Grupa L04 IIIFD	Data wykonania: Rzeszów 1999-11-10
1.Grzegorz Pękala 2.Robert Polański 3.Grzegorz Poraada 4.Krzysztof Sondej 5.Grzegorz Szpunar	Laboratorium z architektury komputerów Temat : Zasilacz impulsowe

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem oraz właściwościami zasilacza komputerowego. Dzięki temu ćwiczeniu mamy poznać zalety i wady zasilaczy impulsowych, jak również dowiedzieć się dlaczego właśnie ten typ zasilaczy znalazł zastosowanie w komputerach osobistych.

Budowa i działanie zasilacza impulsowego

Zasilacz impulsowy w uproszczeniu można przedstawić przy pomocy następującego schematu.

Rys. 1 Uproszczony schemat zasilacza impulsowego.

Działanie zasilacza można przedstawić w następujący sposób. Napięcie wejściowe poprzez transformator impulsowy Tr dostarczane jest do dalszej części obwodu. Aby poziom napięcia na wyjściu transformatora był odpowiedni jest on kluczowany przez tranzystor typu MOS. W momencie załączenia tranzystora kluczującego, na stronę pierwotną w całości przyłożone jest napięcie wejściowe U_wej, które transformuje się na stronę wtórną. Prąd w uzwojeniu narasta liniowo. Po upływie czasu τ tranzystor kluczujący jest wyłączany. Prądy płynące w uzwojeniu dławika osiągają swoje maksymalne wartości. W tym momencie maksymalną wartość ma także strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora. Zatkanie tranzystora powoduje powstanie przepięcia, które blokuje diodę D1. Dioda D2 jest tzw. diodą obejściową, która umożliwia ciągły przepływ prądu w obwodzie obciążenia. W okresie czasu (τ,T) prąd w cewce L opada liniowo, aby w czasie T osiągnąć wartość minimalną.

Dla utrzymania stałego napięcia wyjściowego w układzie stosuje się pętlę sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie stosowane w celu stabilizacji napięcia wyjściowego może stać się przyczyną występowania oscylacji w obwodzie. W celu ich wyeliminowania należy zastosować właściwą kompensację. W procesie stabilizacji część napięcia wyjściowego (poprzez dzielnik rezystancyjny) jest pobierana i wzmacniana we wzmacniaczu błędu, którego charakterystykę można kształtować przy pomocy zewnętrznych elementów RC, a następnie podawana na wejście komparatora PWM. Na drugie wejście komparatora jest podawany przebieg piłokształtny o amplitudzie nie przekraczającej 3 V. W wyniku komparacji uzyskiwany jest przebieg prostokątny o stałej częstotliwości, lecz o zmiennym wypełnieniu (zależnym od wielkości napięcia). Przebieg ten kluczuje tranzystor mocy. Po stronie wtórnej przetworzone napięcie przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy LC i w tym punkcie pętla sprzężenia zwrotnego zamyka się.

Pomiar rzeczywistych napięć zasilacza impulsowego

Jak wiadomo zasilacz wytwarza cztery poziomy napięć: +5 V, +12 V, -5 V, -12 V niezbędnych do pracy komputera. Napięcia niższe od 5 V (np.: 3.3 V do zasilania procesora) nie są wytwarzane bezpośrednio z zasilacza lecz wytwarzane są w wyniku przekształcenia, przez odpowiednie układy, napięcia +5 V na płycie głównej.

Do badań wykorzystywaliśmy zasilacz opisany w następujący sposób:

MODEL: PTP - 2007

INPUT: 115 V ∼ 6.0 A

230 V ∼ 3.0 A

50/60 Hz

OUTPUT: 200 W

RED : +5 V ÷20 A

YELLOW : +12 V ÷8 A

WHITE : -5 V ÷0.3 A

BLUE : -12 V ÷0.3 A

BLACK : GND

ORANGE : P.G.

W tej części ćwiczenia badaliśmy jakie są w rzeczywistości napięcia wychodzące z zasilacza. Podczas badań zasilacz był obciążony jednym napędem dysków elastycznych oraz dyskiem twardym, przy czym głównym obciążeniem był HDD. W trakcie pomiarów zebraliśmy następujące wyniki:

Napięcie przewidywane	Napięcie zmierzone
+5 V	5.19 V
+12 V	11.90 V
-5 V	-5.16 V
-12 V	-11.91 V
POWER GOOD	5.19 V

Jak widać z pomiarów napięcia zmierzone mają wartości różne od napięć przewidywanych. Przyczyn tego można upatrywać choćby w błędach pomiarowych gdyż odchylenia nie są zbyt wielkie. Nie ma to jednak zbyt dużego znaczenia dopóki napięcia mieszczą się w pewnych ramach tolerancji, gdyż każdy układ scalony ma pewną tolerancję napięcia zasilania.

Dodatkową ciekawostką jest napięcie oznaczone jako POWER GOOD. Sygnał ten powoduje restart płyty głównej po ustabilizowaniu się napięć zasilających. Jest to zatem bardzo dobre zabezpieczenie komputera, gdyż w przypadku awarii zasilacza minimalizowane jest ryzyko dalszych uszkodzeń np.: płyty głównej czy też kart rozszerzających. Dzieje się tak dlatego, iż w przypadku nieodpowiedniego napięcia POWER GOOD płyta główna nie zostanie wystartowana.

Wyznaczanie charakterystyk przejściowych zasilacza

W tej części ćwiczenia dla wykreślenia charakterystyk dokonaliśmy pomiarów napięcia wyjściowego oraz napięć wejściowych. Napięcie wejściowe było regulowane i podawane na zasilacz tak jak przedstawia to poniższy rysunek.

Rys. 2 Schemat układu pomiarowego.

Zebrane wyniki pomiarów przedstawia poniższa tabela.

Uwe	Uwy
	+5 V	+12 V	-5 V	-12 V
245	5.18	12.18	c	-12.18
220	5.18	12.18	-5.18	-12.18
200	5.18	12.12	-5.18	-12.12
180	5.18	12.06	-5.18	-12.06
160	5.18	12.00	-5.18	-12.00
140	5.18	11.99	-5.18	-11.99
130	5.17	11.89	-5.17	-11.89
120	5.17	11.14	-5.17	-11.14
100	5.17	10.21	-5.17	-10.21
80	5.14	8.10	-5.14	-8.10
75	5.05	7.35	-5.05	-7.35
60	4.4	4.00	-4.4	-4.00
50	0	1.1	0	-1.1
40	0	0	0	0
20	0	0	0	0
0	0	0	0	0

W związku z zebranymi danymi jesteśmy w stanie wykreślić charakterystyki przejściowe (czyli U_wy=f(U_we)) dla poszczególnych napięć wyjściowych. Charakterystyki te wyglądają następująco.

Wyk. 1 Charakterystyka przejściowa dla napięcia wyjściowego +5 V.

Wyk. 2 Charakterystyka przejściowa dla napięcia wyjściowego +12 V.

Wyk. 3 Charakterystyka przejściowa dla napięcia wyjściowego -5 V.

Wyk. 4 Charakterystyka przejściowa dla napięcia wyjściowego -12 V.

Analizując dane z tabeli łatwo zauważamy, iż nasz zasilacz działa jeszcze poprawnie przy około 110.. 114 V, a nawet przy 70 V dla napięcia -5 V, choć w tym przypadku jest to chyba bardziej podyktowane faktem braku obciążenia tego wyjścia w zasilaczu. Uświadamia nam to jednak fakt możliwości pracy zasilacza komputerowego, z obciążeniem w postaci podzespołów komputera, przy napięciach rzędu 130 V. Jest to jednak szkodliwe dla zasilacza gdyż nadmiernie eksploatuje niektóre z jego elementów.

Zakłócenia w zasilaczu impulsowym

Zasilacze impulsowe nie są pozbawione wad. Główne z nich to szumy synfazowe i różnicowe oraz szumy wypromieniowane przez zasilacz czyli zakłócenia radioelektryczne, nie powinny one przekroczyć wartości podanych w normach danego kraju. Innym problemem są zakłócenia występujące na poszczególnych wyjściach zasilacza. Przez przeciętnego użytkownika mogą one być bagatelizowane, gdyż ich skutków w przeciwieństwie do wcześniej wspomnianych zakłóceń nie odczuwa się na zewnątrz komputera (zakłócenia odbioru radiowego czy telewizyjnego). Pomimo tego jest to bardzo istotny typ zakłóceń i utrzymywanie ich na odpowiednio niskim poziomie warunkuje poprawność pracy wszystkich podzespołów komputera.

Podczas ćwiczenia zbadaliśmy poziom zakłóceń na wszystkich wyjściach zasilacza. Dodatkowo zaobserwowaliśmy bardzo istotny szczegół a mianowicie, wraz ze wzrostem obciążenia zasilacza poziom zakłóceń dość gwałtownie rośnie np.: w naszym przypadku, gdy cały układ startował po ponownym załączeniu i dysk twardy pobierał większy prąd.

Zdjęcie oscylogramów z przebiegów zakłóceń ze względu na ich chaotyczny charakter było niemożliwe. Jednakże w uproszczeniu charakterystyki te wyglądają następująco.

Wyk. 5 Charakterystyka przebiegu zakłóceń dla napięcia wyjściowego +5 V.

Wyk. 6 Charakterystyka przebiegu zakłóceń dla napięcia wyjściowego +12 V.

Wyk. 7 Charakterystyka przebiegu zakłóceń dla napięcia wyjściowego -5 V.

Wyk. 8 Charakterystyka przebiegu zakłóceń dla napięcia wyjściowego -12 V.

Biorąc pod uwagę fakt ustawienia czułości wejścia na poziomie 10 mV/dz zauważamy, iż amplituda zakłóceń waha się w granicach 20÷30 mV choć w przebiegu występują nawet 40 mV i większe szpilki.

Jeśli wziąć pod uwagę ustawienie podstawy czasu na wartości 10 μs/dz widzimy na oscylogramach, że okres naszych zakłóceń wynosi około 15 μs. Mając ten fakt na uwadze jesteśmy w stanie ustalić częstotliwość pracy wewnętrznego generatora.

Wnioski

Zasilacze impulsowe mogą być stosowane w sprzęcie o dużym poborze prądu i niskim stabilizowanym wyjściowym napięciu zasilającym co daje możliwość zastosowania również w komputerze. Bardzo poważną zaletą tych układów jest duża sprawność (niskie straty w zasilaczu) i stosunkowo niewielkie wymiary a co za tym idzie niewielka masa, co także nie jest bez znaczenia. Ponadto mogą być stosowane także tam, gdzie jest niezbędne zasilanie ciągłe (nieprzerywane), ponieważ w przypadku krótkotrwałego zaniku napięcia sieci zasilacze impulsowe podtrzymują napięcie wyjściowe w zakresie tolerancji.

W jednej z części ćwiczenia zdołaliśmy się przekonać o tym, że zasilacz komputerowy jest w stanie pracować poprawnie w bardzo trudnych warunkach tzn. pracuje poprawnie praktycznie przy napięciu sieci rzędu 50% napięcia znamionowego. Z tego względu gwarantuje to nam normalną pracę komputera nawet na końcach linii, gdzie napięcie posiada duże wahania i częstokroć jest niższe niż 220 V.

Dobrze zaprojektowane zasilacze impulsowe są urządzeniami niezawodnymi o bardzo małej awaryjności, przystosowanymi do stosunkowo trudnych jak na sprzęt elektroniczny warunków klimatycznych.

Ponadto poznaliśmy praktyczny rozkład napięć we wtyczkach zasilających płytę główną. Rozkład ten przedstawia poniższy rysunek.

Rys. 3 Rozkład napięć wtyczek zasilających płytę główną.

Jest to sprawa istotna, gdyż niewłaściwe podłączenie może spowodować uszkodzenie płyty głównej.

Kolejny wniosek jaki się nasuwa to fakt o którym należy pamiętać aby nie włączać do sieci nieobciążonego zasilacza impulsowego, wprawdzie powinien mieć odpowiednie zabezpieczenia, jednak i w takim przypadku istnieje możliwość jego uszkodzenia.

---