Specifikace zdrojů ATX12V
3.5.2004, Eagle , článek
Podle statistik EPA se počítače v USA podílejí na celkové spotřebě elektrické energie 20 %. Kdejaká pračka se spotřebou 0.8 až 2 kWh na jedno praní spuštěná 2x týdně se může krčit v rohu. Spotřeba komponent roste, čím se tedy mají vlastně pohánět?
Kapitoly článku:
Tolerance napětí
Velice důležitou položkou určující kvalitu zdroje je kolísání napětí. Zdroj by měl být "tvrdý", tj. různá zatížení by ho neměla příliš vyvádět z míry a napětí by se mělo držet v toleranci dané specifikací:
Všechny větve vyjma -5V a -12V vyžadují toleranci +/- 5 procent. V tabulce jsou uvedené minimální a maximální hodnoty napětí na jednotlivých větvích. Komponenty počítače jsou konstruovány vzhledem k těmto tolerancím a jejich překročení tak vede k nespolehlivosti systému či dokonce k poškození komponent. Obzvláště náchylné na poškození jsou pevné disky.
Pozn.: U napětí +12V je při plném vytížení dovolena tolerance +/- 10 procent. Takové rozpětí ale nemusí některé komponenty snášet, například pevné disky IBM řady 180GXP mají toleranci +10 procent a -8 procent. Jiné disky mají toleranci oběma směry 8 procent atp.
Konkrétní hodnoty poskytované zdrojem se liší v závislosti na nastavení zdroje a na použité sestavě. Napětí se v továrně seřídí podle očekávaného odběru - jednoduše řečeno při různých odběrech je napětí trochu jiné a výrobce volí v továrně ideál (pozn.: některé zdroje jako např. Antec TrueControl umožňují napětí dolaďovat například přes čelní panel nebo uvnitř zdroje). Protože každá sestava je trochu jiná, bude jeden konkrétní kus zdroje na každé sestavě poskytovat trochu jiné napětí. To není na závadu do okamžiku, kdy se napětí vejdou do tolerance (ideálně +/- 2 až 3 procenta) a kdy zdroj je schopen napětí "držet" při různých zatíženích.
Mám například změřeno, že zdroje Enermax jsou vynikající pro sestavy s Pentiem 4, kde vysoký odběr z 12V větve těmto zdrojům vysloveně sedí. Když jsem měřil napětí na tomto zdroji v kombinaci s vysoce odběrovým typem Pentia 4, napětí se na všech větvích drželo v toleranci +/- dvě procenta (u 12V větve dokonce jedno procento - 11.99V až 12.10V), což je vynikající hodnota. Naopak na sestavách s AMD jsem zaznamenal úspěchy se zdroji Fortron. Ty nemají extra silné 12V větve, ale naopak proti Enermaxům mají silnější větve 3.3V a 5V. Takže zatímco Enermax drží napětí na 12V větvi na AMD systémech na 12.2V až 12.3V, Fortron se drží blíže standardu 12V. Vhodnost zdroje pro určitý systém je proto poměrně individuální záležitost podle typu (a někdy i kusu).
Jak poznat, že zdroj zatížení nezvládá
Že zdroj již neodpovídá požadavkům, se dá poznat snadno i obtížně. Záleží na tom, jaké máte vybavení. Perfektní je osciloskop, což je v podstatě vysokofrekvenční voltmetr umožňující měřit i maličké odchylky. S tímto lze otestovat zdroj na opravdu solidní úrovni. Jenže bohužel osciloskop je zařízení v ceně tisíců až desetitisíců Kč. Pro běžného uživatele je nejlepším dostupným řešením kombinace voltmetru a sledování chování systému.
Voltmetr je dnes běžně součástí digitálních multimetrů, které lze sehnat i za pár stokorun. Na multimetru pak stačí nastavit měření stejnosměrného napětí do 20V a zastrčit jeden kolíček v konektoru Peripheral Power do napětí a druhý do země (COM). Pak už jen sledujte, zda je napětí v toleranci +/- 5 procent oproti ideálu a zda se nehýbe. Jakmile napětí není v toleranci (i to se stává, především u "výkonných" zdrojů v cenové kategorii pod 1000 Kč), je třeba zdroj okamžitě vyměnit. Co se týče hýbání napětí, platí zásada, že pokud počítač dělá jednu činnost (je v době měření trvale nevytížen nebo naopak maximálně vytížen), napětí se hýbat nemá. Jediné hýbání přichází v úvahu v okamžiku změny vytížení - například procesor počítal a nyní již výpočet dokončil. Tato změna by se měla projevit tak, že při nevytížení by měly být napětí o maličko vyšší než při vytížení. Pokud se děje něco jiného, je třeba popřemýšlet o tom, zda zdroj dobře plní svojí funkci.
Pozn.: Přímo vzorovým příkladem přetížení je situace, kdy při zatížení klesá jedna napěťová větev a jiná naopak stoupá. Takovým stavem si přímo koledujete o odpálení zdroje a k němu připojených komponent.
Pokud nemáte ani multimetr, nezbude než pozorovat systém. Čidlům měřícím napětí na základní desce se nedá vůbec věřit, jediné spolehlivé měření je napětí přiváděné procesoru - to však nemá se zdrojem nic společného. V ostatních případech se mohou hodnoty významně lišit, např. mně ukazuje deska napětí 11.87V, přičemž v reálu je to kolem 12.3V. To je pořádný rozdíl! Naštěstí opravdu vážné nedostatky v napájení lze poznat i tak, že systém se chová podivně. Typickými indikátory jsou:
1. Systém náhodně zamrzává, obzvláště při hraní her.
2. Zapnutí softwarového chlazení u Athlonu XP vede k nestabilitě, přičemž systém neobsahuje jinak problémové komponenty.
3. Disky se v průběhu činnosti občas samovolně restartují - vydávaný zvuk je stejný jako v případě zapnutí počítače.
4. Procesor nelze přetaktovat nebo jen velmi málo, méně než je pro tento kus obvyklé.
Z uvedených je hodně častá varianta číslo 3.
Power Factor Correction - PFC
Oprava: V původním článku došlo k chybě v popisu PFC (zaviněné mojí neznalostí, za což se omlouvám). Miroslav Krejčí z FEL ČVUT mi poslal správné vysvětlení funkce PFC:
Účinnost = poměr činného výkonu vstupujícího do zdroje z rozvodné sítě (Pin) a činného výkonu vystupujícího ze zdroje do PC (Pout). Rozdíl (Pin-Pout) jsou ztráty ve zdroji. Ztráty vznikají na každé součástce, kterou prochází elektrický proud a část výkonu je v této součástce přeměněna na teplo (na kondenzátorech jsou ztráty malé, na diodách a tranzistorech relativně velké).
Účiník λ=P/S je číslo mezi 0-1 (P-činný výkon, S-zdánlivý výkon), které říká, jak moc se blíží daný průběh sinusovce (sinusový proud ve fázi s napětím má λ=1).
Praktický vliv účiníku je následující: V PC je zdroj bez PFC 350W, ze kterého odebíráme 300W (P=300W) s účiníkem 0,6. Z toho určíme, že zdánlivý výkon S = 300/0,6=500 VA, takže tento počítač se z hlediska rozvodů chová jako 500W zátěž (jistič je zatížen proudem odpovídajícím 2,2 A, nikoliv skutečně odebíraným 1,3A). V tomto případě pro zjednodušení neuvažujeme ztráty ve zdroji, které se musí k výslednému odběru ještě přičíst.
Další praktický vliv je u záložních zdrojů. Taková 620VA UPS neumí dodat do PC 620W, ale 620VA s účiníkem kolem 0,6, což odpovídá cca 370W činného výkonu. Z toho vidíme, že pro zálohování PC se zdrojem 350W je taková 620VA UPS vlastně nedostačující pokud by komponenty v PC odebíraly 350W + cca 50W ztráty ve zdroji (v praxi to ale postačuje, protože takové PC má střední odběr do 200W a krátkodobé přetížení v řádu desetin vteřiny UPS nevadí).
PFC = Power factor correction (korekce účiníku)
Power factor λ=P/S je číslo mezi 0-1, jednička je to v případě odběru sinusového proudu ve fázi s napětím. Zdroje bez PFC mají λ přibližně 0,6, zdroje s aktivním PFC mohou dosáhnout téměř 1.
S2=P2+Q2+D2 … tento vzorec říká, že kvadrát zdánlivého výkonu (S) je roven součtu kvadrátů činného (P), jalového (Q) a deformačního (D) výkonu.
P – tento výkon je přeměněn na teplo a mechanickou energii (je měřen elektroměrem)
Q – je způsoben fázovým posunutím napětí a proudu (v našem případě zanedbatelný)
D – je způsoben odebíráním proudu nesinusového průběhu (to korigujeme zavedením PFC)
Jednoduše řečeno PFC se snaží docílit toho, aby zdroj odebíral proud blížící se co nejvíce sinusovce ve fázi s napětím. Běžný zdroj (bez PFC) odebírá proudové špičky (viz grafy), přidáním PFC do takového zdroje se tyto špičky sníží a zároveň se prodlouží doba odběru proudu (abychom odebrali stejný výkon). Z pohledu komponent v PC žádný rozdíl není, ale z hlediska elektrické sítě je rozdíl znatelný. Nedochází k deformaci (přesněji řečeno, dochází k menší deformaci) sinusového napětí sítě a s tím souvisí, že takový zdroj způsobuje menší rušení rozvodné sítě.
Pasivní PFC je vlastně jen přidání tlumivky na vstup zdroje. Výsledkem je sice stále pulsní proud, ale „více se podobá sinusovce“. Nejjednodušší aktivní PFC je tvořeno cívkou a řízeným tranzistorem, čímž se dá dosáhnout prakticky „čistě“ sinusový odběr proudu (nevýhodou ale je větší rušení v oblasti vysokých frekvencí).
Důvod, proč mají v ČR od roku 2001 prakticky všechny na trh nově uvedené zdroje PFC, je ten, aby splňovaly od roku 2001 platné normy EMC (elektromagnetické kompatibility). Zdroj bez PFC způsobuje významné rušení rozvodné sítě, které se použitím PFC znatelně snižuje. (implementace PFC do zdroje není povinná, ale normy EMC jsou tak přísné, že použití PFC je nejvýhodnější způsob jak tyto normy splnit)
Připojením ATX zdroje do elektrické sítě (ne zapnutím PC !) vznikne velký proudový puls (způsobený nabíjením kondenzátoru), který může dosáhnout bez problémů 30-40A. Stejně se chová i monitor, takže při současném připojení do sítě se sečtou dva takové pulsy (výsledkem může být vypadnutí jističe, což se stává zejména při zapínání většího množství PC nebo při používání nevhodného jističe).
klikněte pro zvětšení
Vysokofrekvenční zvuk ve zdroji zřejmě nepochází z pasivního PFC, spíše ho způsobuje transformátor ve zdroji (případně střídač, který vytváří vysokofrekvenční průběh). Transformátory ve zdroji pracují v ultrazvukových frekvencích (cca 20-100 kHz), což jsou neslyšitelné frekvence. Pískavý slyšitelný tón vzniká mechanickým kmitáním některé součástky, nejčastěji to bývá špatně zalitá tlumivka. Případně by mohl pocházet z aktivního PFC, ale tam tranzistor pracuje také v ultrazvukové oblasti 20-100kHz, takže pokud je v takovém zdroji vše v pořádku, nikdo nic neuslyší.
Ripple - zvlnění
Zvlnění je důležitý faktor pro stabilitu. Jedná se o maličké výkyvy výstupního napětí, které nelze zachytit na voltmetru, ale pouze na osciloskopu. Malé zvlnění je důležité z toho důvodu, aby zařízení připojená ke zdroji pracovala v jednom rytmu. Velké výkyvy by například znamenaly výkyvy v napětí procesoru.
Specifikace jsou v případě zvlnění poměrně náročné, mnoho zdrojů jim nevyhoví. A to často ani jinak velmi dobré zdroje. Například v testu na serveru Anandtech zjistili, že zdroj ThermalTake je na hraně specifikací a (předražený) Vantec jí dokonce nesplňuje.
Bohužel testů zdrojů, kde by se zabývali zvlněním, je poskrovnu. Pro uživatele tak není zrovna jednoduché zjistit, který zdroj vyhoví náročným podmínkám.
Velice důležitou položkou určující kvalitu zdroje je kolísání napětí. Zdroj by měl být "tvrdý", tj. různá zatížení by ho neměla příliš vyvádět z míry a napětí by se mělo držet v toleranci dané specifikací:
Všechny větve vyjma -5V a -12V vyžadují toleranci +/- 5 procent. V tabulce jsou uvedené minimální a maximální hodnoty napětí na jednotlivých větvích. Komponenty počítače jsou konstruovány vzhledem k těmto tolerancím a jejich překročení tak vede k nespolehlivosti systému či dokonce k poškození komponent. Obzvláště náchylné na poškození jsou pevné disky.
Pozn.: U napětí +12V je při plném vytížení dovolena tolerance +/- 10 procent. Takové rozpětí ale nemusí některé komponenty snášet, například pevné disky IBM řady 180GXP mají toleranci +10 procent a -8 procent. Jiné disky mají toleranci oběma směry 8 procent atp.
Konkrétní hodnoty poskytované zdrojem se liší v závislosti na nastavení zdroje a na použité sestavě. Napětí se v továrně seřídí podle očekávaného odběru - jednoduše řečeno při různých odběrech je napětí trochu jiné a výrobce volí v továrně ideál (pozn.: některé zdroje jako např. Antec TrueControl umožňují napětí dolaďovat například přes čelní panel nebo uvnitř zdroje). Protože každá sestava je trochu jiná, bude jeden konkrétní kus zdroje na každé sestavě poskytovat trochu jiné napětí. To není na závadu do okamžiku, kdy se napětí vejdou do tolerance (ideálně +/- 2 až 3 procenta) a kdy zdroj je schopen napětí "držet" při různých zatíženích.
Mám například změřeno, že zdroje Enermax jsou vynikající pro sestavy s Pentiem 4, kde vysoký odběr z 12V větve těmto zdrojům vysloveně sedí. Když jsem měřil napětí na tomto zdroji v kombinaci s vysoce odběrovým typem Pentia 4, napětí se na všech větvích drželo v toleranci +/- dvě procenta (u 12V větve dokonce jedno procento - 11.99V až 12.10V), což je vynikající hodnota. Naopak na sestavách s AMD jsem zaznamenal úspěchy se zdroji Fortron. Ty nemají extra silné 12V větve, ale naopak proti Enermaxům mají silnější větve 3.3V a 5V. Takže zatímco Enermax drží napětí na 12V větvi na AMD systémech na 12.2V až 12.3V, Fortron se drží blíže standardu 12V. Vhodnost zdroje pro určitý systém je proto poměrně individuální záležitost podle typu (a někdy i kusu).
Jak poznat, že zdroj zatížení nezvládá
Že zdroj již neodpovídá požadavkům, se dá poznat snadno i obtížně. Záleží na tom, jaké máte vybavení. Perfektní je osciloskop, což je v podstatě vysokofrekvenční voltmetr umožňující měřit i maličké odchylky. S tímto lze otestovat zdroj na opravdu solidní úrovni. Jenže bohužel osciloskop je zařízení v ceně tisíců až desetitisíců Kč. Pro běžného uživatele je nejlepším dostupným řešením kombinace voltmetru a sledování chování systému.
Voltmetr je dnes běžně součástí digitálních multimetrů, které lze sehnat i za pár stokorun. Na multimetru pak stačí nastavit měření stejnosměrného napětí do 20V a zastrčit jeden kolíček v konektoru Peripheral Power do napětí a druhý do země (COM). Pak už jen sledujte, zda je napětí v toleranci +/- 5 procent oproti ideálu a zda se nehýbe. Jakmile napětí není v toleranci (i to se stává, především u "výkonných" zdrojů v cenové kategorii pod 1000 Kč), je třeba zdroj okamžitě vyměnit. Co se týče hýbání napětí, platí zásada, že pokud počítač dělá jednu činnost (je v době měření trvale nevytížen nebo naopak maximálně vytížen), napětí se hýbat nemá. Jediné hýbání přichází v úvahu v okamžiku změny vytížení - například procesor počítal a nyní již výpočet dokončil. Tato změna by se měla projevit tak, že při nevytížení by měly být napětí o maličko vyšší než při vytížení. Pokud se děje něco jiného, je třeba popřemýšlet o tom, zda zdroj dobře plní svojí funkci.
Pozn.: Přímo vzorovým příkladem přetížení je situace, kdy při zatížení klesá jedna napěťová větev a jiná naopak stoupá. Takovým stavem si přímo koledujete o odpálení zdroje a k němu připojených komponent.
Pokud nemáte ani multimetr, nezbude než pozorovat systém. Čidlům měřícím napětí na základní desce se nedá vůbec věřit, jediné spolehlivé měření je napětí přiváděné procesoru - to však nemá se zdrojem nic společného. V ostatních případech se mohou hodnoty významně lišit, např. mně ukazuje deska napětí 11.87V, přičemž v reálu je to kolem 12.3V. To je pořádný rozdíl! Naštěstí opravdu vážné nedostatky v napájení lze poznat i tak, že systém se chová podivně. Typickými indikátory jsou:
1. Systém náhodně zamrzává, obzvláště při hraní her.
2. Zapnutí softwarového chlazení u Athlonu XP vede k nestabilitě, přičemž systém neobsahuje jinak problémové komponenty.
3. Disky se v průběhu činnosti občas samovolně restartují - vydávaný zvuk je stejný jako v případě zapnutí počítače.
4. Procesor nelze přetaktovat nebo jen velmi málo, méně než je pro tento kus obvyklé.
Z uvedených je hodně častá varianta číslo 3.
Power Factor Correction - PFC
Oprava: V původním článku došlo k chybě v popisu PFC (zaviněné mojí neznalostí, za což se omlouvám). Miroslav Krejčí z FEL ČVUT mi poslal správné vysvětlení funkce PFC:
Účinnost = poměr činného výkonu vstupujícího do zdroje z rozvodné sítě (Pin) a činného výkonu vystupujícího ze zdroje do PC (Pout). Rozdíl (Pin-Pout) jsou ztráty ve zdroji. Ztráty vznikají na každé součástce, kterou prochází elektrický proud a část výkonu je v této součástce přeměněna na teplo (na kondenzátorech jsou ztráty malé, na diodách a tranzistorech relativně velké).
Účiník λ=P/S je číslo mezi 0-1 (P-činný výkon, S-zdánlivý výkon), které říká, jak moc se blíží daný průběh sinusovce (sinusový proud ve fázi s napětím má λ=1).
Praktický vliv účiníku je následující: V PC je zdroj bez PFC 350W, ze kterého odebíráme 300W (P=300W) s účiníkem 0,6. Z toho určíme, že zdánlivý výkon S = 300/0,6=500 VA, takže tento počítač se z hlediska rozvodů chová jako 500W zátěž (jistič je zatížen proudem odpovídajícím 2,2 A, nikoliv skutečně odebíraným 1,3A). V tomto případě pro zjednodušení neuvažujeme ztráty ve zdroji, které se musí k výslednému odběru ještě přičíst.
Další praktický vliv je u záložních zdrojů. Taková 620VA UPS neumí dodat do PC 620W, ale 620VA s účiníkem kolem 0,6, což odpovídá cca 370W činného výkonu. Z toho vidíme, že pro zálohování PC se zdrojem 350W je taková 620VA UPS vlastně nedostačující pokud by komponenty v PC odebíraly 350W + cca 50W ztráty ve zdroji (v praxi to ale postačuje, protože takové PC má střední odběr do 200W a krátkodobé přetížení v řádu desetin vteřiny UPS nevadí).
PFC = Power factor correction (korekce účiníku)
Power factor λ=P/S je číslo mezi 0-1, jednička je to v případě odběru sinusového proudu ve fázi s napětím. Zdroje bez PFC mají λ přibližně 0,6, zdroje s aktivním PFC mohou dosáhnout téměř 1.
S2=P2+Q2+D2 … tento vzorec říká, že kvadrát zdánlivého výkonu (S) je roven součtu kvadrátů činného (P), jalového (Q) a deformačního (D) výkonu.
P – tento výkon je přeměněn na teplo a mechanickou energii (je měřen elektroměrem)
Q – je způsoben fázovým posunutím napětí a proudu (v našem případě zanedbatelný)
D – je způsoben odebíráním proudu nesinusového průběhu (to korigujeme zavedením PFC)
Jednoduše řečeno PFC se snaží docílit toho, aby zdroj odebíral proud blížící se co nejvíce sinusovce ve fázi s napětím. Běžný zdroj (bez PFC) odebírá proudové špičky (viz grafy), přidáním PFC do takového zdroje se tyto špičky sníží a zároveň se prodlouží doba odběru proudu (abychom odebrali stejný výkon). Z pohledu komponent v PC žádný rozdíl není, ale z hlediska elektrické sítě je rozdíl znatelný. Nedochází k deformaci (přesněji řečeno, dochází k menší deformaci) sinusového napětí sítě a s tím souvisí, že takový zdroj způsobuje menší rušení rozvodné sítě.
Pasivní PFC je vlastně jen přidání tlumivky na vstup zdroje. Výsledkem je sice stále pulsní proud, ale „více se podobá sinusovce“. Nejjednodušší aktivní PFC je tvořeno cívkou a řízeným tranzistorem, čímž se dá dosáhnout prakticky „čistě“ sinusový odběr proudu (nevýhodou ale je větší rušení v oblasti vysokých frekvencí).
Důvod, proč mají v ČR od roku 2001 prakticky všechny na trh nově uvedené zdroje PFC, je ten, aby splňovaly od roku 2001 platné normy EMC (elektromagnetické kompatibility). Zdroj bez PFC způsobuje významné rušení rozvodné sítě, které se použitím PFC znatelně snižuje. (implementace PFC do zdroje není povinná, ale normy EMC jsou tak přísné, že použití PFC je nejvýhodnější způsob jak tyto normy splnit)
Připojením ATX zdroje do elektrické sítě (ne zapnutím PC !) vznikne velký proudový puls (způsobený nabíjením kondenzátoru), který může dosáhnout bez problémů 30-40A. Stejně se chová i monitor, takže při současném připojení do sítě se sečtou dva takové pulsy (výsledkem může být vypadnutí jističe, což se stává zejména při zapínání většího množství PC nebo při používání nevhodného jističe).
klikněte pro zvětšení
Vysokofrekvenční zvuk ve zdroji zřejmě nepochází z pasivního PFC, spíše ho způsobuje transformátor ve zdroji (případně střídač, který vytváří vysokofrekvenční průběh). Transformátory ve zdroji pracují v ultrazvukových frekvencích (cca 20-100 kHz), což jsou neslyšitelné frekvence. Pískavý slyšitelný tón vzniká mechanickým kmitáním některé součástky, nejčastěji to bývá špatně zalitá tlumivka. Případně by mohl pocházet z aktivního PFC, ale tam tranzistor pracuje také v ultrazvukové oblasti 20-100kHz, takže pokud je v takovém zdroji vše v pořádku, nikdo nic neuslyší.
Ripple - zvlnění
Zvlnění je důležitý faktor pro stabilitu. Jedná se o maličké výkyvy výstupního napětí, které nelze zachytit na voltmetru, ale pouze na osciloskopu. Malé zvlnění je důležité z toho důvodu, aby zařízení připojená ke zdroji pracovala v jednom rytmu. Velké výkyvy by například znamenaly výkyvy v napětí procesoru.
Specifikace jsou v případě zvlnění poměrně náročné, mnoho zdrojů jim nevyhoví. A to často ani jinak velmi dobré zdroje. Například v testu na serveru Anandtech zjistili, že zdroj ThermalTake je na hraně specifikací a (předražený) Vantec jí dokonce nesplňuje.
Bohužel testů zdrojů, kde by se zabývali zvlněním, je poskrovnu. Pro uživatele tak není zrovna jednoduché zjistit, který zdroj vyhoví náročným podmínkám.
