Tápegység (PC)

Egy személyi számítógép kapcsolóüzemű tápegysége belülről, a felső védőburkolat eltávolítása után

A tápegység (angolul Power Supply Unit, vagy röviden PSU) az elektromos hálózat váltakozó áramát (AC) alacsony feszültségű, szabályozott egyenárammá (DC) alakítja át az asztali számítógép belső alkatrészei számára. A modern személyi számítógépek általánosan kapcsolóüzemű tápegységeket használnak. Egyes tápegységeken kézi kapcsoló található a bemeneti feszültség kiválasztására, míg mások automatikusan alkalmazkodnak a hálózati feszültséghez.

A legtöbb modern asztali személyi számítógép tápegysége megfelel az ATX specifikációnak, amely magában foglalja a formai kialakítást és a feszültségtűréseket. Amikor egy ATX tápegység csatlakozik a hálózati áramhoz, mindig biztosít egy 5 voltos készenléti (5VSB) feszültséget, hogy a számítógép készenléti funkciói és bizonyos perifériák áramellátása biztosított legyen. Az ATX tápegységeket az alaplapról érkező jel kapcsolja be és ki. Emellett egy jelzést is küldenek az alaplapnak, amely arról tájékoztat, hogy az egyenfeszültségek megfelelő tartományban vannak, így a számítógép biztonságosan elindulhat és betöltheti a rendszert. Az ATX tápegységek legfrissebb szabványa a 3.1-es verzió, 2025 közepétől.

A doboz gondosan földelve van, 2012 §12.21 törvénynek megfelelően. A tápegység kimeneti áramerőssége 20–23 Ampert is eléri. Ez a HiPro eszközöknél (kb. 2003 óta) 19-től 34 Amperig is terjedhet.

Funkciók

Egy tipikus tápegység (PSU) egyszerűsített áramköri rajza

Egy tipikus XT és AT feszültségszabályozó áramkörének a diagramja

Passzív PFC-vel (balra) és aktív PFC-vel (jobbra) ellátott tápegység belső részei

Az asztali számítógép tápegysége a hálózati aljzatból érkező váltakozó áramot (AC) alacsony feszültségű egyenárammá (DC) alakítja át, hogy működtesse az alaplapot, a processzort és a perifériás eszközöket. Többféle egyenáramú feszültségre van szükség, és ezeket bizonyos pontossággal szabályozni kell a számítógép stabil működésének biztosítása érdekében. A tápegység sínje vagy feszültségsínje egyetlen, a tápegység (PSU) által biztosított feszültséget jelöl.

Néhány tápegység képes készenléti feszültséget is biztosítani, így a számítógéprendszer nagy része kikapcsolható hibernálásra vagy leállításra való felkészülés után, majd egy esemény hatására újra bekapcsolható. A készenléti áramellátás lehetővé teszi a számítógép távoli indítását például Wake-on-LAN vagy Wake-on-ring funkcióval, illetve helyben a billentyűzetes bekapcsolással (Keyboard Power ON – KBPO), amennyiben az alaplap támogatja ezt. Ez a készenléti feszültség egy kis lineáris tápegységből vagy egy kapcsolóüzemű tápegységből származhat, amely bizonyos alkatrészeket megoszt a fő egységgel a költségek és az energia megtakarítása érdekében.

Történet

Az első generációs mikroszámítógépek és otthoni számítógépek tápegységei nehéz, letranszformáló transzformátor (feszültségcsökkentő, step-down) transzformátort és lineáris tápegységet használtak, mint például az 1977-ben bemutatott Commodore PET esetében. Az ugyancsak 1977-ben bemutatott Apple II különlegessége a kapcsolóüzemű tápegység volt, amely könnyebb és kisebb volt, mint az ekvivalens lineáris tápegység, és nem igényelt hűtőventilátort. A kapcsolóüzemű tápegység ferritmagos, nagyfrekvenciás transzformátort és olyan teljesítménytranzisztorokat használ, amelyek másodpercenként több ezerszer kapcsolnak. A tranzisztor kapcsolási idejének szabályozásával a kimeneti feszültség pontosan vezérelhető anélkül, hogy a lineáris szabályozóban hő formájában energia veszne el. A nagy teljesítményű és nagyfeszültségű tranzisztorok gazdaságos áron való elérhetősége lehetővé tette, hogy az addig csak az űrkutatásban, nagyszámítógépekben, miniszámítógépekben és színes televíziókban használt kapcsolóüzemű tápegységeket bevezessék az asztali személyi számítógépekbe. Az Apple II tápegységét az Atari mérnöke, Rod Holt tervezte, és szabadalmat kapott rá, így a modern számítógépes tápegységtervezés élvonalába került. Ma már minden modern számítógép kapcsolóüzemű tápegységet használ, amelyek könnyebbek, olcsóbbak és hatékonyabbak, mint az ekvivalens lineáris tápegységek.

A számítógépes tápegységek rendelkezhetnek rövidzárlat elleni védelemmel (short circuit protection), túlterhelés elleni védelemmel (overpower -overload- protection), túlfeszültség elleni védelemmel (over-voltage protection), alul-feszültség elleni védelemmel (under-voltage protection), túláram elleni védelemmel (over-current protection) és túlmelegedés elleni védelemmel (over-temperature protection).

Bemeneti feszültségkapcsoló

A világszerte használatra tervezett tápegységek korábban beépített bemeneti feszültségválasztó kapcsolóval rendelkeztek, amely lehetővé tette a felhasználó számára, hogy a készüléket a helyi elektromos hálózathoz igazítsa. Az alacsonyabb feszültségtartományban, körülbelül 115 V-nál, ez a kapcsoló bekapcsolásával a hálózati feszültség egyenirányítója Delon-kapcsolású feszültségduplázóvá alakult. Ennek eredményeként a nagy elsődleges szűrőkondenzátor az egyenirányító mögött két sorba kötött kondenzátorra lett felosztva, amelyeket alapterhelést biztosító ellenállásokkal és varisztorokkal láttak el – ezek az alkatrészek a magasabb, körülbelül 230 V-os bemeneti feszültségtartományban voltak szükségesek. Ha a készüléket az alacsonyabb feszültségtartományra állítva csatlakoztatták egy magasabb feszültségű hálózatra, az általában azonnali és maradandó károsodást okozott. Amikor teljesítménytényező-korrekcióra (power-factor correction, PFC) volt szükség, ezeket a szűrőkondenzátorokat nagyobb kapacitásúakra cserélték, és egy sorba kötött tekercset is beépítettek az indulási áram késleltetésére. Ez a passzív PFC egyszerű kialakítása.

Az aktív PFC bonyolultabb, és akár 99%-os teljesítménytényezőt is elérhet. Az első aktív PFC áramkörök csupán az indulási áramot késleltették. Az újabbak bemeneti és kimeneti feltételekhez igazodó feszültségnövelő konverterként működnek, és egyetlen 400 V-os szűrőkondenzátort látnak el energiával széles bemeneti feszültségtartományból, általában 80 V és 240 V között. Az újabb PFC áramkörök emellett kiváltják az NTC-alapú indulási áramkorlátozót is, amely korábban a biztosíték mellett elhelyezett, drága alkatrész volt.

Fejlődés

Egy IBM XT klón tápegységének NYÁK-ja

Egy tipikus XT tápegységkapcsoló, amely a tápegység szerves része

Eredeti IBM PC, XT és AT szabvány

Az IBM első PC tápegysége (PSU) két fő feszültséget szolgáltatott: +5 V és +12 V. Emellett két további feszültséget is biztosított, −5 V és −12 V értékben, de ezek csak korlátozott teljesítménnyel álltak rendelkezésre. Az akkori integrált áramkörök többsége 5 V-os feszültségen működött. A tápegység által leadható 63.5 W teljesítmény nagy része ezen a +5 V-os ágon jelent meg.

A +12 V-os tápellátást elsősorban olyan motorok működtetésére használták, mint amelyek például a lemezmeghajtókban és hűtőventilátorokban találhatóak meg. Ahogy egyre több perifériát csatlakoztattak, egyre több teljesítményt igényelt a 12 V-os ág. Ennek ellenére, mivel a legtöbb energiát a integrált áramkörök fogyasztották, továbbra is az 5 V-os ág szállította a legtöbb teljesítményt. A −12 V-os ág főként az RS-232 soros portok negatív tápfeszültségének biztosítására szolgált. A −5 V-os ágat az ISA buszhoz csatlakozó perifériák (például hangkártyák) számára biztosították, de ezt az IBM PC eredeti alaplapján kívül más alaplap nem használta.

Egy további vezetéket, amelyet 'Power Good' néven ismernek, arra használnak, hogy megakadályozza a digitális áramkörök működését a tápegység bekapcsolásának első néhány milliszekundumában, amikor a kimeneti feszültségek és áramok még emelkednek, de még nem elégségesek vagy stabilak a megfelelő működéshez. Amint a kimeneti teljesítmény eléri a megfelelő szintet, a Power Good jelzés tájékoztatja a digitális áramköröket, hogy megkezdhetik a működést.

Az eredeti IBM PC-k (5150-es modell), XT és AT típusú számítógépek tápegységei tartalmaztak egy hálózati feszültségű kapcsolót, amely a számítógépház oldalán keresztül nyúlt ki. Egy elterjedt változatban, amelyet toronyházakban használtak, ez a hálózati kapcsoló egy rövid kábellel csatlakozott a tápegységhez, így lehetővé vált, hogy a kapcsolót a tápegységtől külön, más helyre szereljék.

A korai mikroszámítógépek tápegységei vagy teljesen be voltak kapcsolva, vagy teljesen ki voltak kapcsolva, amit egy mechanikus hálózati feszültségkapcsoló vezérelt. Az energiatakarékos, alacsony fogyasztású készenléti üzemmódok nem szerepeltek a korai tápegységek tervezési szempontjai között. Ezek a tápegységek általában nem voltak képesek olyan energiatakarékos funkciókra, mint a készenléti ("standby") vagy a "lágy kikapcsolás" ("soft off"), illetve az időzített bekapcsolási vezérlés.

A mindig bekapcsolt kialakítás miatt zárlat esetén vagy kiégett egy biztosíték, vagy a kapcsolóüzemű tápegység ismételten megszakította az áramellátást, rövid ideig várt, majd megpróbálta újraindítani magát. Egyes tápegységeknél ez a folyamatos újraindítás hallható volt, halk, gyors csipogásként vagy kattogásként, amelyet az eszköz bocsátott ki.

ATX standard

Feszültségátalakító 80486DX4 processzorokhoz (5 V-ról 3,3 V-ra). Figyelje meg a hűtőbordát a lineáris szabályozón, amely szükséges a veszteségként keletkező teljesítmény elvezetéséhez.

Egy tipikus ATX formátumú számítógép-tápegység telepítése

Amikor az Intel kifejlesztette az ATX szabványú tápegység-csatlakozót (1995-ben publikálták), a 3.3 V feszültségen működő integrált áramkörök egyre népszerűbbé váltak – kezdve az Intel 80486DX4 mikroprocesszorral 1994-ben. Az ATX szabvány három pozitív feszültségágat biztosít: +3.3 V, +5 V, és +12 V. A korábbi, 3.3 V feszültséget igénylő számítógépek ezt jellemzően egy egyszerű, de nem hatékony lineáris szabályozón keresztül nyerték, amely a +5 V feszültségű ághoz volt csatlakoztatva.

Az ATX csatlakozó több vezetéket és tápellátási kapcsolatot biztosít a 3.3 V-os táphoz, mivel ez a feszültségesésre a legérzékenyebb az ellátási kapcsolatokban. Egy másik ATX-kiegészítés volt az +5 V SB (készenléti) sín, amely kis mennyiségű készenléti áramot biztosít akkor is, amikor a számítógép névlegesen "ki van kapcsolva".

A számítógép ACPI S3 alvó üzemmódjában csak az +5 V SB (Standby) sín van használatban.

Két alapvető különbség van az AT és az ATX tápegységek között: Az alaplapot ellátó csatlakozók, valamint a lágy-kapcsoló (soft switch). Az ATX típusú rendszerekben az előlapi bekapcsológomb csak vezérlőjelet küld a tápegységnek, és nem kapcsolja közvetlenül a hálózati váltóáramot. Ez az alacsony feszültségű vezérlés lehetővé teszi, hogy más hardver vagy szoftver bekapcsolja és kikapcsolja a rendszert.

Mivel az ATX tápegységek azonos méretekkel rendelkeznek (150 × 86 mm (5,9 × 3,4 in)) és ugyanazt a rögzítési elrendezést használják (négy csavar a készülék hátoldalán), a korábbi formátummal összevetve nincs jelentős fizikai akadálya annak, hogy egy AT ház befogadjon egy ATX tápegységet (vagy fordítva, amennyiben a ház képes fogadni az AT tápegységhez szükséges bekapcsológombot), feltéve, hogy az adott tápegység nem túl hosszú az adott házhoz.

Kimenetek

Feszültségszint	Leírás
-12V	például soros port negatív feszültségszintjéhez
-5V	műveleti erősítőknek a PC, vagy a PC-be illesztett hangkártya hangáramkörében (kb. 2000 előtti gépek)
GND	Közös (föld), ehhez képest értendő a többi feszültségszint
3,3V *	Bővítőkártyák (például PCI, AGP, PCMCIA) és integrált áramkörök, processzorok, és egyéb mikrovezérlők (mint pl. Arduino) számára (utóbbiak esetében általában bemenetként szolgál egy tápegység számára, amely a kellő (alacsonyabb) feszültségszintet állítja elő)
+5V	Kommunikációs csatornák felső szintje (IDE), USB-s eszközök tápenergiája, bővítőkártyák, hardverelemek tápenergiája
+5VSB *	Szünetmentes feszültség, amely a számítógép kikapcsolása után is jelen van. Olyan eszközök számára, amelyek előidézhetik a számítógép elindulását - például PS/2, USB billentyűzet és egér, PCI kártyák: hálózati kártya (wake-up LAN)
+12V	Többnyire mechanikus egységek számára (merevlemez, optikai lemezmeghajtó, hajlékonylemez meghajtó motorja, ventilátor), soros port pozitív feszültségszintje

^*: az AT típusú tápoknál nincs.

Fajtái

• Külső tápegység (pl: Commodore 64-hez ill. laptophoz való)
• AT: ezeket az operációs rendszer nem tudta vezérelni, például nem tudta kikapcsolni. Ezeket 1996-ig; a P2-P3-as alaplapok koráig használták. (Az alaplapra 2 db 5 eres csatlakozóval kapcsolódik.) Ezek a tápegységek túlnyomó többségben ún. kapcsolóüzemű tápegységek voltak.
• ATX: az alaplap folyamatosan kap egy alacsony (+5 V) feszültséget, így lehetővé válik, hogy a gépet szoftveres úton leállítsuk, illetve külső hardveregység segítségével (pl. modem, hálózati kártya) felébresszük, tehát az alaplap tudja vezérelni a tápegységet. (Az alaplapra 2 × 10 vagy 2 × 12 és még egy 12 V-os ATX-csatlakozó (ez csak a 2 × 12 eresekre vonatkozik) eres csatlakozóval kapcsolódik, és mindegyikük kapcsolóüzemű.)
  • SFX: "Small Form Factor", az ATX egyik variánsa, méretében kisebb tápegység, általában kicsi kialakítású, MicroATX gépházakban alkalmazzák.
• BTX: ezeket a tápegységeket és alaplapokat jelenleg kezdték el forgalmazni, elterjedésére azonban még várni kell.

További információk

• kapcsolóüzemű tápegység

Források

• HupWiki