Guide: Anatomien til en PSU - del 1
Innhold
Innledning
Strømforsyninger kommer i mange ulike former, farger, størrelser og typer. Men uansett utsende, så er det innsiden som teller. Strømforsyningen består som de fleste vet av mange komponenter og finurlige kretser. I denne guiden skal vi ta et dypdykk i det som på fagspråket heter en switchmode-strømforsyning, og forklare deg hvordan den er bygget opp og hva de ulike komponentene gjør.
For å skjønne store deler av det vi tar opp i denne guiden, bør du han en generell forståelse av elektronikk. Vi har tidligere skrevet en tredelt guide om dette, som er et meget godt grunnlag for de vi på de neste sidene skal fortelle om.
En strømforsyning er en ganske kompleks enhet, så vi har sett oss nødt til å gå litt frem og tilbake på enkelte emner. Du vil ofte få mye mer ut av denne guiden om du leser den minst to ganger.
Vi gjør oppmerksom på at i denne guiden vil vi ta opp emner som kan føre til personskader, i verste fall med døden til følge, hvis man ikke er forsiktig og gjør ting riktig. Hardware.no tar ikke ansvar for skader som følge av denne artikkelen eller andre artikler publisert på dette nettstedet. Vær alltid varsom og bruk sunn fornuft. Merk også at du i de fleste tilfeller bryker garantien om du åpner en strømforsyning.
Switching Mode VS Lineær
Switching Mode VS Lineære
Når det gjelder generelle strømforsyninger, ikke bare til datamaskiner, er det to grunnleggende design. Vi har lineære strømforsyninger, den typen som brukes i enheter slik som telefoner, modem og routere. Om det er behov for mer strøm, slik som i datamaskinen, benyttes et annet design kalt switch-mode, kort for "High frequency switching mode".
Lineær
Lineære strømforsyninger er meget enkle. Vi har forklart disse tidligere i "Elektronikkens Verden", men går igjennom det kjapt her. Her i Norge får de 230 V inn fra strømnettet, og transformerer den ned til en lavere verdi. Spenningen er fortsatt vekselspenning, før den går inn i en krets meget lik bildet over. Det første steget er en diode-bro, som gjør vekselspenningen om til likespenning med en massiv rippel.
Satt i parallell med diode-broen er en stor kondensator som brukes for å rette ut deler av gapet mellom sinus-periodene. Dette hjelper derimot aldri 100 %.
I parallell med kondensatoren setter vi da en zener-diode eller en integrert krets som i korte trekk kutter hodet av spenningstoppene for å minimere rippelen. Det vi nå sitter igjen med er ren DC-spenning.
Lineære strømforsyninger fungerer som nevnt bra for enheter som ikke trekker mye strøm, men om det er snakk om større belastninger, slik som i datamaskiner, vil lineære strømforsyninger rett og slett bli alt for fysisk store og tunge. De er også kjent for å ha en meget dårlig effektivitet ved lavere spenninger, og at de generelt sett er ustabile. Løsningen er switching-mode.
Switching-mode
Den fysiske størrelsen på transformatorer og kondensatorer er omvendt proporsjonal med frekvensen. Ved lavere frekvens, bli komponentene større. Ved høy frekvens, kan komponentene lages meget små.
I switching-mode-strømforsyninger blir frekvensen til vekselspenning økt betydelig, gjerne 1000 ganger. Strømforsyningen får 50 Hz inn, og øker dette til rundt 50 000 Hz før spenningen går inn til transformatoren, som da kan være meget liten. Ordet "switching-mode" betyr altså ikke at noe blir slått av og på i strømforsyningen, det er frekvensen som endres (switching).
Den får informasjon om hvor mye den belastes med, noe som gjør at den justerer spenningen inn til transformatoren opp og ned avhengig av hvor mye strøm komponentene den er tilkoblet trekker. Denne teknikken kalles PWM, Pulse Width Modulation, og sørger for at strømforsyningen holder seg betydelig kjøligere.
Power Factor Correction
Alt elektrisk utstyr med motorer og/eller transformatorer trekker to typer effekt - aktiv og reaktiv effekt. Aktiv effekt, som måles i enheten kWh, er den effekten som produserer det virkelig arbeidet slik som den fysiske roteringen i en motor. Reaktiv effekt, som måles i enheten kVAr, er den effekten som brukes for å lage det magnetiske feltet som trengs for å få akselen i motoren til å rotere, eller transformatoren som regulerer spenningen. Vektorsummen av disse utgjør kVAh - den tilsynelatende effekten ("apparent power").
I industrien betales det for kVAh, men for vi privatbrukere betaler kun for den aktive erffekten. Selv om vi privatbrukere ikke betaler for det, trekker vi en god del reaktiv effekt. Den koster oss ingenting, men den tar opp plass på strømnettet, plass som kunne vært brukt til mer aktiv effekt. Strømfaktoren er da den aktive effekten dividert med den tilsynelatende effekten. Strømfaktoren varierer mellom 0 og 1. Desto nærmere vi er null, desto mindre reaktiv effekt bruker kretsen.
Kretsene som retter opp strømfaktoren kalles Power Factor Correction Circuits, eller bare PFC. Det er to typer av disse kretsene - passiv PFC og aktiv PFC. En passiv PFC-krets består av kun passive komponenter, det vil si komponenter som selv ikke trenger strøm for å fungere. Eksempler på dette er spoler, motstander og kondensatorer. Aktiv PFC har i tillegg til passive komponenter, noen aktive komponenter, slik som transistorer og integrerte kretser.
Med en passiv PFC-krets kan man få strømfaktoren opp til et sted mellom 0,6 og 0,8. Med en aktiv PFC-krets kan man oppnå en strømfaktor på så mye som 0,99.
Fra og med januar 2001 krevde EU (European Union) at alle elektriske enheter på over 70 W, skal ha en krets som retter opp strømfaktoren. Med andre ord må alle produsenter som ønsker å selge strømforsyninger innenfor EU, ha en slik krets i strømforsyningene.
For oss sluttbrukere blir ikke strømforsyningen verken bedre eller dårligere om man har en slik krets, den sparer kun masse kapasitet for nettleverandøren, samt at den hjelper til for "en grønnere hverdag". Foreløpig trenger du kun å vite hva en PFC-krets er, senere vil vi gå igjennom denne i detalj og vise dere hvordan den fungerer.
Oppbygning
Til å begynne med skal vi dele strømforsyninger inn i to grupper - de med og de uten en aktiv PFC-krets. Hva en aktiv PFC-krets gjør forklarte vi på forrige side, og vi vil vise til praktiske eksempler senere.
Vi starter med to enkle blokkdiagrammer. Her ser vi kun de ulike trinnene i strømforsyningen, hvert trinn består gjerne av mange komponenter. Det første bildet er en strømforsyning uten en aktiv PFC-krets, det andre er en strømforsyning med en aktiv PFC-krets.
De færreste av dere skjønner nok mye av diagrammene over, og det er dette vi nå skal gå igjennom steg for steg på de neste sidene.
Det vi ser er at en strømforsyning med en aktiv PFC-krets ikke trenger en spenningsfordobler. Men hva er en spenningsfordobler? Mange har nok kjennskap til den lille røde bryteren som fantes på baksiden av alle strømforsyninger frem til år 2001. Denne skal her i Norge stå på "230 V", men som mange har erfart, smeller det godt om man setter den til "115 V".
Hele strømforsyningen er designet for å jobbe på "230 V", fordi det er bedre å doble spenningen fremfor å halvere den. Når bryteren er satt til "230 V" kobler man seg rett og slett rundt trinnet som dobler spenningen. Men, når man da setter bryteren på "115 V" vil strømforsyningen fordoble spenningen som kommer inn. Du vil da altså sende 460 V inn i strømforsyningen, fremfor de 115 som den forventer. Dette er med andre ord ikke bra, og om du gjør denne glippen må du i de fleste tilfeller kjøpe en ny strømforsyning.
En strømforsyning med en aktiv PFC-krets vil derimot regulere dette selv, noe som er grunnen til at du ikke finner den røde bryteren på nyere strømforsyninger.
Det er PWM-kretsen vi snakket om tidligere som regulerer spenningen til strømforsyningen. Spenningen som går inn i strømforsyningen blir likerettet før den går inn i steget hvor switchingen skjer. Under "switchingen" blir sinuskurven gjort firkantet (digital), før den sendes til transformatorene. Dette betyr at spenningen ut av transformatoren er firkantet, noe som gjør at det er veldig lett å transformere til likestrøm. Det er her kallenavnet "DC-DC konverterer" kommer fra.
Innsiden av en strømforsyning
De fleste har sett tatt en titt under panseret på en strømforsyning, enten på bilder eller via egne eksperimenter. De fleste ser bare et evig kaos av elektronikk, et par kjøleribber og en eller to vifter. Tar du en nærmere titt vil du nok også kjenne igjen flere større komponenter slik som kondensatorer og spoler.
En strømforsyning deles inn i to, primærsiden og sekundærsiden. Skillet er ganske enkelt der de store transformatorene står, mellom de to store kjøleribbene.
Det er mange enkle måter for deg å sjekke hva som er primær- og hva som er sekundærsiden. Hvis du følger kablene fra strømkontakten du plugger i strømforsyningen, vil den enkelt lede deg til primærsiden av strømforsyningen. Her vil du også finne den største kondensatoren og om strømforsyningen har en aktiv PFC-krets finner vi også den største spolen i strømforsyningen her.
Alle kablene som går ut fra strømforsyningen, slik som periferisk 4-pin og ATX-kontakten, kommer ut fra sekundærsiden. Følger du den store kabelklasen inn i alle strømforsyninger, finner du sekundærsiden. På strømforsyninger uten aktiv PFC, er det her den største spolen vil stå.
Transient-filtrering
Over ser vi et bilde av det som er et anbefalt transient-filter. Mange produsenter velger å kutte vekk enkeltkomponenter for å spare penger. Det er ofte at RV1, en av spolene og en av kondensatorene ikke blir brukt. I ekstreme tilfeller blir det ikke montert et transient-filter i det hele tatt.
Hva produsenter velger å bruke av komponenter her, sier ofte veldig mye om kvaliteten på strømforsyningen. Dette filteret blir i noen tilfeller også omtalt som "EMI-filter".
Glass/keramikkrørsikringen er et komponent de fleste kjenner igjen. Den fungerer som en generell beskytter når det er noe feil med strømforsyningen. Om denne en gang skulle ryke, bør du passe på om du velger å erstatte denne selv. Sikringer ryker ikke uten grunn, de er ofte mer feil med strømforsyningen enn at sikringen har ryket. Når du setter inn en ny, vil den mest sannsynlig bare ryke den også. På de fleste strømforsyninger er denne montert i en holder, så det er enkelt å bytte den selv. Hvis du selv velger å bytte denne, pass på at spesifikasjonene er de samme.
Den neste komponenten i kretsen er primærkomponenten i et slikt filter, men mange billigprodusenter velger å kutte det vekk for å spare kostnader. Denne komponenten kalles en MOV, Metall Oksid Varistor. Jobben til denne varistoren er å kutte vekk uregelmessige "peaks" (derav navnet transient filter) i spenningen. Hvis spenningen brått øker, motvirker komponentet dette, og gjør spenningen "nøytral".
En slik varistor er akkurat den samme komponenten som vi finner i overspenningsvern. Hvis strømforsyningen har denne komponenten, skal du i teorien ikke trenge et overspenningsvern tilkoblet strømforsyningen. Så klart har et overspenningsvern ofte andre funksjoner også, så man bør ikke stole på denne ene komponenten i strømforsyningen.
De to spolene vi ser på skjemaet, L1 og L2, er vanlige ferrittkjerne-spoler. Enkelte produsenter velger kun en slik, andre velger opptil tre stykker.
Kondensatorene vi finner i et transient-filter, deles inn i to grupper. X-kodensatorer står i parallell med strømlinjen(C3). Den andre gruppen, Y-kondensatorer, står alltid i par i serie med strømlinjen og jord(C1 og C2). Hvis du ser nærmere på bildet øverst, ser du at dette også er merket på printkortet. Y-kondensatorene er vanlige skive-kondensatorer, mens X-kondensatorene er av metallisert polyester-typen.
På noen strømforsyninger er dette trinnet todelt. Da sitter deler av komponentene festet rett på kontakten du setter strømkabelen i, mens resten av komponentene sitter på printkortet. Et eksempel på dette ser vi på bildet over. Her sitter en av X-kondensatorene, to Y-kondensatorer, en sikring og en av spolene.
Et transient-filter rensker ikke bare spenningen som går inn i strømforsyningen. Den sørger også for at støy som genereres av switchingen, ikke kommer ut og skaper støy på annet elektrisk utstyr på samme strømlinje i huset ditt.
Spenningsfordobbler og likeretter
Spenningsfordobler
Spenningsfordobleren er et steg som logisk nok dobler spenningen. Dette er et steg vi kun finner på strømforsyningen uten en aktiv PFC, og den benyttes kun på 115 V-strømnett. Her i Norge vil du med andre ord aldri ha bruk for den.
Spenningsfordobleren er ganske enkelt de to store kondensatorene du finner på primærsiden av strømforsyningen.
På nyere strømforsyninger med aktiv PFC finner vi kun en stor kondensator på samme sted. Dens oppgave er å glatte ut den massive rippelen som oppstår etter likerettingen. Akkurat dette steget er likt det vi finner i en lineær strømforsyning.
Likeretter
Likeretteren er det steget i strømforsyningen som gjør vekselspenningen om til likespenning. Denne likeretteren er ofte i et enkelt komponent som vi ser på bildet under, men den kan også bestå av fire enkelt dioder.
Dette trinnet er helt likt det vi gikk igjennom på side 2, i en lineær strømforsyning.
Likeretter-bro - enkelte komponenter er fjernet for å få et bedre bilde
Temperaturregulering
På primærsiden finner vi også en enkel NTC-motstand. Dette er en ulineær motstand hvor motstanden minsker når temperaturen øker. Når strømforsyningen jobber blir den varm, noe som gjør at den må justere seg selv litt for å kompensere for utvidningene varmen fører til i de mikroskopiske lederne.
Akkurat dette steget må ikke forveksles med temperaturreguleringen av strømforsyningens vifter. Dette skjer ofte via en helt egen kontrollerkrets.
Oppsummering
Til nå har vi sett på forskjellene mellom en lineær strømforsyning og en switch-mode-strømforsyning. Vi har lært om Power Factor Correction og vi har sett på den generelle oppbygningen til en strømforsyning. En innføring i det generelle oppsettet til en strømforsyning har vært gjennomgått, før vi til slutt så på transient-filteret og spenningsfordobleren.
I neste del skal vi gå dypere inn på den aktive PFC-kretsen. Vi vil se nærmere på transistorene og diodene som utfører switchingen samt PWM-kretsen og dens oppgaver, før vi til slutt tar for oss alt som skjer på sekundærsiden av strømforsyningen.
Følg med, del 2 kommer om ikke så alt for lenge!
