intro.jpg L'importanza di un alimentatore come componente del computer è spesso sottovalutata da buona parte di coloro che hanno un pc. Gli utenti più esperti, appassionati di hardware, sanno invece che la scelta di un buon alimentatore non è affatto facile, specialmente quando si tratta di trovare un prodotto affidabile e durevole. Ciò comporta spesso una spesa comparabile a quella di altri componenti di un pc;
scegliere un alimentatore senza conoscerne le caratteristiche principali e senza poterne comprendere la bontà risulta pertanto poco saggio. Una conoscenza adeguata spesso manca anche agli utenti più esperti, forse per la difficoltà degli argomenti da conoscere, ma in buona pare anche per il poco materiale informativo che circola in rete in merito.Questa guida è volta pertanto a colmare tali lacune, con la speranza di formare degli acquirenti più consapevoli, meno soggetti alle manipolazioni dei produttori e in grado in tal modo di modificare il mercato verso prodotti migliori.

 

Come funziona un alimentatore


Come tutti sanno l'alimentatore o PSU (Power Supply Unit) ha il compito di trasformare la corrente alternata dell'alimentazione casalinga (tipicamente sinusoidale di ampiezza 220V e frequenza di 50Hz) in corrente continua di varie ampiezze (12V 5V 3,3V ).
Già dall'ingresso che forniamo all'alimentatore possiamo notare le prime complicazioni. L'alimentazione casalinga non è identica in tutto il mondo e ad esempio in America ha un'ampiezza di 110V e una frequenza di 60Hz. Per evitare di produrre due serie di PSU ciascuna per il diverso tipo di alimentazione in ingresso, inizialmente gli alimentatori presentavano uno switch che permetteva di impostare il corretto ingresso fornito (110V-220V). Attualmente i moderni alimentatori non presentano più questo tasto poiché sono in grado di accettare un ampio range di correnti alternate in ingresso (da 100V fino a 240V dichiarati per l'alimentatore recensito). Questo rappresenta anche un notevole vantaggio dal punto di vista della stabilità del sistema. Molti ricorderanno che in seguito a cali di tensione della linea elettrica i vecchi pc erano soggetti a spegnimento. Difficilmente oggi si hanno inconvenienti di questo tipo, oppure il più grave rischio di bruciare i componenti del pc in seguito a sbalzi di tensione (ciò in parte dovuto anche a un miglioramento delle linee elettriche e degli impianti casalinghi).





Alimentatori lineari


Un primo possibile approccio alla progettazione di un alimentatore è quello lineare. Per prima cosa la corrente alternata viene portata da 220V (110V) a 12 V con un semplice trasformatore, successivamente la forma d'onda sinusoidale viene raddrizzata con un diodo, e resa costante con un condensatore. Il condensatore immagazzina energia durante gli istanti della sinusoide con pendenza positiva e la rilascia negli istanti con pendenza negativa. La costante di scarica che descrive l'andamento esponenziale negativo (data dal prodotto R*C dove R è il valore della resistenza e C è la capacità del condensatore) è tanto più lenta quanto più è grande il condensatore. Per basse frequenze come in questo caso (50/60 Hz) sono necessari condensatori con capacità più elevate per evitare oscillazioni (ripple) consistenti nella tensione continua d'uscita. Per questo la tensione di uscita deve essere successivamente filtrata.
Questa configurazione pur producendo una tensione in uscita molto pulita mal si presta all'utilizzo nei moderni alimentatori. Le elevate potenze necessarie ( e quindi relative correnti) impongono l'utilizzo di trasformatori a 50Hz che diventerebbero troppo ingombranti, pesanti, costosi e dissiperebbero troppo calore. Gli alimentatori lineari peccano inoltre di bassa efficienza poiché la potenza non sfruttata viene dissipata completamente in calore.

 

 

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Alimentatori Switching


L'utilizzo della tecnologia switching è ormai comune. Un SMPS (Switched Mode Power Supply) è solitamente composto da diversi stadi. Per prima cosa troviamo un filtro per la tensione in ingresso all'alimentatore e un rettificatore (realizzato solitamente con dei diodi) che ottiene una corrente DC da 330V in modo analogo a quanto già visto per il rettificatore dell'alimentatore lineare (considerando che i 230V in ingresso sono RMS e non di picco). In caso di presenza di switch manuale per i 110v dei paesi anglosassoni, dopo il filtro di input troviamo un duplicatore di voltaggio che si attiva solo quando lo switch è sui 110V. A questo punto, se presente, troviamo la circuiteria dedicata alla correzione del fattore di potenza (PFC) di cui discuteremo in seguito le caratteristiche. Per ora ci basterà sapere che l'uscita del rettificatore ha solitamente dei contenuti in frequenza piuttosto rilevanti a causa del ripple e che per ottenere una forma d'onda della corrente il più possibile simile a quella della tensione in ingresso viene utilizzato questo dispositivo.
La corrente continua così ottenuta viene trasformata in un'onda quadra attraverso uno stadio inverter che realizza lo switching. La frequenza di questa onda quadra è solitamente scelta tra le decine e le centinaia di kHz, preferibilmente sopra ai 20kHz per evitare che sia udibile dall'orecchio umano. In questa fase viene inoltre regolata la durata in cui l'onda quadra assume un valore positivo rispetto a quando l'onda è nulla (duty cycle). Maggiore è la richiesta di corrente in uscita all'alimentatore maggiore sarà il duty cycle. Questo controllo viene effettuato con una retroazione dall'uscita e una PWM (Pulse Width Modulation) dell'onda quadra in questione.
Dopo lo stadio inverter troviamo il trasformatore, questa volta a frequenza maggiore rispetto a quella di input e quindi di facile realizzazione. In uscita al trasformatore avremo ancora un'onda quadra ma di ampiezza minore.
Nel settore, in gergo, viene chiamato primario tutto ciò che è a monte del trasformatore e secondario tutto ciò che è a valle (analogamente ai rispettivi avvolgimenti del trasformatore stesso).
A questo punto la corrente viene di nuovo rettificata in continua e vengono generati gli output necessari (+12V +5V +3.3 -12V).
Il circuito di switching e la successiva rettificazione dopo il trasformatore può essere anche visto come un DC-DC converter, che trasforma la corrente continua in corrente continua di diversa ampiezza senza idealmente sprecare potenza, e in ogni caso in modo molto efficiente. Le tipologie di DC-DC converter (e quindi di circuiteria switching) sono moltissime, ciascuna utilizzata per diversi scopi in svariate applicazioni al di fuori dell'utilizzo in alimentatori. Non tratteremo questo argomento vista la sua complessità e la sua vastità. E' necessario però dire che la maggior parte dei DC-DC converter non genera una corrente continua molto pulita ma presentano spesso molte armoniche e frequenze spurie. Una parte molto importante dell'alimentatore diventa quindi il filtraggio dei vari output per rendere tale tensione il più possibile libera da rumore e oscillazioni.
La stabilità dell'uscita è invece garantita dalla retroazione e dal controllo effettuato tramite PWM.
La complessità dell'alimentatore è poi ovviamente accresciuta dalle varie sezioni che hanno il compito di proteggere l'intero sistema da corto circuiti e sovraccarichi.
Troviamo quindi:

  • OCP: Over Current Protection (protezione di sovracorrente)
  • OVP: Over Voltage Protection (protezione di sovratensione)
  • OPP: Over Power Protection ( protezione di sovraccarico strettamente legata all'OCP)
  • SCP: Short Circuit Protection (protezione di cortocircuito anche questa legata all'OCP)

I circuiti si comportano in modo da evitare lesioni alla PSU e al PC stesso nel caso che siano verificate alcune condizioni limite sulla tensione e sulla corrente di uscita. Nella maggior parte dei casi se il PC è già in funzione si spegnerà, mentre se non è ancora acceso sarà impossibile avviarlo.
Strettamente legato a questa necessità è la generazione da parte dell'alimentatore di un segnale chiamato PowerGood o PowerOK (solitamente corrispondente al filo grigio nel connettore 20+4 pin) che comunica alla scheda madre se tutto funziona correttamente ed è possibile avviare il sistema.

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PFC (Power Factor Correction)

 

Abbiamo tralasciato, nella descrizione dei blocchi principali di un alimentatore, il PFC, poiché merita alcuni chiarimenti sul suo significato.
Prima di tutto occorre effettuare un piccolo ripasso della potenza in regime sinusoidale.
La potenza istantanea è generalmente definita come p(t)=v(t)*i(t), ossia il prodotto in ogni istante della tensione per la corrente. In regime sinusoidale (AC) la tensione e la corrente di un bipolo sono descritti rispettivamente da v(t)=Vp*sin(w*t) e i(t)=Ip*sin(w*t) dove il rapporto tra le ampiezze Vp e Ip ci dà l'impedenza (resistenza) del bipolo stesso. Generalmente quando nel bipolo non sono presenti soltanto resistenze ma anche capacità e induttori si viene a creare uno sfasamento fi tra la corrente e la tensione (dovuta all'impedenza complessa che si viene a creare). Se pensiamo ad un alimentatore possiamo immaginarlo come un bipolo visto dall'ingresso in AC e come sappiamo, anche nei modelli più semplici, esso conterrà almeno un condensatore per ottenere una forma d'onda continua a partire da quella rettificata con il diodo. La potenza in questo caso sarà composta ora da due contributi:


p(t)=v(t)*i(t)=Vp*sin(w*t+fi)+Ip*sin(w*t)=(1/2)*Vp*Ip*cos(fi)-(1/2)*Vp*Ip*cos(2*w*t+fi)

 

applicando una formula trigonometrica.
Possiamo facilmente individuare in tale espressione una parte della potenza che rimane invariata nel tempo e proporzionale al fattore cos(fi) e una parte che oscilla con frequenza doppia rispetto a quella della tensione e della corrente. La prima parte rappresenta la potenza attiva ossia la potenza effettivamente utilizzata, mentre la seconda rappresenta la potenza reattiva ossia l'energia che viene in continuazione rimbalzata tra induttanze e capacità del bipolo senza essere sfruttata.
Benché i nostri fornitori energetici addebitino nelle nostre bollette soltanto la potenza attiva consumata, lo spreco della potenza reattiva è comunque un costo per la società in generale in quanto rappresenta energia sprecata e conseguentemente anche inquinamento. In ambienti industriali inoltre, un consumo eccessivo di potenza reattiva viene fatto pagare oppure viene costretto l'utente a rifasare l'impianto in modo da raggiungere un certo cos(fi). Molti enti pubblici tra cui la comunità europea hanno promulgato norme volte alla minimizzazione di tale spreco e in questo ambito all'utilizzo di PFC. Il PFC ha dunque il compito di ridurre tale sfasamento tra corrente e tensione e di fare sì che in ogni istante le due forme d'onda siano il più possibile simili (non sempre a causa delle non linearità dell'alimentatore abbiamo correnti assorbite perfettamente sinusoidali).
Queste norme si applicano ovviamente non solo agli alimentatori ma a qualsiasi dispositivo elettrico che non abbia una impedenza puramente resistiva.
Essendo il cos(fi) un numero compreso tra 0 e 1 esso sarà massimo quando l'angolo di sfasamento è nullo e cos(0)=1. Generalmente può essere utilizzato anche una percentuale: ad esempio un cos(fi) di 0.95 o 95%.

 

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PFC Passivo e PFC Attivo


Un primo modo per correggere il fattore di potenza di un alimentatore è inserire degli elementi passivi in grado di compensare lo sfasamento introdotto. Questo può essere ottenuto semplicemente inserendo una rete di capacità e induttanze opportuna. Una rete simile è meno costosa specie dal punto di vista progettuale ma di solito non garantisce cos(fi) molto elevati (solitamente i valori si aggirano intorno allo 0.7).
Il PFC attivo utilizza invece una rete switching del tutto simile a quelle utilizzate nei DC-DC converter. L'obiettivo è prendere la corrente rettificata dal ponte a diodi posto subito dopo l'ingresso dell'alimentatore e ottenerne una corrente in uscita il più possibile costante. Questa corrente verrà poi passata alla sezione switching e poi al trasformatore come già visto.
Mentre nella soluzione con il condensatore che mantiene la tensione di picco per tutto il semiperiodo la corrente circola solo in un breve istante come in figura (2a) con l'utilizzo del PFC attivo la corrente circola sempre ed è in fase con la tensione (figura 3a).
Uno dei vantaggi secondari del PFC Attivo è quello di generare una corrente priva di ripple e quindi senza armoniche in frequenza piuttosto fastidiose, che se non filtrate potrebbero giungere fino all'uscita dell'alimentatore. C'è da dire che il PFC attivo suppone in ingresso una corrente perfettamente sinusoidale, cosa spesso non veritiera, pena la propagazione di contenuti in eccesso in frequenza, nei circuiti a valle; è importante quindi, come dicevamo, un prefiltraggio della corrente in input affinché ciò non si verifichi.

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80plus


80plus è una certificazione per PSU e per sistemi completi nata in Nord America, volta ad identificare quei prodotti che risultano particolarmente efficienti, dopo accurati test svolti dall'EPRI (Electric Power Reasearh Institute).
I requisiti per la certificazione 80 plus standard sono:
PF(fattore di potenza o cos(fi)) > 0.90 al 100% di carico
Efficienza>80% al 20%,50% e 100% di carico
Come già detto questi requisiti possono essere ottenuti soltanto con PFC attivo e con alimentatori switching particolarmente efficienti, cioè che dissipano pochissima potenza sotto forma di calore.
Esistono ulteriori certificazioni quali l'80 plus bronze, 80 plus silver e 80 plus gold che richiedono requisiti più stringenti sul PF(0.9 al 50% di carico) e sull'efficienza (fino al 90% per la certificazione gold).
Attualmente sono molti gli alimentatori testati e certificati 80 plus (ben 609) ma soltanto 53 hanno ottenuto la certificazione bronze e soltanto uno la silver. Ciò mostra la difficoltà di raggiungere tali livelli di efficienza e il continuo e incessante lavoro di ricerca per ottenere prodotti sempre migliori.
Per una lista completa degli alimentatori certificati consultare: http://80plus.org/manu/psu_80plus/psu_join.php

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Linee +12V indipendenti

 

Spesso si fa confusione con il termine “indipendente” che viene utilizzato per le uscite +12V utilizzate per alimentare la cpu e le schede video. La confusione è nata da una norma dello standard ATX che impedisce ai costruttori, per ragioni di sicurezza e di possibili surriscaldamenti, di erogare su un singolo cavo/connettore più di 20A. Con gli attuali sistemi multi-core e multi-gpu la potenza richiesta sui +12V va però ben oltre quella erogabile da una singola linea. Così la maggior parte dei costruttori implementano un'unica linea a 12V da cui vengono derivate le 4 (per alimentatori di fascia alta) finali, limitando però la corrente di ciascuna linea finale a 20A.
Per poter erogare una potenza maggiore, e in particolar modo dove necessaria (appunto sui +12V) i costruttori devono aumentare il numero delle linee a disposizione. In realtà questo torna utile in caso di sli/crossfire poiché abbiamo almeno un connettore per ciascuna linea separata.

Marche e Produttori

 

Spesso la scelta dell'alimentatore viene effettuata in base alla marca. Nella maggior parte dei casi però, spesso si ignora che la marca spesso non corrisponde al produttore, ma l'azienda che mette in commercio l'alimentatore con un certo brand può far produrre l'alimentatore a terze parti. A volte può succedere che due brand diversi possono condividere in pratica lo stesso alimentatore. Un metodo per risalire al produttore reale dell'alimentatore è individuare un numero presente sul pcb dell'alimentatore contrassegnato da una sigla che idi questo tipo E######. A questo link http://database.ul.com/cgi-bin/XYV/template/LISEXT/1FRAME/index.htm (Underwriter Laboratories che certifica quasi tutte le aziende che producono queste cose) e scoprire il produttore della parte elettronica dell'alimentatore (in pratica dell'alimentatore stesso).
In questo link potrete invece trovare una lista delle maggiori marche e produttori di alimentatori
http://www.jonnyguru.com/modules.php?name=NDArticles&op=Story&ndar_id=24


Connessioni e uscite

Tipicamente i connettori presenti su un alimentatore ATX sono le seguenti:

  • 12V 4 pin (o 8 pin per le moderne schde madri ) per l'alimentazione cpu
  • 20+4 pin per la scheda madre
  • connettori pci-express 6/8pin per schede video
  • connettori S-Ata per hdd e cd-rom
  • connettori molex 4 pin per hdd eide e lettori eide
  • floppy disk

 

Ciascun connettore porta una o più tensioni continue (a seconda dell'utilizzo del connettore stesso) riferite rispetto alla massa. I fili utilizzati rispettano uno standard dei colori che permette facilmente di riconoscere lo scopo di ciascuno di essi:

 

  • rosso: +5V
  • giallo: +12V
  • nero: massa
  • arancione: +3,3V
  • viola: +5VSB (+5V forniti anche con computer spento ma alimentatore connesso alla rete elettrica)
  • verde: Power on (utilizzato dalla scheda madre per l'accensione)
  • grigio: Power Good (a cui abbiamo già accennato)
  • -blu: -12V

 

Leonardo Angelini, Maurizio Caon