil sargısına gönderilen yüksek voltaj darbeleri bir manyetik alan üretir. Çekirdek bu manyetik alanı diğer ikincil sargılara yönlendirerek bu sargılarda voltaj üretir. Güç kaynağı çıkış voltajlarını bu şekilde güvenli bir şekilde üretir: Transformatörün iki tarafı arasında elektriksel bir bağlantı yoktur, sadece manyetik alan aracılığıyla bir bağlantı vardır. Transformatörün bir diğer önemli özelliği, birincil sargının telin çekirdeğin etrafına çok sayıda sarılması, ikincil sargıların ise çok daha az sayıda sarılmasıdır. Sonuç, düşürücü bir transformatördür: çıkış voltajı girişten çok daha küçüktür, ancak çok daha yüksek bir akımdadır.
Anahtarlama transistörü 3, bir "UC3842B akım modu PWM kontrolörü" olan entegre bir devre tarafından kontrol edilir. Bu çip güç kaynağının beyni sayılabilir. 250 kilohertz'lik yüksek frekansta darbeler üretir. Her darbenin genişliği, gerekli çıkış voltajını sağlayacak şekilde ayarlanır: voltaj düşmeye başlarsa çip, transformatörden daha fazla güç geçirmek için daha geniş darbeler üretir. 4
ikincil taraf
Artık transformatörden alçak gerilim çıkışlarını alan güç kaynağının sekonder tarafına bakabiliriz. ikincil devre dört çıkış voltajı üretir: 5 volt, 12 volt, -12 volt ve 3,3 volt. Her çıkış voltajının ayrı bir transformatör sargısı ve bu voltajı üretmek için ayrı bir devresi vardır. Güç diyotları (aşağıda) transformatörden gelen çıkışları DC'ye dönüştürür ve ardından indüktörler ve kapasitörler çıkışı düzgün tutmak için filtreler. Güç kaynağının, yük artsa veya azalsa bile çıkış voltajlarını uygun seviyede tutacak şekilde düzenlemesi gerekir. ilginç bir şekilde, güç kaynağı birkaç farklı düzenleme tekniği kullanıyor.
Çıkış diyotlarının yakından görünümü. Solda dikey olarak monte edilmiş silindirik diyotlar var. Ortada dikdörtgen güçte Schottky diyot çiftleri bulunur; her pakette iki diyot bulunur. Bu diyotlar soğutma için bir soğutucuya bağlandı. Sağda, akım algılama dirençleri olarak kullanılan iki zımba şeklindeki bakır kabloya dikkat edin.
Ana çıkışlar 5 volt ve 12 volt çıkışlardır. Bunlar birincil taraftaki denetleyici çipi tarafından birlikte düzenlenir. Gerilim çok düşükse, kontrol çipi darbelerin genişliğini artırarak transformatörden daha fazla güç geçirir ve ikincil taraftaki voltajın artmasına neden olur. Voltaj çok yüksekse çip darbe genişliğini azaltır. (Aynı geri besleme devresi hem 5 volt hem de 12 volt çıkışı kontrol eder, böylece bir çıkıştaki yük diğerindeki voltajı etkileyebilir. Daha iyi güç kaynakları iki çıkışı ayrı ayrı düzenler. 5 )
Baskılı devre kartı izlerini gösteren güç kaynağının alt tarafı. Soldaki ikincil taraf izleri ile sağdaki birincil taraf izleri arasındaki geniş ayrımı unutmayın. Ayrıca yüksek akım kaynağı için kullanılan geniş metal izlerine ve kontrol devresi için kullanılan ince izlere de dikkat edin.
iki taraf arasında herhangi bir elektrik bağlantısı olmadığından, birincil taraftaki denetleyici çipinin ikincil taraftaki voltaj seviyeleri hakkında nasıl geri bildirim aldığını merak edebilirsiniz. (Yukarıdaki fotoğrafta iki tarafı ayıran geniş boşluğu görebilirsiniz.) işin püf noktası, opto izolatör adı verilen akıllı bir çiptir. Dahili olarak çipin bir tarafında kızılötesi LED bulunur. Çipin diğer tarafında ışığa duyarlı bir fototransistör bulunur. ikincil taraftaki geri besleme sinyali LED'e gönderilir ve sinyal, birincil taraftaki foto-transistör tarafından algılanır. Böylece opto-izolatör, elektrik yerine ışıkla iletişim kurarak ikincil taraf ile birincil taraf arasında bir köprü sağlar. 6
Güç kaynağı ayrıca negatif voltaj çıkışı (-12 V) sağlar. Bu voltaj çoğunlukla geçerliliğini yitirmiştir ancak seri bağlantı noktalarına ve PCI yuvalarına güç sağlamak için kullanılmıştır. -12 V beslemesinin düzenlenmesi, 5 volt ve 12 volt düzenlemesinden tamamen farklıdır. -12V çıkışı, belirli bir voltaja ulaşılana kadar ters voltajı bloke eden ve ardından iletime başlayan özel bir diyot türü olan Zener diyot tarafından kontrol edilir. Aşırı voltaj, bir transistör ve Zener diyot tarafından kontrol edilen bir güç direnci (pembe) aracılığıyla ısı olarak dağıtılır. (Bu yaklaşım enerji israfına neden olduğundan, modern yüksek verimli güç kaynakları bu düzenleme tekniğini kullanmaz.) https://galeri.uludagsozluk.com/r/2346750/+
12 V beslemesi, devre kartının alt tarafında bulunan yaklaşık 3,6 mm uzunluğunda küçük bir Zener diyot "ZD6" ile düzenlenir. ilgili güç direnci ve transistör "A1015", kartın üst tarafındadır.
Belki de en ilginç düzenleme devresi, manyetik bir amplifikatör tarafından düzenlenen 3,3 voltluk çıkış içindir. Manyetik amplifikatör, bir anahtar gibi davranmasını sağlayan özel manyetik özelliklere sahip bir indüktördür. Manyetik amplifikatör indüktörüne bir akım beslendiğinde, indüktör mıknatıslandıkça ve manyetik alan arttıkça, ilk başta indüktör akımı neredeyse tamamen bloke edecektir. indüktör tam mıknatıslanmaya ulaştığında (yani doyuma ulaştığında), davranış aniden değişir ve indüktör akımın engellenmeden akmasına izin verir. Güç kaynağında manyetik amplifikatör, transformatörden darbeler alır. indüktör darbenin değişken bir kısmını bloke eder; darbe genişliğini değiştirerek 3,3 volt çıkış düzenlenir.
Kontrol panosunun üstünde delikli bileşenler bulunur ve alt tarafı yüzeye monte küçük bileşenlerle kaplıdır. Jumper olarak kullanılan, 0 ile işaretlenmiş " sıfır ohm" dirençlere dikkat edin. https://galeri.uludagsozluk.com/r/2346752/+
Bekleme güç kaynağı
Güç kaynağı, bekleme gücü için ikinci bir devre içerir. 9 Bilgisayarın kapalı olduğu varsayıldığında bile 5V bekleme kaynağı 10 watt sağlıyor. Bu güç, gerçek zamanlı saat, güç düğmesi ve ağ üzerinden açma ("Wake on LAN") gibi bilgisayar "kapalı" olduğunda çalıştırılması gereken özellikler için kullanılır. Yedek güç devresi neredeyse ikinci bir bağımsız güç kaynağıdır: birincil tarafta aynı AC-DC devresini kullanmasına rağmen ayrı bir kontrol IC'si, ayrı bir transformatör ve ikincil tarafta bileşenler kullanır. Yedek güç devresi ana devreye göre çok daha az güç sağlar, dolayısıyla daha küçük bir transformatör kullanabilir.
Siyah ve sarı transformatörler: yedek güç transformatörü solda ve ana transformatör sağdadır. Bekleme gücü için kontrol IC'si transformatörün önündedir. Sağdaki büyük silindirik kapasitör voltaj katlayıcının bir parçasıdır. Beyaz damlalar, bileşenleri yalıtmak ve yerinde tutmak için silikondur.
Çözüm
Bir ATX güç kaynağı, büyük indüktörlerden ve kapasitörlerden küçük yüzeye monte cihazlara kadar çok sayıda bileşenden oluşan, dahili olarak karmaşıktır. 10 Ancak bu karmaşıklık, verimli, hafif ve güvenli güç kaynaklarının ortaya çıkmasına neden olur. Buna karşılık, 1940'lardan kalma, yalnızca 85 Watt DC üreten, ancak çanta boyutunda ve 100 poundun üzerinde ağırlığa sahip bir güç kaynağı hakkında yazmıştım . Artık gelişmiş yarı iletkenlerle, elinizde tutabileceğiniz çok daha güçlü bir güç kaynağını 50 doların altında tutabilirsiniz.
