هر آنچه باید درباره‌ی منبع تغذیه کامپیوتر بدانید

هر آنچه باید درباره‌ی منبع تغذیه کامپیوتر بدانید
هر کامپیوتر شخصی رومیزی، کنسول بازی یا لپ‌تاپ، مجهز به یک قطعه‌ی مشترک است. این قطعه تأثیری در افزایش نرخ فریم بازی شما یا برداشت رمزارز در فرایندهای استخراج ندارد. به‌علاوه از میلیاردها ترانزیستور در آن استفاده نمی‌شود و همچنین از آخرین روش تولید نانومتری نیمه‌هادی بهره نمی‌برد. در نگاه اول ظاهرا با دستگاهی ساده و خسته‌کننده روبه‌رو هستیم. البته تصور اولیه قطعا صحیح نیست و قطعه‌ی ظاهرا ساده‌ی مذکور، نقشی حیاتی در دستگاه‌های پردازشی دارد. درواقع بدون استفاده از آن، هیچ کامپیوتری توانایی فعالیت ندارد.

واحدهای تأمین برق (PSU) هیچ‌گاه به‌اندازه‌ی پردازنده‌های مرکزی خبرساز نیستند، اما از لحاظ فناوری جزئیات و جذابیت‌های زیادی دارند. در ادامه‌‌ی این مطلب ، ساختار داخلی PSU را بررسی می‌کنیم. بررسی قطعات داخلی و نحوه‌ی فعالیت آن‌ها، نکات جالبی را درباره‌ی قطعه‌ی کمتر شناخته‌شده‌ی دنیای پردازش و وظایف آن نمایان می‌کند.

نام‌گذاری قطعات

بسیاری از قطعات کامپیوتر، نام‌‌هایی دارند که برای درک فعالیت آن‌ها نیاز به تفسیر و دانش فنی داریم (مثلا درایو حالت جامد یا SSD). در مورد منبع تغذیه، چنین تفسیری صحیح نیست و با شنیدن نام آن، می‌دانیم که با واحدی با وظیفه‌ی تأمین نیروی برق روبه‌رو هستیم.

برای بررسی بهتر آناتومی داخلی منبع تغذیه، هیچ کاری بهتر از تجزیه‌ی یک نمونه‌ی موجود و قطعات داخل آن نیست. برای این مطلب، یک منبع تغذیه‌ی Cooler Master G650M مورد بررسی قرار گرفت که طراحی کاملا عادی و مرسوم دارد. مشخصات منبع مذکور نیست با اکثر محصولات عادی بدنه‌ی بازار یکسان است. البته PSU کولرمستر قابلیتی خاص دارد که آن را از رقبا متمایز می‌کند.

منبع تغذیه‌ی مورد بررسی برای مطلب حاضر، از فرم فاکنور ATX 12V v2..31 بهره می‌برد. درنتیجه در دسته‌ی محصولات عادی قرار می‌گیرد و قابل جانمایی در اکثر کامپیوترهای شخصی امروزی است.

منابع تغذیه فرم فاکتورهای متنوعی دارند که شامل ابعاد کوچک‌تر یا طراحی‌های خاص برای تجهیزات متنوع می‌شوند. ازطرفی همه‌ی محصولات از ابعاد استاندارد صنعتی پیروی نمی‌کنند. به‌عنوان مثال شاید منبع تغذیه‌ای با طول و عرض برابر با نمونه‌ی دیگر ولی با ضخامت متفاوت در یک استاندارد مشابه پیدا کنید.


نام‌گذاری و برچسب‌گذاری منابع تغذیه عموما باتوجه به حداکثر توان آن‌ها در تأمین برق انجام می‌شود. به‌عنوان مثال نمونه‌ی مورد بررسی در این مقاله توانایی تأمین حداکثر برق ۶۵۰ وات دارد. در ادامه معنای همین حداکثر برق تأمینی را هم بررسی می‌کنیم. منابع تغذیه با توان تأمین برق پایین‌تر هم در بازار وجود دارند و لزوما نیازی به خرید منابع با قدرت بالا برای همه‌ی کاربردها نیست. قطعات مرسوم در بازار توان تأمین برق بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ وات دارند.

منابع تغذیه مانند نمونه‌ی کولر مستر در مقاله‌ی حاضر، عموما در جعبه‌های فلزی قرار می‌گیرند که در طراحی‌های متنوع فلز بدون رنگ یا سیاه‌رنگ عرضه می‌شوند. همین جعبه‌ی فلزی، وزن PSU را نیز افزایش می‌دهد. لپ‌تاپ‌ها تقریبا همیشه یک منبع تغذیه دارند که به‌صورت خارجی در کنار دستگاه قرار می‌گیرد و اغلب جنس پلاستیکی دارد. البته ساختار داخلی منبع تغذیه‌ی لپ‌تاپ، تفاوت زیادی با نمونه‌ی مذکور ندارد.

اکثر منابع تغذیه که در کامپیوترهای شخصی رومیزی مجهز به یک کلید قطع و وصل جریان اصلی برق و یک فن برای خنک‌ کردن قطعات هستند. البته برخی از آن‌ها شاید بدون این قطعات عرضه شوند. به‌علاوه همه‌ی آن‌ها هم لزوما در جعبه‌های فلزی با سوراخ‌های متعدد عرضه نمی‌شوند. برای تولید نمونه‌های موجود در سرورها به‌ندرت از جعبه‌های فلزی استفاده می‌شود.

پس از بازکردن جعبه‌‌ی فلزی منبع تغذیه، با قطعاتی مهم و جذاب در آن روبه‌رو می‌شویم که در ادامه توضیح می‌دهیم.

چرا به منبع تغذیه نیاز داریم؟

پیش از بررسی قطعات داخلی منبع تغذیه، بررسی دلایل به‌کارگیری آن در کامپیوترها اهمیت بیشتری دارد. تاکنون از خود پرسیده‌اید که چرا کامپیوتر را مستقیما به برق شهری وصل نمی‌کنیم؟ درواقع نیاز قطعات موجود در کامپیوترهای شخصی مدرن به برق، با نوعی از برق که از سمت پریزهای شهری تأمین می‌شود، تفاوت دارد.

نمودار زیر، ساختار متداول برق شبکه‌ی اصلی را نشان می‌دهد. بردار X زمان را در میلی‌ثانیه و بردار Y، ولتاژ را در واحد ولت نشان می‌دهد. برای تعریف ولتاژ نیز تنها آن را تفاوت انرژی بین دو نقطه تصور کنید.

اگر ولتاژ به یک ماده‌ی رسانا اعمال شود (مثلا سیم فلزی)، تفاوت سطح انرژی باعث حرکت الکترون‌های درون ماده از سطح بالاتر به سطح پایین‌تر می‌شود. همان‌طور که می‌دانید، الکترون‌ها یکی از اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی اتم هستند و فلزها نیز تعداد زیادی الکترون آزاد دارند. جریان الکتران به‌نام شدت جریان در مفاهیم الکتریسیته شناخته شده و با واحد آمپر اندازه‌گیری می‌شود.

برای تشبیه و تعریف بهتر جریان الکتریسیته می‌توان آن را به‌صورت جریان آب در یک شیلنگ تشبیه کرد. ولتاژ با فشار اعمال‌شده در شیلنگ و نرخ جریان آب، با شدت جریان برق هم‌سان می‌شود. هرگونه مانع در مسیر شیلنگ را نیز می‌توان با مقاومت الکتریکی هم‌سان دانست.

نمودار بالا نشان می‌دهد که جریان برق شهری با گذشت زمان تغییر می‌کند و به‌همین دلیل آن را جریات برق متناوب یا AC می‌نامند. تناوب جریان برق شهری در مناطق گوناگون جهان با هم تفاوت دارد. در برخی منطق جریان ۶۰ بار در ثانیه تغییر می‌کند و به حداکثر ۳۴۰ یا ۱۷۰ ولت می‌رسد، درحالیکه در مناطق دیگر شاهد جریان برق ۱۲۰ یا ۲۴۰ ولت هستیم.

نیاز به منبع تغذیه در کامپیوترهای شخصی، از طبیعت متناوب برق شهری سرچشمه می‌گیرد. درواقع کامپیوترها به ولتاژ ثابت نیاز دارند که هیچ‌گاه در زمان فعالیت، تغییر نکند. به‌علاوه شدت جریان باید در سطح بسیار پایین‌تری باشد. درواقع نمودار جریان برق مورد نیاز کامپیوتر مانند تصویر زیر است.

 

نیاز یک کامپیوتر شخصی به جریان برق، یک ولتاژ ثابت نیست. البته تفاوت جریان مورد نیاز آن‌ها آن‌چنانکم است که به‌سختی دیده می‌شود. کامپیوتر شخصی به ولتاژها‌ی ۱۲- و ۱۲+ و همچنین جریان‌های کوچک‌تر ۵+ و ۳/۳+ نیاز دارد. از آن‌جایی که اعداد مذکور، ثابت هستند، جریان جدید را جریان مستقیم یا DC می‌نامند. درنهایت یکی از وظایف اصلی منبع تغذیه، در تبدیل جریان AC به DC‌ دیده می‌شود.


پس از درک اولیه درباره‌ی دلیل استفاده از منبع تغذیه در کامپیوتر شخصی، نوبت به بررسی قطعات داخلی می‌رسد. پس از بازکردن جعبه‌ی محافظ، با نمایی شبیه به تصویر زیر روبه‌رو می‌شوید. اگر آشنایی کافی با فرایندهای تخصصی سخت‌افزاری و الکتریسته ندارید، از بازکردن منبع تغذیه و دست‌کاری قطعات آن پرهیز کنید. بسیاری از قطعات داخلی، الکتریسیته را ذخیره می‌کنند که در برخی موارد، بسیار زیاد و خطرناک است.

 

همان‌طور که گفته شد منابع تغذیه ساختار و الگوی داخلی مشابهی دارند. اگرچه مدل و شرکت سازنده‌ی قطعات داخلی با هم تفاوت دارد، اما باز هم با ساختاری مشابه در PSUهای گوناگون روبه‌رو خواهید بود. اتصال اصلی برق شهری به منبع تغذیه، در بالا و سمت چپ تصویر بالا دیده می‌شود. جریان برق به‌صورت ساعت‌گرد در تصویر بالا حرکت می‌کند و از خروجی منبع تغذیه در پایین و سمت چپ تصویر (سیم‌های رنگی) خارج می‌شود.

با نگاهی به پشت برد اصلی منبع تغذیه، متوجه تفاوت بزرگ آن با اتصال‌های موجود در مادربرد می‌شویم. اتصال‌های الکترونیکی در برد PSU، عمیق‌تر و گسترده‌تر هستند و به‌نوعی برای عبور جریان بیشتر طراحی شده‌اند. نکته‌ی کاملا مشهود در طراحی برد جریانی، فاصله‌ی خالی بوده که در ظاهر دو بخش مجزا را در برد ایجاد کرده است.

وجود دو بخش مجزا در اتصال‌های برد منبع تغذیه نشان می‌دهد که این تجهیز لزوما به دسته‌بندی متمایز نیاز دارد که به‌صورت اولیه و ثانیه شناخته می‌شوند. بخش اول وظیفه‌ی تنظیم اولیه‌ی ولتاژ ورودی را برعهده دارد تا بتوان ولتاژ را با بازدهی بالا، از ورودی شهری تغییر داد. بخش ثانویه یا دوم، فعالیت‌های تغییر و فرایندهای بعدی را مدیریت می‌کند.

هموارسازی

فعالیت اصلی PSU روی جریان برق شهری تنها تغییر آن از AC به DC یا کاهش ولتاژ نیست. درواقع، منبع تغذیه، ولتاژ ورودی را هموار می‌کند. از آن‌جایی که تجهیزات برقی متعددی در خانه‌ها، دفاتر کاری و محیط‌های کسب‌وکار به برق شهری متصل هستند، فعالیت آن‌ها موجب ایجاد نوسان در جریان می‌شود. تجهیزات برقی مدام خاموش و روشن می‌شوند و سیگنال‌های الکترومغناطیسی از خود ساطع می‌کنند. نوسان در جریان ورودی نه‌تنها هماهنگ کردن جریان شهری را دشوار می‌کند، احتمالا به قطعات داخلی PSU نیز آسیب می‌رساند.

منبع تغذیه‌ی مورد بررسی در مقاله‌ی حاضر، از دو مرحله فیلتر گذار بهره می‌برد. فیلتر اول، روی سوکت ورودی اعمال می‌شود و از سه خازن برای فیلتر کردن بهره می‌برد. درواقع می‌توان سه خازن را سرعت‌گیرهایی برای تغییرات ناکهانی در ولتاژ ورودی دانست. مرحله‌ی دوم فیلتر کردن پیچیدگی بیشتری دارد، اما تقریبا همان عملیات را انجام می‌دهد.

وظیفه‌ی اصلی منبع تغذیه، تبدیل نوع جریان و کاهش ولتاژ برق است

بلوک‌های زردی که در تصاویر می‌بینید، خازن بوده و حلقه‌های سبز پوشیده شده با سیم‌‌های مسی، القاگر هستند (البته وقتی از القاگرها به‌ این صورت استفاده شود، با اصطلاح مسدودکننده (Choke) شناخته می‌شوند). القاگرها، انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی نگه‌داری می‌کنند، اما همین فیلد، ولتاژ تأمین‌کننده‌ی انرژی را به عقب می‌راند. درنهایت تغییر شدید ولتاژ، باعث می‌شود تا میدان مغناطیسی با فشار معکوس، با آن مقابله کند.

دو دیسک کوچکی که در تصویر می‌بینید هم خازن هستند و در زیر آن‌ها (که در یک پوشش پلاستیکی سیاه قرار دارد) وریستور اکسید فلز (MOV) نام دارد. این قطعات هم به ایجاد نوسان‌های مقابله‌ای در برابر ولتاژ ورودی کمک می‌کنند.

بخش فیلتر جریان عمومی بیشترین اقدام‌ها را با هدف کاهش هزینه مشاهده می‌کند. منابع تغذیه‌ی ارزان‌تر از فیلترینگ کمتر بهره می‌برند و ارزان‌ترین نمونه‌ها هیچ بخش فیلترسازی ندارند که درنهایت آن‌ها را به نمونه‌هایی نه‌چندان مناسب تبدیل می‌کند.

 

تغییر ولتاژ

همان‌طور که گفتیم وظیفه‌ی اصلی منبع تغذیه در تغییر ولتاژ AC بیش از ۲۲۰ ولت به ولتاژ DC به‌مقدار ۱۲ و پنج و ۳/۳ ولت تعریف می‌شود. در جریان این تغییر، ابتدا ولتاژ AC به DC تغییر می‌یابد. منبع تغذیه‌ی کولر مستر از قطعه‌ای به‌نام یکسوکننده‌ استفاده می‌کند. در تصور زیر، یکسوکننده همان قطع‌ی سیاهی است که به قطعه‌ی فلزی دیگر (هیت‌سینک) چسبیده است.