Zakaj imamo črno opeko in kaj je notri

Često spregledana komponenta v računalniku je napajalnik. Pri nakupu novega stroja navadno skrbno preverimo lastnosti procesorja, matične plošče, grafične kartice in diska, na napajalni del pa kar pozabimo. Pri prenosnih računalnikih ga oklestimo na neugledno črno in vročo opeko na mizi, ki bi jo najraje pogrešili. Zakaj ga potrebujemo, kako deluje in zakaj velikost ni pomembna?

Za to, da v računalniku sploh potrebujemo moderne napajalnike, se imamo zahvaliti Nikoli Tesli, ki je konec 19. stoletja zagovarjal izmenični tok, medtem ko je Thomas Edison priporočal enosmernega. Ker je izmenični tok lažje proizvajati, mu transformirati napetost in z manj izgubami prenašati na dolge razdalje, je zmagal Tesla. In zato je danes v evropski vtičnici izmenična napetost 230 V s frekvenco 50 Hz, računalniške komponente pa potrebujejo 3,3 V, 5 V ali 12 V enosmerne napetosti. Nepogrešljivi vmesni člen je napajalnik, ki ga imajo namizni računalniki skritega v ohišju, pri prenosnih računalnikih pa leži na mizi kot odvečna cokla.

Učinkovitost tipičnega napajalnika je najvišja pri zmerni obremenitvi.

Moč ni ena

Preden pogledamo v drobovje napajalnika, opravimo z nekaj miti o moči, ki se kljub neresničnosti vztrajno ponavljajo. Vzemimo običajen napajalnik, na katerem piše 600 W. Gre za namizni model, enak razmislek pa velja tudi za prenosnike, le da ti običajno zagotavljajo od 70 do 140 W.

Večno vprašanje je, koliko električne energije porabi tak napajalnik. Odgovor je brutalno preprost – toliko, kolikor bremen obesite nanj. Tak napajalnik lahko zagotovi 600 W energije komponentam, ki so priključene nanj. Poraba električne energije je odvisna od trenutne moči, ki jo trošijo komponente, in od učinkovitosti napajalnika. Slednja je definirana kot razmerje med močjo na izhodu in močjo na vhodu. Razlika odpade na segrevanje in napihuje račun za elektriko. Povprečni napajalniki imajo učinkovitost 80–90 odstotkov. Najvišjo vrednost doseže, ko je napajalnik približno polovično obremenjen, drugače pa je manjša. Torej 600-vatni napajalnik troši 750 W energije, če deluje z 80-odstotno učinkovitostjo pri polni obremenitvi (600/0,8).

Zdaj tudi veste, zakaj je smiselno uporabiti napajalnik, ki zmore večje moči od največje porabe računalnika. Ker ga ne boste polno obremenili, bo to blagodejno vplivalo tako na izkoristek in s tem povezano gretje kot tudi na njegovo življenjsko dobo, saj elektronika ne mara polne obremenitve.

Razlike med cenenim (levo) in dražjim (zgoraj) napajalnikom za prenosne računalnike. Vir: Australia Professional Battery Blog

Faktor moči

Na napajalnikih je najbolj zloglasna kratica PFC, kar pomeni korekcija faktorja moči (power factor correction). Faktor moči ni povezan z učinkovitostjo in na končnega uporabnika ne vpliva. Je pa res, da so bili svoj čas napajalniki z aktivnim PFCjem grajeni kakovostneje, kar je pomembno za namizne računalnike. Danes pa ga imajo v EU tako ali tako praktično vsi.

Pri izmenični napetosti tok in napetost nihata s frekvenco, ki je v Evropi 50 Hz. Kadar sta napetost in tok v fazi, ves tok opravlja delo, zato ga imenujemo delovni tok. To je mogoče le v idealiziranih primerih, ko imamo sama ohmska bremena (npr. grelci). Ko v sistem dodamo induktivna (npr. motorji, transformatorji, zvočniki) in kapacitivna (npr. kondenzatorji) bremena, tok in napetost nista več v fazi. Čim večja je fazna razlika med napetostjo in tokom, tem večji je jalov tok, ki ne opravlja dela, temveč se le pretaka po električnem krogu. Jalov tok je nujno potreben, da lahko bremena opravljajo realno delo, ker vzdržuje elektromagnetna polja. Kljub temu ga želijo zmanjšati na skrajni minimum, ker po nepotrebnem obremenjuje omrežje in povzroča izgube. Gospodinjskim odjemalcem se zaračunava le delovni tok, industrijskim pa oba.

Vsi imajo načeloma enako enoto, a za razločevanje delovno moč navajamo v vatih (W), jalovo v varih (VAr), navidezno (skupno) pa v volt-amperih (VA). Faktor moči podaja razmerje med delovno in navidezno močjo. V Evropi morajo imeti vsi napajalniki PFC, ki skrbi, da je faktor moči čim večji. Od tega ima korist upravljavec omrežja, vi pa pravzaprav nič.

Sestavni deli napajalnika

Zdaj si lahko ogledamo sestavne dele napajalnika, ki skrbijo za transformacijo napetosti. Vsi moderni napajalniki sodijo v skupino preklopnih usmernikov (switched-mode power supply). Način delovanja napajalnikov v namiznih in prenosnih računalnikih je povsem enak, le da imajo prvi več komponent, ker morajo zagotoviti več različnih napetosti in večje moči.

Vhodna izmenična napetost (230 V, 50 Hz) najprej potuje skozi polnovalni usmernik (Graetzov mostiček), ki ustvari valovito enosmerno napetost. Valovita napetost potem teče skozi kondenzator in filter RC in ta jo zgladita. Prvi jo zgladi v grobem, filter RC (low pass filter), ki ga sestavljata upornik in kondenzator, pa dokončno poreže ostanke izmenične napetosti. Filter LC iz tuljave in kondenzatorja bi bil učinkovitejši, a so ustrezne toroidne tuljave prevelike in predrage.

Zdaj dobimo enako visoko enosmerno napetost, ki jo vodimo skozi inverter (“chopper”). Ta iz nje napravi kvadratno izmenično napetost visoke frekvence, tipično nad 20.000 Hz, saj tako visokih frekvenc ne slišimo in napajalnik ne piska. Poenostavljeno povedano, gre za hitro polprevodniško stikalo, ki večkrat hitro sklene in prekine tokokrog.

 Na tretji stopnji transformator to napetost ustrezno zniža. Transformator sestavljata primarno in sekundarno navitje na feritnem jedru, kjer je od števila navojev na posamezni strani odvisna sprememba napetosti. Na koncu imamo spet polnovalni usmernik, ki to nizko izmenično nizko napetost pretvori v enosmerno napetost, ki jo kondenzatorji in filtri RC zgladijo.

Za to, da napajalnik zagotavlja konstantno izhodno napetost, ki je odvisna od vhodne napetosti, poskrbi povratna zanka. Ne smemo namreč pozabiti, da je omrežna napetost precej “umazana” in lahko zaniha tudi za 10 odstotkov. Informacijo o izhodni napetosti vodimo nazaj na inverter, pri čemer z optokoplerjem poskrbimo za galvansko ločitev tokokrogov. Optokopler ima na eni strani vir svetlobe, na drugi strani pa detektor in omogoča prenos informacije s svetlobnim signalom (podobno kot optični kabli). S tem poskrbimo, da se električni vplivi ne morejo prenašati skozenj.

Na prvi pogled se zdi takšna ureditev pretirano zapletena, saj izmenični tok pretvorimo v enosmernega, pa spet nazaj in potem še enkrat. Razlog za to početje je zelo tehten. Velikost transformatorjev, kondenzatorjev in tuljav je obratno sorazmerna s frekvenco, za katero so namenjeni. Zato najprej poskrbimo, da imamo izmenično napetost visoke frekvence, za katero potrebujemo enosmerno napetost, da je lahko potem transformator majhen in učinkovit.

Izhodna napetost na usmerniku ni nikoli konstantna, temveč ima ostanke prvotne izmenične napetosti. Oscilacijam okrog povprečne vrednosti pravimo valovitost (ripple) in jih gladimo s kondenzatorji. Za glajenje valovitosti visoke frekvence potrebujemo manjše in cenejše kondenzatorje, kot če bi bila valovitost omrežnih 50 Hz.

Realni napajalnik se od te sheme loči po kompleksnosti. Ima vrsto zaščit, in sicer pred preobremenitvijo, pred previsoko vhodno napetostjo, pred pregretjem, pred prenizko obremenitvijo in še kakšno.

Glavni sestavni deli preklopnega usmernika za računalnik. A – Graetzov mostiček, B – kondenzatorji za glajenje vhodne napetosti, C – transformator, D – tuljava za glajenje izhodne napetosti, E – kondenzatorji za glajenje izhodne napetosti.

Ali je velikost pomembna

Napajalniki za namizne računalnike so standardiziranih velikosti (npr. ATX) in priključkov, na področju prenosnih računalnikov pa vlada kaos. Evropski komisiji je uspelo izdelovalce polnilcev za mobilne telefone prisiliti k enotnemu standardu, pri prenosnih računalnikih pa tako revolucijo še čakamo. In tako ima danes vsak izdelovalec svoj model napajalnika, med   seboj pa se razlikujejo tako po velikosti kakor tudi po obliki izhodnega priključka.

Napajalniki za prenosnike so manjši od namiznih. Razlog je dvojen – dovajati morajo manjšo moč, in sicer največ 140 W, in le eno napetost. Prenosni računalnik mora od napajalnika dobiti le eno enosmerno napetost, ki jo z vgrajenimi vezji sam pretvori v primerne za procesor, pomnilnik, disk … Namizni računalnik potrebuje več različnih napetosti, ki jih mora vse zagotoviti napajalnik.

 Nato se zastavi vprašanje, zakaj ni napajalnik vgrajen kar v prenosnik? Predrzen odgovor je, ker ni prostora, dodatno težavo pa predstavlja segrevanje. Napajalniki se lahko kar precej segrejejo, hlajenje komponent prenosnika pa je že zadosti velik podvig, da res ne potrebujemo še dodatnega grelca v njegovi notranjosti. Pa še opekli bi se, ko bi ga vzeli na kolena.

Glede velikosti je stvar povsem preprosta. Izdelovalci varčujejo na vsakem koraku in napajalnik je idealen kos za varčevanje, saj njegove kakovosti končni uporabnik praktično ne opazi. Če deluje, bo z njim zadovoljen, pa četudi se morda bolj greje, je večji, ima slabšo enosmerno napetost (več valovitosti) ter slabše varnostne standarde.

Kakovostni napajalniki so lahko majhni in veliki, enako velja za cenene. Glavne razlike med njimi so v kakovosti izdelave, torej vgradnji dodatnih komponent (hladilniki, izolacije, dodatni filtri in zaščite pred sunki napetosti …) in kakovosti vgrajenih komponent.

Hiter pregled strani kitajskih prodajalcev pokaže, da lahko generične napajalnike naročite že za 10 evrov. Prepričani ste lahko, da jih veliki izdelovalci prenosnikov dobijo še ceneje. Izdelati je mogoče bistveno manjši in boljši napajalnik, a bo ustrezno dražji. Zolt je letos na CESu pokazal univerzalni napajalnik, ki ni večji od škatlice cigaret, a stane 100 dolarjev. FinSix je lani pokazal zelo podobno napravo z močjo 65 W, ki stane 90 dolarjev.

Veliki izdelovalci pač vzamejo cenejše kitajske modele, ki imajo najcenejše še zadovoljive elektrotehniške elemente, da opravljajo svojo funkcijo. Ti se seveda tudi bolj segrevajo in problem gretja najlaže rešite tako, da vse skupaj zapakirate v večjo škatlo.

V zadnji septembrski številki (Monitor 09/14) smo se obširno posvetili delovanju baterij in ugotovili, da so to precej občutljive komponente, ki za dolgo delovanje terjajo primerno nego. Poceni napajalniki jih ne bodo pokvarili, ker imajo vsi prenosni računalniki vgrajeno vezje, ki spremlja napetost baterije (in s tem njeno napolnjenost) in jo temu primerno priklaplja in odklaplja z napajanja.

FinSix Dart je pokazal majhen, kakovosten in moden napajalnik, ki pa ni poceni.

Sodba

Če kupujete napajalnik za namizni računalnik, ne velja skopariti. Kakovosten bo manj segreval notranjost računalnika, deloval z višjo učinkovitostjo in zagotavljal kakovostnejšo napetost, da vas ne bo strah za komponente. Pri prenosnih računalnikih dobite, kar pač dobite. Vedno lahko kupite univerzalni napajalnik kot zamenjavo, a ti so ponavadi še večji. Nima pa velikost nobene zveze s kakovostjo ali močjo, prej jo ima s ceno.