Igazságok és félreértések a tápegység körül

Sok felhasználó tízezreket, sőt százezreket költ egy nagyszerű számítógép megépítésére. Megveszik a leggyorsabb processzort, a legnagyobb merevlemezt, a felső kategóriás videokártyát, de spórolnak, amikor tápegységet kell választani.
2005.07.29 11:15, Forrás: boltbazis.hu

Pedig az alkatrészek sérülésével járhat, ha a tápegység nem képes tiszta áramot és stabil feszültséget biztosítani.

A jó minőségű és helyesen megválasztott méretű tápegység elengedhetetlen a teljes rendszer stabilitása és hosszú élete érdekében. Napjaink hardvereinek pontos feszültség és áram igénye folyamatosan növekszik. Megéri egy nagyobb kapacitású tápegységet vásárolni most, hogy a jövőbeni hardver frissítés ne igényelje a tápegység cseréjét is.

A tápátalakítás alapjai

Napjainkban három fő típusa van az elektromos tápátalakításnak: AC/DC tápegység, DC/DC konverter, DC/AC inverter.

A tipikus számítógép tápegység az első kategóriába esik, AC (váltóáram) feszültséget alakít át DC (egyenáram) feszültséggé, vagyis ahogy a neve is mutatja, energiát szolgáltat.

Egy tápegység a következő funkciókat nyújtja:

1. Egyenirányítás: a bejövő váltóáramú feszültséget egyenáramú feszültséggé alakítja.

2. Feszültség átalakítás: a megfelelő egyenáramú feszültség szintet biztosítja.

3. Szűrés: az egyenirányított feszültségben kisimítja a hullámokat.

4. Szabályozás: a kimenő feszültség szintet egy állandó értéken tartja függetlenül a vonal,
terhelés és hőmérséklet változásoktól.

5. Elszigetelés: elektromosan elválasztja a kimenő feszültség forrást a bejövő forrástól.

6. Védelem: véd a túlfeszültség ellen, visszaveszi az energiát vagy leáll áramkimaradás esetén.

Egy ideális tápegység úgy jellemezhető, hogy tiszta és állandó kimeneti feszültséget szolgáltat függetlenül a bemeneti feszültség, áramterhelés vagy hőmérséklet változásoktól, 100% átalakítási hatékonysággal.

A váltóáram egyenárammá alakítása különböző módokon történhet. Az egyik módszer a lineáris tápszolgáltatás, ami egy nagyon egyszerű, de hatékony folyamat a tápátalakításra.

Egy lineáris tápegység fogja a bejövő váltóáramot és lecsökkenti az értékét egy transzformeren (átalakítón) keresztül (pl. 120V AC 48V AC-ra csökken). Ezután a 48V AC egyenirányítódik egy teljes-hullámú egyenirányítón keresztül. Az egyenirányító tulajdonképpen 4 dióda híd elrendezésben. Végül egy szűrő kondenzátor segít az állandó egyenáram szint fenntartásában.

A kimeneti feszültséget egy tranzisztor szabályozza ebben a lineáris rendszerben, ez egy változó ellenállásként működik a terhelés függvényében. A tranzisztor az irányítási képességét egy áramkörtől kapja, amely érzékeli a kimeneti feszültséget. Az irányító áramkör módosítja a tranzisztor eltérését az állandó kimeneti feszültségérték fenntartásához, függetlenül az áram változásától.

Ennek a kialakításnak a legnagyobb hátránya a hatékonyság, ami nem a tápátalakítást jelenti, hanem a fizikai méretet. Először is, egy nagy átalakítóra van szükség a bejövő AC feszültség csökkentéséhez, hozzáadva a jelentős súlyt is. Másodszor, a tranzisztor (mivel ellenállásként működik) elég nagy mennyiségű energiát herdál el (ami hővé alakul).

A modern tápegységek a kapcsolós tápszolgáltatással (switching power supply) működnek. Mivel a folyamat sokkal összetetebb, sokkal nagyobb hatékonyságot és energia sűrűséget biztosít. Ez a mód az átlagos feszültséget egy kapcsoló segítségével irányítja, ami gyors tempóban nyílik és csukódik, az ismertebb neve a PWM (Pulse Width Modulation).

A pulzálás olyan gyors (kHz értékben) és a kondenzátor segít ezt fenntartani, így a terhelésben nem lehet észrevenni a ki- és bekapcsolásokat, a terhelés ugyanazt az állandó feszültség értéket mutatja. Minél nagyobb a pulzálások közötti idő, annál magasabb a kimenő átlagos feszültség, és fordítva.

Dióhéjban, a tápegység veszi a bejövő váltóáramot (általában 120V vagy 220V), és egyenirányítja (egy nagy feszültség / alacsony áram egyenirányítón keresztül), szűri (az AC vonali zajok eltávolítása), és itt lép be az opcionális PFC (power factor correction) áramkör. Egy pár nagy kondenzátor biztosítja a hullámok simítását, mielőtt egy tranzisztor kapcsolná a feszültséget (ez általában a MOSFET - metal-oxide semiconductor field-effect transistor). A MOSFET az átalakító első oldalához csatlakozik és ki-bekapcsolóként szolgál.

Az energia az átalakító másik oldalán jön ki, ahol a teljes hullámú egyenirányítóval a megfelelő egyenáram szintre kerül. Egy visszacsatolás érkezik ilyenkor az átalakító első oldalához, ami a PWM áramkör bemenete. A PWM áramkör módosítja az időtartamot, ahogy a MOSFET ki- és bekapcsol, így fenntartva a kimeneti szabályozást.

A kapcsolási frekvencia az ilyen tápegységeknél általában 30kHz és 150kHz közötti érték, de ennél magasabb is lehet. A lineáris tápegységek esetében a frekvencia a bemeneti frekvenciával egyenlő, vagyis 50/60Hz körüli érték.

A kétféle tápegységet összehasonlítva a következőket látjuk:

Lineáris tápegység:

- nagy átalakítókra van szükség, a tápegység általában nehéz,
- mivel az átalakító lineárisan működik, és a teljes kimenő áram keresztül folyik rajta, ezért nagy hűtőkre van szükség az energiavesztés csökkentésére,
- a tápegység hatékonysága 50% körüli.

Kapcsolós tápegység:

- nagyobb előállítási költségek a lineáris tápegységgel szemben,
- könnyebb és kisebb a lineáris társánál,
- 70-80% körüli hatékonysággal működik.

A számítógépes tápegységek a kapcsolós tápegységek közé tartoznak, bár a kialakításuk sokkal komplikáltabb, mint ahogy fentebb egyszerűsítve bemutattuk.
Egy számítógép többféle feszültséget igényel, amelyek egy értékhatáron belül mozoghatnak (általában 5%) a helyes működéshez. Ezek a feszültségek a 3,3V, 5V, 12V, -12V, és 5Vsb (stand-by). A terhelés (és az áram) mindegyik értéknél véletlenszerűen és függetlenül változik.

A tápegységeknél leginkább a 12V használatos az olyan alkatrészeknél, mint a processzor, videokártya, merevlemezek, stb, míg a 3,3V a memória és PCI kártya számára fontos. Az 5V szükségessége egyre jobban háttérbe szorul a másik kettő mögött, bár néhány komponens még használja (pl. az USB és néhány beépített chip).

A tápegységnek van egy maximális kapacitása, ami alapján osztályozhatók, ezt Wattban mérik (pl. 350W, 400W, stb.).

Teljesítmény faktor (power factor)

A váltóáramot az áramszolgáltatótól kapjuk, a legáltalánosabb formátuma a szinusz hullám. A feszültség a pozitív és negatív között mozog újra és újra másodpercenként. Itt jön szóba a Hz mértékegység, ez a másodpercenkénti ciklusok száma. Hogy tudjuk hol tartunk egy szinusz hullámban egy cikluson belül, erre fok mértékegységet használunk. Egy teljes ciklus 360 fok, egy fél 180 fok és egy negyed 90 fok.

A "fázis szög" kifejezés arra a szögre utal, amennyivel a feszültség szinusz görbéje megelőzi vagy késik az áram szinusz görbéjéhez képest.

A jelenlegi eszközök egyre összetettebbek, amiket a konnektorba dugunk, és vagy kapacitív (ellenálló) vagy induktív (áramfejlesztő) eszközök, ezeket a terheléseket együtt meddő terhelésnek nevezzük. Az áram a meddő terhelésből nem követi a feszültséget, azaz nincsenek szinkronban. Leegyszerűsítve, minél kevésbé van szinkronban az áram a feszültséggel, annál rosszabb a teljesítmény faktor, és annál több látható energiára van szükség.

Valódi teljesítmény (actual power):

- valós teljesítményként is ismert,
- ezt használják az eszközök,
- Wattban jelölik.

Meddő teljesítmény (reactive power):

- fantom teljesítménynek is nevezik,
- ez az energia elnyelődik és visszakerül (nem kerül felhasználásra),
- VAR értékben mérik (Volt-Amper-Reactive).

Látható teljesítmény (apparent power):

- totál teljesítményként is ismert,
- a valódi és a meddő teljesítmény összege,
- VA értékben mérik (Volt-Amper).

Teljesítmény faktor (power factor):

- a valódi teljesítmény osztva a látható teljesítménnyel,
- 0 és 1 közötti tizedes értékben mérik,
- nincs mértékegysége.

Ha a teljesítmény faktor értéke 1, akkor a teljesítmény tökéletes, mivel nincs meddő energia. Ha az érték 1 alatti szám, az azt jelenti, hogy a vezeték több áramot szállít, mint amennyire valójában szükség van.

A rossz teljesítmény faktor aktív vagy passzív módon korrigálható, ez a PFC (Power Factor Correction). A passzív megoldás esetében, ha egy készülék nagyon sok áramot fejleszt a meddő teljesítmény egy ellenállás beiktatásával csökkentik. Ez egyszerűen hangzik, de az eszköz összetettségétől függően nem működik elég hatékonyan, vagy mint ahogy szeretnék.

Az aktív PFC egy második kapcsoló áramkörként működik, amelyet az első kapcsoló áramkör elé helyeznek a tápegységben. Ez ellenállás beiktatása nélkül kapcsolja az energiát és sokkal állandóbb szolgáltatást nyújt az első kapcsoló áramkörnek, mint ami normálisan egy PFC nélküli tápegységnél történik.

Egy PFC nélküli tápegység teljesítmény faktora 0,6-0,7 közötti érték átlagos terhelés mellett. Passzív PFC esetében ez az érték 0,75-0,85 között van, míg az aktív PFC elérheti a 0,98 értéket is.

Ezek szerint egy aktív PFC-vel ellátott tápegység hatékonyabb? Nem! Technikailag ez egy második áramkör, aminek szintén energiára van szüksége a működéshez, ezáltal a tápegység kevésbé hatékonynak számít. Bár ez a mennyiség relatív nagyon kicsi, ezért az aktív PFC előnye ellensúlyozza a rossz tulajdonságát. De a teljesítmény faktor és a hatékonyság két teljesen eltérő dolog.

Szünetmentes tápegység (Uninterruptible Power Supplies - UPS)

A szünetmentes tápegységek teljesítményét tipikusan Volt-Amperben mérik, de van maximális Watt értékük is. Egy APC SU1000XL táp maximális értékei az 1000VA és 670Watt, egyik érték sem kiterjeszthető. Az iparági szabvány az, hogy a Watt érték a VA érték 60%-a, mivel ez a számítógépes tápegységek átlagos teljesítmény faktora.

Egyszerű leírásban az UPS nem más, mint egy DC-AC átalakító, ami nagy újratölthető elemeket használ áramforrásként, ha áramszünet van. Az elemek futásideje az UPS kapacitásától és terheltségétől függ. Minél rosszabb az eszközök teljesítmény faktora, annál kevesebb eszköz köthető a szünetmentesre. Egy aktív PFC-vel rendlekező tápegység segít maximálni az UPS használatát.

A tápegység hatékonysága

A hatékonyság a bemenő változó áram és a kimenő egyenáram hányadosa. Mindkét szám mértékegysége a Watt. Minden, ami 100%-nál alacsonyabb hatékonyságú, hővé oszlik el. A valóságban nincsen 100% hatékonyságú tápegység.

Ha egy tápegységbe 450W váltóáram jut be és 400W egyenáram jön ki, a hatékonyság a kettő hányadosa, vagyis 89%. 50W hővé alakul, amit nem hasznosítunk, de szintén kifizetünk. Vagyis egy olcsóbb tápegység a pénztárcánknak ugyan jó, de hosszú távon a többszörösét is kifizethetjük egy drágább, de jobb hatékonysági értékkel rendelkező tápegységgel szemben.
A mai modern tápok hatékonysága 75% körüli átlagos terhelés esetén, és 85% körüli értéket is elérhet csendes működés alatt. Minél nagyobb a hatékonysági fok, annál kevesebb hő termelődik, kevesebb hűtésre van szükség, és ez lényeges a csendes tápegység szempontjából.

Működési környezet

A tápegységeknek különböző környezeti hatások alatt kell működniük, amik nem mindig optimálisak. A meleg a tápegység legfőbb ellensége, a táp mindegyik alkatrésze egy meghatározott hőmérséklet alatt képes működni. Ahogy a hőmérséklet nő, a kapacitás csökken, és rosszabb hatékonysággal működik, sőt az alkatrészek tönkre is mehetnek. Sokan nem is gondolnak arra, hogy a számítógépház belső hőmérsékletétől függően a tápegység képtelen teljes kapacitáson működni.

A modern tápegységek általában még 50 C fokot is elbírnak teljes terhelés mellett. Az olcsóbb, gyengébb minőségű tápegységeknél ez az érték ennél alacsonyabb, ilyenkor a megoldás a ház jobb hűtése, vagy a terhelés csökkentése, vagy egy jobb minőségű tápegység vásárlása.

A tápegység súlya

Néhányan úgy gondolják, hogy a nehezebb tápegység jobb is. De ez nem teljesen igaz. A tápegységekben a külső burkolat adja a legtöbb súlyt, hiszen a belső alkatrészek (ellenállás, átalakító, vezetékek stb.) nagyon könnyűek, a súlyuk nem számottevő.

Az alkatrészek anyagának a minőség szempontjából van jelentősége. Általában elmondható, hogy az olcsóbb alkatrészek olcsóbb hatékonyságot biztosítanak, több hőt termelnek, és nagyobb hűtést igényelnek. Ahol a gyártók pénzt spórolnak, az a vékonyabb kaliberű kábel (a nagyobb szám vékonyabb méretet takar). 16 AWG az általános a 24-tűs tápcsatlakozónál, és 18 AWG a periféria kábeleknél.

A csatlakozók lehetnek aranyozott végűek vagy ónozottak. Az aranyozott csatlakozók nem találhatók meg az olcsóbb tápegységeknél, hiszen plusz pénzbe kerülnek. De ez csak saját döntés, hogy ki milyet választ.

print cikk nyomtatása
comment Szólj hozzá!
Belépés és regisztráció
Amennyiben a Könyjelző eszköztárába szeretné felvenni az oldalt, akkor a hozzáadásnál a Könyvjelző eszköztár mappát válassza ki. A Könyvjelző eszköztárat a Nézet / Eszköztárak / Könyvjelző eszköztár menüpontban kapcsolhatja be.