***********************************************
AC/DC - mini review
***************************************************
Potaknut brojnim pitanjima/nedoumicama/kvarovima na forumu pronašao sam malo vremena da se pozabavim ovom tematikom i općenito svime što ona uključuje/podrazumijeva.
Dakle, kao prvo i osnovno pitanje: Što je to AC/DC konverzija?
Ukratko, AC/DC konverzija je kao što joj i samo ime govori pretvaranje izmjenične (AC - alternating current) struje/napona u što "čišći" istosmjerni oblik (DC - direct current) te filtriranje većine negativnih faktora (superponiranih/neželjenih valnih oblika) iz lokalne/gradske naponske mreže (u HR je ovo napon od ~230V uz frekvenciju od 50Hz).
Zašto se obavlja ova konverzija?
Razlog je vrlo jednostavan, prvotno je zamišljen svijet istosmjerne struje/napona, koji je bio dostatan u svemu, osim u jednom pogledu - transferu el. energije. Dakle, zbog velikih gubitaka u vodovima između elektrane/lokalnih trafo-stanica i krajnjih korisnika, bilo je potrebno izumiti drukčiji način prijenosa/osiguravanja dostupnosti kvalitetne el. energije potrošačima. Ovdje nastupa izmjenična struja/napon pomoću kojih se ovi gubici višestruko smanjuju/eliminiraju.
Primjer AC/DC pretvorbe u kućnim računalima:
Kao što je opće poznato dio računala zaslužan za pretvorbu izmjeničnog napona/struje u istosmjerni je tzv. napajanje a.k.a. Power Supply Unit (PSU). Napajanje vrši AC/DC konverziju pomoću niza pasivnih i aktivnih elektroničkih elemenata koji povezani u logičnu cjelinu (raznim metodama) osiguravaju rad ostatku računalnih komponenti.
U nastavku teksta biti će opisan rad, metode i općenita logika vrlo jednostavnog napajanja - Frontiera ATX-230.
Spomenuti primjerak ultra-low cost klase (100-injak kn) napajanja će biti ukratko uspoređen sa
Corsairom CX 400 i
Seasonicom X-650 (u svrhu razlikovanja kvalitete izrade i korištenih rješenja, tj. diskriminacije sigurnog i relativno vrlo rizičnog/nekvalitetnog napajanja -
ne i odnosa njihove međusobne snage/cijene).
Frontier ATX-230
Corsair CX 400
Seasonic X-650
Dakle, kao što je odmah uočljivo ova tri modela napajanja imaju posve različitu namjenu/tip konfiguracije koju mogu napajati, a cilj ovog teksta je prikazati u čemu se oni točno razlikuju, odnosno što bi gotovo svako napajanje današnjice trebalo posjedovati kako bi ga se moglo smatrati relativno sigurnim i kvalitetnim za uporabu u kućnom računalu.
**********************************************************
Frontier ATX-230
Krenimo od početka - vanjski izgled.
Kao što je moguće vidjeti na prethodnim slikama radi se o napajanju standardnih ATX dimenzija
(150mm(W) x 86mm(H) x 140mm(L)) kojim dominira dosadna siva boje, te jedna 80mm ventilator uz dva 230V priključka na pozadini (1 ulaz, 1 izlaz).
Uz prethodno navedeno je možda nije naodmet navesti da je broj konektora poprilično skroman (3x molex, 1x 20-pin ATX i 1 FDD).
Također se može vidjeti i deklarirana snaga na pojedinim vodocima (+3.3, +5 i +12V) koja je za današnje zahtjevne standarde vrlo niska (ukpna snaga od 230W).
Prozračnost, jednostavnost i praktički spartanski dizajn u kojem je sve relativno malih dimenzija (s obzirom na Corsairov namjanji CX 400 model).
Dizajnom dominiraju 2 vertikalna hladnjaka skromne površine postavljena u skladu sa pozicijom ventilaotora - koji najveću količinu protoka ostvaruje između te dvije "stative".
Razlog je i više nego jednostavan - ovo su elementi koji imaju najveću disipaciju snage, pa u skladu s time i najveće zagrijavanje, te im je time i nužno osigurati kombinaciju pasivno/aktivnog hlađenja.
Radi lakšeg praćenja cijele tematike, na slici ispod prikazan je vrlo sličan primjer ovakvog napajanja uz korištenje drugih trazistora sličnih osobina:
Jedna od često zanemarenih stvari prilikom testiranja napajanja je upravo provjeravanje najelementarnijih stvari, poput kablova kojima su povezani neki od unutrašnjih područja poput primara (crno-bijeli kablovi) ili sekundara (šarenilo u desnom dijelu slike - najčešće kombinacija crvene, žute, narančaste, crne, zelenei ljubičaste boje).
Dakle upravo o njima ovisi prijenos el. energije između utičnice i napajanja, odnosno napajanja i ostalih računarnih komponenti.
U ovom slučaju kabeli su nestandardne debljine/poprečne površine od 0.5mm2 (20AWG) čija debljina omogućava prijenos maksimalne konstantne struje od ~3A.
Ukoliko se kroz njih provodi viša vrijednost el. struje, doći će do njihovog zagrijavanja i eventualnog pregorijevanja, pa čak i samozapaljenja/požara. Ovo se često zna događati prilikom povećane aktivnosti računala, odnosno zahtjevnijih komponenata (čak i kod daleko eminentnijih i poznatijih proizvođača napajanja).
Dakle za pravilnu vrijednost se prema ATX propisima mora koristiti debljina od ~0.8mm2 (18AWG - manja vrijednost označava veću površinu), preko koje je moguće provesti ~5A bez posljedica po el. krug odnosno vodiče.
Slijedeća stvar koja se osjeti prilikom podizanja napajanja jest upravo njegova mala masa, što je u skladu sa prozračnošću koja je spomenuta prije u tekstu.
U pravilu se proizvodi, na kojima se stedjelo i unutar kojih je manji broj elemenata od standardne količine/veličine prepoznaju najlakše ovom metodom.
Manje zavojnice, transformatori, kondenzatori i hladnjaci direktno utječu na količinu el. snage koju promatrano napajanje može isporučiti na svom sekundaru, tj. ostatku komponenti.
Na ovom modelu je jasno vidljivo da su npr. transformatori daleko manji/niži od hladnjaka ili kondenzatora na primaru (2 crna velika kondenzatora na lijevoj strani slike), što direktno za sobom povlači i njihovu relativno nisu deklaraciju snage.
Kako bi lakše analizirali detaljnije sve dijelove napajanja, potrebno je izvaditi tiskanu pločicu sa dijelovima (PCB - Printed circuit board), što je i napravaljeno, a tijekom vađenja su se mogli primjetiti i još poneki bitni detalji.
Npr. kada je izvađena tiskana pločica iz limenog kučišta, vrlo jasno su se nazirali tragovi pregrijavanja na određenim područjima PCB-a.
Ovo je vidljivo na unutrašnjem dijelu limenog kućišta, tj. na potamnjelim dijelovima:
Vrlo je jasno da je u ovom slučaju došlo do pregrijavanja određenih elemenata na tiskanoj pločici, a rezultat je tragovi paljevine, koje bi nakon određenog vremena gotovo sigurno rezultiralo oslabljenom funkcionalnošču tih dijelova i prekidom funkcionalnosti samog napajanja.
Naravno, čim se primjete ovi tragovi na limenom kućištu, automatski je zaključak da postoje tragovi i na donjoj strani tiskane pločice - istina, jasno su vidljive pozicije smanjene funkcionalnosti i povećane disipacije el. energije.
U ovom slučaju se radi o tzv. primarnim visokonaponskim "switching" tj. preklopnim regulatorima/tranzistorima (hlađeni lijevim pasivnim hladnjakom na slici), kojima nije osigurano kvalitetno hlađenje i uglavnom često rade na maksimumu svojih mogucnosti (mala deklarirana snaga/struja Ic na kolektorskom polu).
Uz navedene tranzistore valja spomenuti i par manjih tranzistora i keramičkih kondenzatora na kojima su vidljivi znakovi istošenosti (tamne mrlje).
Njihova osnovna zadaća je napajanje dijela integriranog sklopa zaduženog za pulsnu modulaciju (upravljanje sekundarnim dijelom, odnosno izlaznim tranzistorima i Schottky ispravljačima - hlađeni desnim pasivnim hladnjakom).
Kod ovih općenitih stvari valja spomenuti i ventilator koji je zadužen za hlađenje cijelog sklopa napajanja.
Dakle, riječ je o 80mm, 2000 rpm,
CH80S12M - deklariran na ~30 CFM protoka.
Kod njegove primjene u ovom napajanju se nije previše pridavalo važnosti samoj ergonomiji pošto je spomenuta "turbinica" direktno spojena na 12V rail - bez ikakve temperaturne ili naponske regulacije.
************************************
Opći opis konfiguracije primarnog dijela
Najjednostavniji put ka opisu jednog prosječnog SMPS (Wiki:
Switched-mode power supply) sklopa jest krenuti od ulaznog dijela - primara, odnosno spojišta gradske mreže i promatranog napajanja.
Na slici je to mjesto gdje se nalaze bijela i crna žica (0.5mm2 tj. ograničenje od 3A => 3A*230V = 690W izmjenične snage, ujedno i označena max. ulazna struja na deklaraciji napajanja).
Mnogima se ova brojka čini sasvim solidnom za napajanje od 230W, ali to je naravno izmjenična snaga, a ukoliko uračunamo korisnost ovakvog napajanja (~70% - zbog inferiornog dizajna) dolazimo do max. brojke od cca 480W DC na izlazu napajanja.
Lijevo od te pozicije nalazi se zeleni NTC
thermistor snage (SCK-054, 5 ohm @0A tj. pri maksimalnoj struji od 4A ima otpor od 180 mohma).
Uloga ovog elementa je spriječavanje velike početne struje prilikom pokretanja napajanja (što je vrlo čest slučaj) i samim time se štiti ostatak sklopovlja od velikih početnih fluktuacija el. struje (otpor se smanjuje sa povećanjem temperature).
Nakon njega dolazimo do glavnog (sporog) osigurača sklopa koji je obilježen oznakom 5A/250V, što bi reklo da kratkotrajno može izdržati snagu od 1250W (što je poprilična vrijednost uzevši u obzir da se radi o 230W napajanju :/).
U slučaju havarije, vrlo je vjerojatno da će svi ostali elementi na napajanju prije ispariti od struje/pregrijavanja nego što će se uključiti/pregorjeti ovaj otpornik.
Nakon njega dolazimo do vrlo bitnog dijela svakog kvalitetnog napajanja - tranzijentni filtar. Kao što vidimo sa slike, on je na ovom napajanju ... nepostojeći.
Dakle radi se o komponentama koje su se trebale naći na pozicijama označenim sa CX1, CX2 (kondenzatori sa metaliziranim poliesterom - obično žute boje, oblika poput kutije šibica), CY1, CY2 (keramički kondenzatori, obično plave boje) i LF1 (zavojnica sa željeznom/feritnom jezgrom).
Izostanak ovog dijela napajanja, pojeftinjuje njegovu proizvodnju, ali je i znatno osjetljivije na smetnje iz gradske/lokalne naponske mreže (npr. drugi kućanski aparati i snažniji elektromagnetski uređaji).
-------------------------------------------------------------
Primjer kako bi ovaj dio trebao izgledati sa svim nabrojanim komponentama (CX 400, X-650):
-------------------------------------------------------------
Nadalje u ovom Frontier napajanju, dolazimo do Greatzovog ispravljačkog elementa crne boje/vertikalnog položaja sa 4 izvoda (KBP06, 2A @50°C => 2A*230V = 460W => uz strujni pad tzv. "derate current" 20% ovo bi dalo 460*0.8 = ~368W).
Valja primjetiti kako razlika između maksimalne teoretske deklaracije elemenata i deklarirane snage napajanja iznosi nekakvih ~60%
(CX 400 - ~1,470W = 367%; X-650 - ~5,500W = 846%).
Slijedeći linije na tiskanoj pločici, dolazimo do sljedećih elemenata - ispravljačkih kondenzatora na primaru (2 crna poveća tajvanska CapXon kondenzatora 330uF/200V/85°C povezana u seriju).
Njihovim povezivanjem u seriju im se na jednostavan način omogućava da prime izmjenični napon do 2*200V = 400V (govorimo o pp/peak-to-peak naponu).
Dakle, pričamo o PFC
(Power Factor Corrector) dijelu kruga, koji je u navedenom Frontieru izveden pasivno (nema tranzistora koji bi daleko bolje obavili ovu korekciju).
Usporedba sa Corsair/Seasonic modelima nam otkriva na čemu se ovdje štedilo - japanski kondenzatori sa daleko kvalitetnijim dielektrikom unutar njih, za razliku od kineskih jeftinijih izvedenica, te na kraju krajeva - aktivno upravljani PFC.
Ova razlika u kvaliteti je upravo bitna za njihovu dugotrajnost, koja je iznimno temperaturno ovisna (eksponencijalno se smanjuje sa povećanjem radne/okolne temperature), a samim time se smanjuju i interferencije koje se izazivaju u lokalnoj mreži nedovoljnim PFC-om.
Switching ("preklopni") dio napajanja je slijedeći na popisu aktivnih područja ovog Frontier napajanja:
Dakle, od tuda dolazi ono ime SMPS (switched-mode power supply), a koristi se iz vrlo jednostavnog razloga - pretvaranje izvornog napona u željeni (uz pomoć transformatora), ali uz što je moguće manju gubitak (ovdje je izvor one priče o postocima i iskoristivosti) energije.
Recimo samo da za primjer Frontierovog napajanja ova brojka se kreće oko 70% (što je u današnje doba vrlo niska/slaba vrijednost).
Kao što je dobro poznato tranzisotri su samo "snagatori" koji propuštaju el. struju u nekom smjeru, a način na koji će oni to obavljati je određen putem integriranog kruga - PWM
(PULSE-WIDTH-MODULATION) čipa.
U Frontieru se nalaze 2 switching tranzistora od ~6A (50°C), dok se u CX 400 nalaze 2 Mosfet tranzistora sa kapacitetom 11A (50°C) svaki.
Seasonicov model je "opskrbljen" također sa 2 Mosfeta nazivne snage ~17A (50°C).
U slučaju Frontiera to je
TL494, koji bi trebao kao osnovni dio tj. "kralježnica" cijelog napajanja posjedovati i neke vrste zaštita (
PG,
OVP, UVP, OCP, OTP, OPP i sl.) - nažalost one su nepostojeće na ovom modelu.
To znači da ćete u slučaju bilo kakve havarije biti prepušteni jedino vlastitoj sreći - a u tom slučaju najčešće pregorijevaju računalne komponente.
Kada pogledamo npr. Corsair CX 400 ili Seasonic X-650, možemo uočiti jasnu razliku - sve navedene zaštite su prisutne, a čak su dodane i neke posebne stavke (poput integriranog PFC/PWM kontrolera u CX 400 ili
FM-Frequency modulation načina rada u Seasonicovom slučaju, što pospješuje učikovitost samog napajanja na nižim opterećenjima).
Kada konačno prođemo ovaj središnji dio napajanja (PFC i Switching "sektor", odnosno žute CWT transformatore u sredini), dolazimo do sekundarnog dijela napajanja, odnosno onih elemenata koji direktno utječu na proizvodnju napona na određenim vodovima (+3.3, +5, -12, +12V i sl.):
Promatrajući isključivo transformatore u središnjem dijelu, tj. njihovu skromnu veličinu, možemo zaključiti da se doista radi o napajanju relativno male snage i bez prevelikih zaliha snage.
Nastavkom na sekundarnim tranzistorima/diodama možemo otrpilike otkriti o kojim se kapacitetima vodova radi (+3.3, +5 i +12V).
Npr. možemo vrlo jednostavnom mettodom praćenja spojeva i elektroničkih elemenata doći do brojke od 22A (2*11A*12V = ~260W) i to za 12V, 5V i 3.3V vod/rail zajedno.
Ovo je poprilično skromna brojka s obzirom da je ipak riječ o teoretskoj vrijednosti, što bi značilo da cjelokupni izlaz na sekundaru ima "lufta" nekakvih ~30W, odnosno izlazni tranzistori bi cijelo vrijeme radili između 90-100% svojih mogućnosti.
Ovo je vrlo loša vijest za dugovječnost samog napajanja i u pravilu znatno smanjuje njegov životni vijek.
Dodatna otegotna okolnost su vrlo male dimenzije zavojnica na sekundaru koje u ovom krugu jednako "pate" kao i izlazni tranzistori:
Izlazni tranzistori na sekundaru Corsaira CX 400 i Seasonica X-650 su poprilično drukčije konfigurirani i osigurani.
U konkretnom slučaju CX 400 - posjeduje za svaki vod poseban set izlaznih tranzistora, pa je tako za +12V vod osigurano 43A (~510W), za +5V vod 21A (~105W) i za 3.3V rail 21A (~71W).
U slučaju Seasonic X-650 modela, radi se o 126A @12V (~1500W), a pošto su +5V (50A) i 3.3V (50A) rail izvedeni iz toga 12V voda, to je ukupna
teoretska snaga raspoloživa na izlazu.
Kao zadnji i ključni dio sekundara, dolazi do izražaja kvaliteta kondenzatora na istom, jer je ovaj dio napajanja pod vrlo velikim opterećenjem (pogotov u današnje doba iznimno zahtjevnih grafičkih kartica i ostatka HW-a).
Sve prethodno navedeno je naravno ostavilo traga na stabilnosti vodova, pa se npr. u slučaju Frontiera može pričati o naponima izvan ATX specifikacija čak i pri najnižem stupnju opterećenja, dok se npr. kod Corsaira i Seasonica čak i pri najzahtjevnijim operacijama i opterećenjima zglavnom govori o 1-2% odstupanjima od nominalnih vrijednosti.
U pogledu efikasnosti, već je nekoliko puta spomenuta vrlo niska vrijednost u slučaju Frontiera (~70%), dok se u preostalim slučajevima uglavnom podrazumijevaju vrijednosti od 80-ak % (Corsair CX 400) odnosno 90-ak % (Seasonic X-650).
Zaključak:
Ukratko, najsigurniji način (kojem teže svi renomirani proizvođači) je jedan način "overkilla".
Što veći kapacitet integriranih komponenti, uz što kvalitetnije japanske elektroničke komponente, te inovativan DC-DC dizajn ne ostavljaju puno mjesta nezgodama i iznenađenjima (osim eventualno pokojeg škart/DOA primjerka).
Iz navedenih primjera napajanja jasno je vidljivo gdje proizvođači najčešće štede i uskraćuju krajnjeg korisnika u kvalitativnom pogledu.
Ovo se vrlo često zna viđati i na zvučnim imenima poput Fortrona, Thermaltakea, Chiefteca, LC Powera i sl. budget proizvođača, ali najbitnija stavka jest - da se ne štedi na el. zaštitama kojima je korisnik osiguran od oštećenja ostalog hardvera ili čak i neke veće havarije.
Ovakvih hazarderskih primjera se još uvijek može naći na našem tržištu, ali srećom sve su rijeđi
Nadam se da vam je ovaj tekst barem malo približio svijet AC/DC ispravljanja i pretvorbe napona, te da će vam pomoći u budućem kvalitetnijem odabiru jedne od najbitnijih komponenti vašeg računala.