Zasilacz, podstawa bezpiecznego i wydajnego komputera

Dużo mówi się o tym, dlaczego nie warto oszczędzać na zasilaczu jednak mało osób wie dlaczego tak jest, jeszcze mniej potrafi to sensownie uargumentować. Dzisiaj ja postaram się to zrobić.

Na wstępię poczynię uwagę. Będzie to dość długi artykuł, raczej o małej ilości obrazków czy zdjęć. Jeśli takich nie lubisz drogi Czytelniku, czuj się ostrzeżony! A teraz do rzeczy.

Niektórzy wspominają o kulturze pracy, inni o sprawności energetycznej. Jeszcze inni powiedzą, że to są brednie, że nawet najlepszy zasilacz może nie ochronić komponentów. I każda z tych osób ma rację. Ale tylko częściowo. Najważniejszym argumentem w dyskusji jest bezpieczeństwo sprzętu oraz, a raczej przede wszystkim, użytkownika. Tanie zasilacze najczęściej zbudowane są z wątpliwej jakości elementów elektronicznych, często dysponują zabezpieczeniami tylko na papierze, bardzo często ich układy zaprojektowane są w taki sposób, że nie są w stanie wytrzymać nawet kilku minut pracy przy obciążeniach bliskich maksymalnym, podawanym na tabliczce znamionowej. Ciągle można natknąć się na konstrukcje bardzo przestarzałe z pasywnymi układami korekcji współczynnika mocy zamiast nowocześniejszych, aktywnych. Wszystko to wpływa na sprawność energetyczną czy kulturę pracy (jak zaraz pokażę te dwie cechy są ze sobą ściśle powiązane) ale przede wszystkim bezpieczeństwo, na którym tak bardzo powinno nam zależeć przy składaniu komputera. Jasne, nawet najlepszy zasilacz nie daje 100% pewności, że nasz sprzęt nie zostanie uszkodzony np. przez przepięcie w sieci jednak takie zdarzenie jest dużo mniej prawdopodobne.

Na początku muszę obalić kilka mitów. Przede wszystkim certyfikat sprawności nie świadczy o jakości zasilacza. Świadczy on tylko o tym, że zasilacz utrzymał napięcia we w miarę kontrolowany sposób, a współczynnik mocy oraz sprawność wyrażone w procentach przy określonych progach obciążenia przekroczyły wymagane progi. Należy również zwrócić uwagę na fakt posługiwania się przez wielu producentów oznaczeniami mających przypominać i nawiązywać do oficjalnego certyfikatu gdy w rzeczywistości ich produkty nie uzyskały go. Przy okazji warto jest się zapoznać z tabelą progową dla poszczególnych certyfikatów zamieszczoną poniżej.

Należy tutaj wspomnieć, że zasilacz który nie zdoła osiągnąć wymaganego poziomu sprawności nawet w jednym teście automatycznie klasyfikowany jest „oczko” niżej. Dokładnie tak stało się w wypadku testowanego przez nas zasilacza bQ Pure Power 10 600W, do którego testu odsyłam tutaj.

Kolejnym mitem jest to, że zasilacze z tzw. czarnej listy są odpowiednie do budżetowych komputerów biurowych i że można z nich śmiało korzystać. Osobiście uważam to za totalną bzdurę. Tym bardziej, że bardzo często dopłacając 30-40 złotych można kupić PSU o teoretycznie mniejszej mocy znamionowej jednak o znacznie wyższej jakości i większej ilości zabezpieczeń. Dlaczego wspomniałem o teoretycznie mniejszej mocy? Bo w praktyce wielu producentów najtańszych zasilaczy często podaje parametry, których ich produkty na dłuższą metę nie są w stanie wytrzymać, czyli parametry szczytowe.

Ciężar zasilacz również nie świadczy o jego jakości! Bardzo często można zobaczyć sztuczne obciążenia, np. kamienie ukryte w obudowach innych elementów, mające tylko zwiększać masę. Duża masa w tanich jednostkach, w których nie zastosowano tego triku może również świadczyć o niskiej sprawności, przez którą trzeba było wykorzystać bardzo duże radiatory. Nie oznacza to jednak, że każdy ciężki zasilacz jest zły. Sporo konstrukcji renomowanych producentów, szczególnie tych droższych, należy do ciężkich dlatego, że są one zbudowane tak, by wytrzymywały duże przeciążenia, były trwałe i ciche. Dlatego sam ciężar nigdy nie może być wyznacznikiem jakości zasilacza komputerowego.

Słyszałem też kiedyś, że sprawność energetyczna i kultura pracy są od siebie niezależne i że zasilacz o niskiej sprawności mimo wszystko może być cichy. To prawda ale należy pamiętać, że niższa sprawność oznacza, że więcej energii elektrycznej zamienianej jest w energię cieplną, którą należy odprowadzić z elementów układu by uniknąć ich przegrzania. A im więcej ciepła tym potrzebne są większe radiatory, najlepiej wspierane przez zwiększony przepływ powietrza. O ile to pierwsze może dawać poczucie solidności, często złudne, o tyle to drugie powoduje, że wentylator zwyczajnie będzie musiał osiągnąć większą prędkość obrotową.

A no i chyba nadal najczęściej powtarzany mit.. Komputer pobiera tyle mocy, ile jest napisane na zasilaczu. Słysząc coś takiego mam wrażenie, że ktoś nie uważał na fizyce i nie wie nic o trzech podstawowych prawach – prawie Ohma i dwóch prawach Kirchoffa. To, ile mocy pobierze nasz komputer zależy przede wszystkim od tego, ile mocy wymagają podzespoły od zasilacza i jaką on sam ma sprawność. To nie jest tak, że gdy włożymy PSU o mocy 700W do biurowego komputera to nasze rachunku podskoczą do astronomicznych sum. To jest totalna bzdura, z którą mierzę się każdego dnia, kiedy składam różnym ludziom komputery lub przynajmniej dobieram do nich podzespoły.

No dobrze, a co to oznacza dla nas, konsumentów? Odpowiedź jest bardzo prosta – nigdy nie należy kupować najtańszych zasilaczy, przenigdy nie warto oszczędzać na własnym bezpieczeństwie. Jako przestroga niech posłuży ten artykuł. Więc na jakie produkty należy zwrócić uwagę? Przede wszystkim najlepiej jest zaufać renomowanym producentom takim jak: be quiet!, Seasonic, XFX, Corsair czy EVGA. Nie są to oczywiście jedyne marki warte uwagi – jest ich znacznie więcej, te stanowią jedynie przykłady. Jeśli zauważę taką potrzebę lub jeśli Wy, jako Czytelnicy będziecie tego chcieli, zamieszczę większą listę renomowanych producentów.

A jakie parametry są najważniejsze? Prawdę mówiąc to wszystkie. Jednak przeciętny użytkownik w prosty i szybko sposób nie jest w stanie poznać więcej niż dwa – moc i sprawność. Warto jednak zadać sobie trochę trudu i poszukać testów zaufanych redakcji, jak np. Tom’s Hardware, Jonny Guru, AnandTech i wielu, wielu innych. Z polskich testów polecam te proste i zrozumiałe dla każdego autorstwa Jarka Arczyńskiego (blackwhite TV) oraz bardziej skomplikowane i wnikliwe analizy Łukasza Sieranta. Ja dopiero uczę się tematu a i moje stanowisko oraz aparatura testowa jest w fazie budowy, toteż zanim będę w stanie wykonywać tak profesjonalne testy upłynie wiele wody w Wiśle.

No dobra, a jak właściwie działają zasilacze komputerowe? Cóż, odpowiedź na to jest skomplikowana i składa się na nią wiele pojęć jak topologia zasilacza, filtr EMI czy układ PFC ale jedna rzecz pozostaje wspólna – każdy zasilacz komputerowy jest wykonany jako Switching Mode Power Supply, w skrócie SMPS. Po otwarciu nowoczesnego PSU nie zobaczymy ogromnych transformatorów czy dużych kondensatorów (może oprócz jednego lub dwóch wykorzystanych w układzie PFC). A to dlatego, że w ten sposób trudno uzyskać wysoką sprawność układu, na której w dzisiejszych czasach tak bardzo nam zależy. Zamiast tego używa się układu klucza, tj. (najczęściej) dwóch MOSFETów dzięki czemu zamiast dużego transformatora można zastosować dużo mniejszy element tego typu. Dzięki odpowiedniemu wysterowaniu tranzystorów można osiągnąć bardzo duże częstotliwości przez co transformator, mimo swoich małych rozmiarów, jest w stanie wytrzymać bardzo duże obciążenia. Ale po kolei. Przede wszystkim należy zacząć od określenia jakie linie zasilające oraz sygnały otrzymujemy z zasilacza komputerowego. Otóż są to:
– linia +5V
– linia -5V
– linia +3.3V
– linia +12V
– linia -12V
– sygnał PWR_OK
– sygnał PS_ON
– linia +5VSB
We współczensnych komputerach stacjonarnych najważniejsze są linie pozytywne a w szczególności +12V, to głównie ona odpowiada za zasilanie układów naszego komputera, z niej, dzięki sekcjom zasilania, uzyskiwane jest napięcie odpowiednie dla CPU, GPU czy też pamięci. Oprócz tego 12V używa większość wentylatorów czy też dyski, a właściwie silniki w dyskach HDD. Linie +3.3V oraz +5V odpowiadają w głównej mierze za zasilenie mniejszych układów logiki komputera czy chipsetu. Sygnał PWR_OK jest podawany przez zasilacz do naszej płyty głównej, informujący ją o tym, że układ układ samodiagnostyki zasilacza stwierdził poprawne jego działanie i ustabilizowanie napięć na prawidłowym poziomie. Kiedy zaniknie komputer zostanie automatycznie wyłączony. Warto również wspomnieć, że w dobrze zaprojektowanym PSU sygnał ten faktycznie jest podawany po czasie wystarczającym do ustabilizowania napięć jednak w tych tanich bardzo często nie ma to miejsca a zamiast tego podawane jest tu regularne napięcie pochodzące z linii +5V, co jest potencjalnie niebezpieczne dla sprzętu w awaryjnej sytacji. Kolejnym sygnałem jest PS_ON, który w gruncie rzeczy służy do włączania i wyłączania zasilania z poziomu software’u. Z możliwości tej korzystamy za każdym razem naciśnięcia przycisku „wyłącz” w większości systemów operacyjnych, np. w Windowsie. Linia +5V SB (Stand-By) jest aktywna cały czas, nawet gdy nasz komputer pozostaje wyłączony. Dzięki temu niektóre części płyty głównej cały czas są zasilane, to z kolei umożliwia nam włączenie komputera czy zasilanie urządzeń USB gdy jest on wyłączony. Linia -12V wykorzystana może być np. przez karty sieciowe a -5V nie jest już wymagane przez specyfikacje ATX (zostało z niej usunięte w wersji 1.3) a jego pojawienie się to głównie sprawa kompatybilności wstecznej, np. ze starym i, o ile wiem, niemal wymarłym standardem ISA.

Skoro dość rozbudowany wstęp mamy już za sobą czas przejść do tematyki bardziej zaawansowanej a mianowicie budowy PSU. Każdy zasilacz można podzielić na kilka podstawowych sekcji.

Wyżej umieszczono przykładowy schemat z pominięciem układów odpowiadających za sterowanie. Pochodzi on z tej anglojezycznej strony. Przyjrzyjmy mu się chwilę. Po pierwsze na wejściu każdego zasilacza powinny znajdować się filtr EMI (Electromagnetic Interference) mający za zadanie zredukować zakłócenia pochodzące z sieci elektrycznej. Wykorzystywane są w nim kondensatory typu X oraz Y oraz cewki. Czasem można tutaj zobaczyć dodatkowe zabezpieczenia jak bezpieczniki (obecny na schemacie, oznaczony literą F), warystory czy termistory. Kondensatory typu X znajdują się między „napięciem a masą”. Przekładając to na bardziej elektryczne słownictwo oznacza to, że element taki jest włączony w układ między przewodem fazowym a neutralnym. Ich uszkodzenie może prowadzić do pożaru. Kondensator typu Y z kolei znajduje się między przewodem neutralnym a uziemieniem. Uszkodzenie takiego elementu może skutkować porażeniem prądem użytkownika. Następnie prąd przechodzi przez prostownik, najczęściej mostek Gretza (na schemacie oznaczony jako RB). Element ten składa się z czterech diód i zmienia napięcie przemienne w napięcie, którego przebieg jest znacznie bliższy napięciu stałemu. Kolejnym krokiem jest układ PFC. Tak jak wspominałem wcześniej w nowoczesnych zasilaczach jest on aktywny, najczęściej składa się z dużego kondensatora, cewki, diody oraz tranzystora. Elementów tego samego typu może pojawić się więcej ze względu na np. dużą maksymalną obciążalność prądową. Jego zadaniem jest korekcja współczynnika mocy. Dalszym krokiem jest zmiana napięcia. Służy do tego układ klucza z transformatorem. Używane są różne rozwiązania zwane topologiami. Każda ma inne zalety i wady, jak to zawsze bywa. Na schemacie przedstawiono zasilacz wykorzystujący Forward Converter a w testowanym przeze mnie zasilaczu bq Pure Power 10 600W CW wykorzystano topologię Active Clamp + Synchronous Rectifier, co oznacza że po stronie pierwotnej transformatora wykorzystano dwa MOSFETy i kondensator a po stronie wtórnej kolejne dwa MOSFETy. Co ważne zasilacz, tak jak i transformator posiada stronę pierwotną i wtórną. To właśnie ten element oddziela je od siebie i jest również praktycznie jedynym połączeniem między nimi. Oprócz tego tutaj znajduje się większość zabezpieczeń – przeciwprzepięciowe, nadprądowe, przeciwprzeciążeniowe czy przeciwzwarciowe. Następnym krokiem jest ponowne prostowanie prądu. A to dlatego, że na na wyjściu układu klucza otrzymuje się prąd AC o bardzo dużej częstotliwości. Tutaj po raz kolejny mamy do czynienia z prostownikiem. W różnych konstrukcjach spotyka się różne rozwiązania – zarówno prostowniki jedno- jak i dwupołówkowe. Wyprostowany prąd jest następnie filtrowany i stabilizowany, co stanowi kolejny etap uzyskiwania wymaganych napięć. Najczęściej spotyka się konstrukcje, w których na tym etapie otrzymuje się napięcie 12V, z którego to w następnym kroku, np. dzięki przetwornicom DC-DC, otrzymuje się napięcia 3.3V, 5V oraz wszystkie pozostałe, opisane wcześniej. Czasem spotyka się również konstrukcje, w których to bezpośrednio z transformatora (o odwpowiednich uzwojeniach) lub z trzech różnych transformatorów otrzymuje się napięcia 12V, 5V i 3.3V, które prostuje się i filtruje oddzielnie oraz takie, w których dwa względne duże transformatory umieszczone są równolegle. Ma to jednak miejsce tylko w najmocniejszych zasilaczach, w których pojedynczy transformator byłby po prostu zbyt duży. Wszystko zależy od tego, jakie podejście wybiorą konstruktorzy zasilacza, co okaże się najbardziej opłacalne czy stabilne, w skrócie od tego, co najlepiej spełni założenia konstrukcyjne. Co ważne stąd wysyłany jest sygnał zwrotny do kontrolera klucza, dzięki czemu może on dobrać parametry pracy odpowiednie do obciążenia. Bardziej dociekliwi zauważą pewnie, że klucz znajduje się po stronie pierwotnej, dokładnie tak jak i jego kontroler a wyjścia już po stronie wtórnej. A skoro transformator stanowi jedyny element łączący je to jak wysyłany jest sygnał zwrotny? Otóż dzieje się tak dzięki elementowi optoelektronicznemu zwanemu transoptorem. Inną metodą jest wykorzystanie transformatora, dokładniej mówiąc transformatora galwanicznego.

W doborze zasilacza może również pomóc wiedza na temat kondensatorów w nim użytych. W najlepszych zasilaczach bardzo często stosowane są elementy tych marek:
– ELNA
– FPCAP
– Hitachi
– Nichicon
– Nippon Chemi-Con
– Panasonic
– Rubycon
– Sanyo
– Suncon
Te wszystkie kondensatory są produkcji japońskiej, według posiadanych przeze mnie informacji są one najwyżej jakości. Oprócz tego istnieje kilka innych firm amerykańskich i europejskich produkujących dobre kondensatory jednak są one raczej niespotykane w konsumenckich konstrukcjach więc je pominę.
W nieco tańszych PSU a nawet niektórych aspirujących do wyższej klasy spotyka się elementy firm takich jak:
– OST
– SamXon
– Taicon
– Teapo
– Toshin Kogyo
Są to dobre kondensatory, zdecydowanie tańsze od wymienionych chwilę wcześniej. Oferują dobry stosunek jakości do ceny, przez co są chętnie wykorzystywane w zasilaczach, coraz częściej w konstrukcjach w cenach oscylujących w okolicach 200-250 złotych do nawet 400-500 złotych.
Omijałbym konstrukcje wykorzystujące elementy CapXona i Jamicona choć i te nie stanowią jeszcze końca świata. Najgorzej jak zobaczymy w naszym zasilaczu kondensatory np. Elite czy Evercona (oraz wielu innych, lista jest długa i sam bardzo często ją uzupełniam o nieznane mi wcześniej pozycje) – jeśli to właśnie je zastosował producent to na starcie możemy skreślić taki produkt a jeśli go posiadamy to nie oczekujmy od niego długiej i bezawaryjnej pracy. Nie oznacza to, że jest to niemożliwe ale szansa jest nikła.

Myślę, że zawarłem tutaj najbardziej podstawową wiedzę na temat zasilaczy komputerowych. Wiem również, że wiele zagadnień pozostawiłem otwartych jednak myślę, że każdy zainteresowany tematem powinien szukać odpowiedzi również na własną rękę. Mam też nadzieję, że nigdzie się nie pomyliłem bo temat jest bardzo rozległy a ja sam jestem raczej początkującym elektronikiem, który ma przed sobą jeszcze wiele nauki. Jeśli jednak ktoś obeznany w temacie zobaczy gdzieś błąd to bardzo proszę o poinformowanie mnie o tym. W razie jakichkolwiek wątpliwości w doborze zasilacza jak najbardziej możecie pisać w komentarzach drodzy Czytelnicy. W wolnej chwili postaram się Wam udzielić odpowiedzi na nurtujące Was pytania.

Na zakończenie chcę podziękować tutaj autorowi stron smps.us oraz smpspowersupply.com, Lazarowi Rozenblatowi za pozwolenie na wykorzystanie materiałów przez niego zgromadzonych.

Wiedzy do przyswojenia sporo, mimo że jest to raczej zakres podstawowy, taki wierzchołek góry lodowej. Widać z tego, że dobór zasilacza wcale nie jest taki prosty a zmiennych na tyle dużo, że nie warto ufać najtańszym konstrukcjom. W przyszłości być może pojawią się dalsze artykuły o PSU jednak na dzień dzisiejszy kolejny będzie objaśniał zasadę działania VRMów czyli sekcji zasilania stosowanych na płytach głównych czy kartach graficznych.

Źródła: smps.us, smpspowersupply.com, Tom’s Hardware

Komentarze