Platforma Testowa Zasilaczy już w redakcji PCLab.pl

System chłodzenia

Z warunku dotyczącego maksymalnej mocy zasilacza, który można zbadać za pomocą Platformy Testowej Zasilaczy (dalej: PTZ), oraz wstępnie przyjętych założeń dotyczących testu wynika, że w dość krótkim czasie w urządzeniu zostanie wydzielona moc 1583 W. Aby nie było nieporozumień, od razu wyjaśniamy: jest to założenie teoretyczne, dotyczące maksymalnych możliwości energetycznych hipotetycznego zasilacza, którego nie należy mylić z badanym modelem Tagan-a BZ1300. W rezultacie otrzymujemy całkiem spory piecyk! W tej sytuacji jedynym rozsądnym sposobem chłodzenia elementów mocy (tranzystorów i rezystorów) pobierających energię z badanego zasilacza był układ chłodzenia cieczą. Niestety, żaden z istniejących na rynku bloków wodnych nie nadawał się do naszego projektu. W wyniku różnych przymiarek i intensywnego myślenia zaprojektowany został nietypowy blok wodny z litej miedzi, na którego trzech bokach zostały umocowane (za pomocą śrub i podkładek izolujących) oporniki i tranzystory. Wzdłuż bloku wywiercono otwory, połączone wewnętrznie w jeden przelotowy kanał, którego wlot i wylot zakończyły gwinty ¼ cala, uzbrojone stosownymi złączkami do węża 8/10 mm. Ze względu na duży ciężar tego elementu jest on przykręcony do dolnej pokrywy obudowy, jednak jest od niej odizolowany termicznie kilkoma warstwami termafleksu. Bez tego zabezpieczenia spód metalowej obudowy bez wątpienia mocno by się nagrzewał, zwłaszcza po przeprowadzeniu kilku testów jeden po drugim (chodzi głównie o względy bezpieczeństwa i stabilność warunków cieplnych wewnątrz obudowy).

Teraz trzeba było wyznaczyć pojemność zbiornika wody (rezerwuaru) i parametry chłodnicy, które miały się znaleźć w obwodzie chłodzenia, tak aby woda nie nagrzewała się do zbyt wysokiej temperatury, bo pompka wykorzystana w układzie ma dopuszczalną temperaturę pracy 60°C. Jej wydajność zależy od wartości napięcia zasilającego i osiąga do 5 l/min przy nominalnym zasilaniu +12 V. Wykonanie dokładnych obliczeń cieplnych wydaje się bardzo trudne. W takich sytuacjach dobre rezultaty daje sprowadzenie problemu do warunków skrajnych i jego uproszczenie. Dlatego też we wstępnych założeniach znalazło się to, że wydzielające się ciepło będzie ogrzewać łącznie m = 0,5 l (czyli 0,5 kg) wody, która nie będzie chłodzona, przez 2 minuty. Ilość wydzielonego ciepła to Q = 2*1583*60 = 189 960 J. Jednocześnie ciepło właściwe wody c_w=4186 J/ kg*°C. Ze znanego wzoru Q = m*c_w*Δt obliczono: Δt = 189960/0,5*4186 = ~90°C. Jest to teoretycznie maksymalny przyrost temperatury wody, gdyby nie było chłodzenia, promieniowania itd. Temperaturę początkową wody chłodzącej (a właściwie temperaturę otoczenia) przyjęto jako nie większą niż 25°C. W praktyce oznacza to, że bez chłodnicy z wentylatorem się nie obejdzie. Ponieważ zastosowane uproszczenie nie daje dobrego wyniku, trzeba pobieraną moc wyliczyć zgodnie z procedurą ATX. Najlepiej pokazać to na przykładzie testowanego PSU Tagan 1300. Procedura testowa opisana jest w dalszej części artykułu. Jeden skok procedury trwa około 11 s. Otrzymamy: Q=11*(55+17)+11*(221+17)+11*(1104+34)+11*(883+170)+11*(221+170)+11*(221+170)+11*(55+68)+11*12=11*[(72)+(238)+(1138)+(1053)+(391)+(391)+(123)+(12)]=11*3418=37598 J. Stąd Δt = 37598/0,5*4186= ~18°C. Przy takiej samej temperaturze początkowej wody chłodzącej oznacza to, że po zakończeniu procedury temperatura wody nie powinna przekroczyć 43°C, co jest do przyjęcia, zważywszy na dopuszczalną temperaturę pracy pompki oraz użytych silikonowych węży. A przecież jeszcze będzie działała chłodnica z wentylatorem. Ekstrapolując uzyskane wyniki na hipotetyczny PSU, dla którego wartość Q, obliczona w sposób jw., osiągnie 50000 J, to maksymalna temperatura wody, bez działającej chłodnicy i wentylatora, nie powinna przekroczyć 50°C, co również mieści się w granicy dopuszczalnej temperatury pracy pompki oraz węży. Zamontowaliśmy ponadto jeden z typowych zbiorników na wodę o objętości 0,25 l, używanych w układach WC. Zmierzona faktyczna ilość wody w układzie, jeśli uwzględnić blok wodny, chłodnicę, pompkę i przewody, wynosi około 0,48 l. Różnica w stosunku do założeń jest nieistotna. W tej sytuacji wybór chłodnicy był krytyczny jedynie ze względu na wymiary. Zastosowaliśmy jedną z mniejszych dostępnych na rynku, wyposażoną w wentylator o średnicy 120 mm.

Taka metoda upraszczania obliczeń jest skuteczna i może być stosowana, jeżeli faktyczne warunki pracy układu będą lepsze niż zakładane w uproszczeniu. Chodzi tu o pewność, że nie zostanie przekroczony maksymalny dopuszczalny poziom interesującego nas parametru. W tym przypadku była to temperatura wody. Nawiasem mówiąc, współpracująca elektronika została tak zaprojektowana, że wykonanie następnego testu jest możliwe dopiero wtedy, gdy temperatura wody chłodzącej obniży się do poziomu 35°C. Dla zainteresowanych podam jeszcze, że zmierzona w zbiorniku maksymalna temperatura wody chłodzącej (czyli dostarczanej do pompy) w próbnych testach zasilacza Tagan BZ1300 (o mocy nominalnej 1300 W) nigdy nie przekroczyła 45°C przy temperaturze pokojowej 23°C.

Prawdziwym problemem okazała się temperatura działania tranzystorów. Dlaczego? Ze względów konstrukcyjnych grubość ścianki bloku chłodzącego w miejscu mocowania tranzystora wyniosła około 5 mm. Tymczasem wszystkie powyżej przedstawione obliczenia zakładają idealne i natychmiastowe odbieranie ciepła spod tranzystora lub opornika przez przepływającą wodę. Okazało się, że przy naszym układzie chłodzenia osiągnięcie założonych 100 A nie jest możliwe, gdyż nie mógł on odebrać odpowiedniej ilości ciepła od końcówek mocy. Niestety, dopiero poniewczasie zorientowaliśmy się, że problem leży w konstrukcji bloku wodnego, który miał zbyt grube ścianki w miejscach styku z chłodzonymi elementami. Nie było zatem wyjścia i ograniczyliśmy programowo maksymalny prąd z linii +12 V do 70 A. Pozostając na pograniczu wytrzymałości termicznej tranzystorów, można go zwiększyć do 88 A.

Profesjonalny sprzęt zasługiwał na profesjonalną obudowę. Postanowiliśmy wykorzystać starą aluminiową obudowę o wymiarach 400×250×70. Mieściła ona kiedyś sprzęt laboratoryjny polskiej produkcji. Co prawda wymagała kilku zabiegów modernizacyjnych i renowacyjnych, ale dzięki temu odzyskała swój profesjonalny wygląd. Wtedy pozostało umieścić w niej wszystkie elementy mechaniczne w taki sposób, aby zostało jeszcze trochę miejsca na część elektroniczną oraz transformator zasilający. Nie było to łatwe, szczególnie ze względu na stosunkowo niewielką wysokość obudowy. Jednak innej nie mieliśmy, a samodzielne jej wykonywanie nie wchodziło w rachubę, głównie przez brak odpowiedniego wyposażenia warsztatowego. Ponieważ budżet PTZ był dość ograniczony, zlecenie wykonania obudowy na podstawie projektu też było nie do przyjęcia.

Podstawowa zasada przy montażu zamkniętego układu chłodzenia wodnego brzmi:
Zbiornik na wodę najwyżej, razem z odpowietrzaniem, pompa najniżej, wylot ze zbiornika podłączony do wlotu pompy, potem wlot i wylot bloku wodnego, wlot chłodnicy i wreszcie wylot chłodnicy połączony z wlotem zbiornika.

 

Aby tak było, musieliśmy się mocno nagimnastykować. Chłodnica wraz z wentylatorem została umieszczona w części obudowy przewidzianej pierwotnie wyłącznie na elektronikę. To z kolei wymusiło modułową konstrukcję płytek z elektroniką i dalszą gimnastykę z rozmieszczeniem modułów. Przy montażu klasycznego systemu chłodzenia wodą w komputerze wysokość nie jest problemem, ale tutaj bardzo brakowało nam tych kilku centymetrów. Z tyłu urządzenia zostały dodatkowo zamontowane dwa niewielkie wentylatory tłoczące powietrze do obudowy. Zostały one przykręcone po zewnętrznej stronie tylnej ścianki ze względu na dramatyczny brak miejsca wewnątrz. Jednak niewielkie gabaryty sprawiają, że prawdopodobieństwo ich uszkodzenia jest znikome. W wyniku prób zdecydowaliśmy się również na zamontowanie wentylatora na chłodnicy w taki sposób, że zasysa on powietrze poprzez chłodnicę, a nie dmucha na nią. Dzięki temu gorące powietrze jest wyrzucane z obudowy, a nie rozchodzi się po niej po przejściu przez chłodnicę, co ma wpływ na stabilność cieplną działającej elektroniki, a więc także na powtarzalność wyników pomiarów.

W końcu jakoś udało się upchać wszystkie podzespoły „zgodnie ze sztuką”. W efekcie wewnątrz obudowy PTZ jest spore kłębowisko węży i kabli.

Gniazda

Panel przedni obudowy wykonano z blachy aluminiowej o grubości 2 mm. Do niej została przykręcona płytka z gniazdami standardu ATX. Ze względu na intensywne eksploatowanie gniazd (przy częstych testach zasilaczy) płyta musiała być wykonana wyjątkowo solidnie (została ona dodatkowo wzmocniona poprzecznymi kątownikami). W PTZ znalazły się następujące gniazda:

• do jednej wtyczki 24-pinowej podłączanej do płyty głównej,
• do jednej wtyczki ośmiopinowej podłączanej do płyty głównej jako dodatkowe źródło zasilania procesora,
• do dwóch wtyczek sześciopinowych podłączanych do kart graficznych,
• do 10 tradycyjnych czteropinowych moleksów.

Ze względu na ograniczone miejsce zrezygnowaliśmy z gniazd SATA. Uznaliśmy, że zawsze można je podłączyć poprzez przejściówki na molex. Co prawda brakuje wtedy linii 3,3 V, obecnej we wtyczce SATA, ale praktyka pokazuje, że dyski zwykle nie korzystają z tego napięcia. Przetwornica 3,3 V w każdym zasilaczu jest tylko jedna i przewody we wtyczce 24-pinowej ATX w zupełności wystarczą do prądu obciążenia do 30 A (w obecnie produkowanych zasilaczach nie zwiększa się już wydajności tej linii).

Specyfikacja „PCI Express 2.0” opublikowana w 2007 roku zakłada również obecność ośmiopinowych wtyczek PCI Express. Jednak wtyczki te w celu zachowania kompatybilności w dół mają odpinaną sekcję dwóch ostatnich pinów, dzięki czemu spokojnie można je podłączyć do gniazd sześciopinowych.