Zasilacz modelarski z zasilacza komputerowego

Pierwszą potrzebę źródła prądu stałego w naszym warsztacie modelarskim odkrywamy zazwyczaj kupując ładowarkę. W tym wypadku potrzebne nam jest źródło prądu o napięciu 12V. Wkrótce jednak okazuje się, że równie przydatne byłoby 5V, które moglibyśmy wykorzystać m.in. do docierania silnika elektrycznego. Najpopularniejszym sposobem pozyskania zasilacza, który zapewnia takie napięcia, jest przerobienie zasilacza komputerowego. Można taką przeróbkę wykonać na kilka sposobów. Zarówno fora dyskusyjne jak i witryny modelarskie oferują mnóstwo opisów jak te operacje wykonać najprościej.

My również opiszemy taką przeróbkę, jednak zamiast opisywać jak zrobić to najprościej, spróbujemy położyć nacisk na to, jak wykonać taki zasilacz rozumiejąc, co się robi i przy okazji wykorzystać jak najwięcej funkcji, które taki zasilacz oferuje.

Aktualnie można spotkać dwa rodzaje zasilaczy do komputerów PC: typu AT i ATX. Zasilacze typu AT wyszły już z użycia i w praktyce można nabyć jedynie egzemplarze używane. Zasilacz typu ATX można kupić w dowolnym sklepie komputerowym. Ten artykuł opisuje przeróbkę zasilacza typu ATX i nie ma zastosowania do zasilaczy AT.

Uwaga: zasilacz ATX jest urządzeniem elektrycznym. Dotknięcie któregoś z jego elementów w chwili, gdy znajduje się pod napięciem, może doprowadzić do porażenia prądem. Ponadto należy pamiętać, że nawet po zupełnym odłączeniu przewodu zasilającego, przez jakiś czas w kondensatorach zasilacza utrzymuje się napięcie.

Opisana tu przeróbka jest bardzo prosta i nie wymaga ani specjalnej wiedzy, ani doświadczenia. Pamiętaj jednak, że podejmując się jej robisz to na własną odpowiedzialność i autor artykułu nie ponosi żadnej odpowiedzialności za szkody wynikłe w trakcie lub w wyniku tej przeróbki.

Zasilacze ATX różnią sie między sobą parametrami i wydajnością. Wynika to z faktu, że specyfikacja ATX zmieniała się w czasie, a ponadto nie wszyscy producenci w jednakowym stopniu stosują sie do specyfikacji. Dlatego przy realizacji tego projektu bardzo pomocny będzie miernik uniwersalny, który pozwoli sprawdzić rzeczywiste parametry przerabianego egzemplarza. W zupełności wystarczy najprostszy miernik dostępny w każdym sklepie elektronicznym lub markecie budowlanym.

Lista potrzebnych części zależy od funkcjonalności, w jaką zdecydujemy się wyposażyć nasz zasilacz. W artykule opiszemy następujące funkcje:

·         Wyłącznik

·         Napięcie +12V wyprowadzone na gniazdo bananowe

·         Napięcie +5V wyprowadzone na gniazdo bananowe

·         Napięcie +3.3V wyprowadzone na gniazdo bananowe

·         Sygnał Power OK informujący o poprawnej pracy zasilacza wyprowadzony na diodę LED

·         Sygnał Stand By informujący o gotowości zasilacza wyprowadzony na diodę LED

·         Opcjonalne obciążenie wyjścia +5V zapobiegające spadkom napięcia na wyjściu +12V, wyposażone w osobny wyłącznik

Przygotowanie

Zanim przystąpimy do rozkręcenia zasilacza przyjrzyjmy się wiązkom przewodów wychodzących z jego obudowy. Zasilacze ATX mają tę miłą cechę, że kolor danego przewodu jednoznacznie identyfikuje jego funkcję, bez względu na to do jakiej wtyczki przewód ten prowadzi. Przykładowo każdy przewód koloru czerwonego to zawsze +5V.

Warto jednak upewnić się, że producent tak samo interpretuje kolory jak my. W tym celu zlokalizujmy wiązkę przewodów zakończonych wtyczką do płyty głównej: jest to największa wtyczka o 20 pinach w układzie 2 x 10. Pośrodku jednego z dłuższych boków wtyczki znajduje się plastikowy zaczep. Żeby móc przystąpić do identyfikacji przewodów musimy zlokalizować pin 1. Jeśli trzymamy wtyczkę otworami do siebie i zaczepem do góry, pin ten znajduje się w lewym dolnym rogu.

Teraz porównujemy kolory przewodów wchodzących do poszczególnych pinów z tabelką poniżej. Uwaga: do pinu 11 wchodzą dwa przewody, nie jest to pomyłka.

Mając już zidentyfikowane piny możemy przystąpić do rozkręcenia zasilacza. Upewniamy się, że nie jest on podpięty do prądu i wykręcamy śruby od pokrywy. Powinny się one znajdować w rogach zasilacza. Należy się upewnić, że wykręcamy śruby od pokrywy, a nie od wentylatora. Po odkręceniu czterech śrubek zdejmujemy pokrywę zasilacza – obejmuje ona dwa boki i górę.

Funkcje podstawowe

Widoczny po prawej schemat prezentuje modyfikacje niezbędne do uzyskania podstawowej funckjonalności zasilacza. Ich realizacje opisujemy szczegółowo poniżej. Schemat nie obejmuje opcjonalnego obiążenia wyjścia 5V, które opiszemy w następnej części.

Remote Sensing

Pierwszą czynnością będzie obsłużenie sygnału Remote Sensing. Jest to brązowy przewód wchodzący do pinu 11 wtyczki do płyty głównej. Służy on do monitorowania napięcia +3.3V i jeśli pozostawimy go nie podłączonym, może to spowodować, że układ zabezpieczający wbudowany w zasilacz uzna to za awarię i spowoduje wyłączenie zasilacza. Dlatego przewód ten należy zewrzeć z przewodem monitorowanym, czyli z pomarańczowym przewodem +3.3V wchodzącym do pinu 11. W tym celu obcinamy obydwa przewody pozostawiając jedynie kilka centymetrów, lutujemy je ze sobą i izolujemy połączenie taśmą izolacyjną.

Zdarza się, że przewód Remote Sensing jest takiego samego koloru jak +3.3V. Nie stanowi to w praktyce problemu, ponieważ i tak musimy połączyć ze sobą obydwa przewody wchodzące do pinu 11 i nie jest nam potrzebna wiedza który jest który.

Jeśli nasz zasilacz ma tylko jeden przewód przy pinie 11, to znaczy że nie ma funkcji Remote Sensing i nie musimy nic robić.

Wyłącznik

Niezbędnym elementem zasilacza jest wyłącznik. Aby go zamontować potrzebny nam będzie przełącznik dwupozycyjny (on/off), który możemy nabyć w dowolnym sklepie elektrycznym. Należy wybrać przełącznik do montażu w okrągłym (a nie prostokątnym) otworze, bo znacznie łatwiej będzie go zamontować.

Znajdujemy zielony przewód i lutujemy go do jednego pinu przełącznika a następnie masę (przewód czarny) do drugiego pinu. Jeśli nasz przełącznik ma trzy piny to zazwyczaj należy wykorzystać dwa sąsiednie piny, ale lepiej się co do tego upewnić, badając wcześniej wyłącznik miernikiem uniwersalnym.

Po podłączeniu wyłącznika możemy spróbować, czy nasz zasilacz się włącza. Należy przy tym zachować szczególną ostrożność! Włączenie się zasilacza najłatwiej poznać po tym, czy pracuje wentylator.

Sygnalizacja stanu zasilacza

Zasilacz oferuje dwa sygnały informacyjne, które po podłączeniu do diod LED możemy wykorzystać do sygnalizacji stanu zasilacza. Są to Stand By, który sygnalizuje, że zasilacz jest gotowy do pracy oraz Power OK informujący o poprawnej pracy urządzenia. Sygnał Stand By podłączymy do diody czerwonej (D1 na schemacie), sygnał Power OK do zielonej (D2).

Aby zapewnić właściwe warunki pracy diod LED zastosujemy włączone szeregowo rezystory, których opór wyliczymy korzystając z prawa Ohma.

Spadek napięcia przy przewodzeniu dla czerwonej diody LED wynosi około 1.5V, prąd nie powinien przekroczyć 20mA. Sygnał Stand By, stanowiący zasilanie diody, to napięcie 5V. Rezystor dobierzemy tak, aby prąd płynący przez diodę był równy mniej więcej połowie prądu maksymalnego, czyli 20mA / 2 = 10mA = 0.01 A.

Z prawa Ohma:

R = (Uz – Ud) / Id

czyli

R1 = (5V – 1.5V) / 0.01A = 350Ω

Użyjemy dostępnego w handlu rezystora 330Ω.

Spadek napięcia przy przewodzeniu dla zielonej diody LED wynosi około 3V, prąd maksymalny taki sam jak dla czerwonej. W tym wypadku opór potrzebnego rezystora wyniesie więc:

R2 = (5V – 3V) / 0.01A = 200Ω

Użyjemy dostępnego w handlu rezystora 220Ω

Potrzebne nam zatem będą :

·         diody LED: czerwona i zielona

·         oprawki na diody (2 szt)

·         rezystory: 330Ω i 220Ω

·         płytka montażowa – najlepiej zakupić jest najmniejszą uniwersalną płytkę montażową.

Wszystkie elementy do nabycia w sklepie elektronicznym.

Teraz należy dopasować diody i rezystory do układu ścieżek na zakupionej płytce tak, aby zamontować je zgodnie ze schematem, czyli:

·         Stand By do anody (+) diody D1, katoda (-) diody poprzez rezystor R1 do masy.

·         Power OK do anody diody D2, katoda diody poprzez rezystor R2 do masy.

Do płytki musimy zatem doprowadzić przewody: Stand By (fioletowy), Power OK(szary) oraz masę (czarny).

Wskazówka: anodę i katodę diody można zazwyczaj rozpoznać po długości: anoda (+) to dłuższa z końcówek diody, katoda (-) to krótsza.

Po wykonaniu połączenia testujemy:

·         przy podłączeniu zasilania powinna się świecić doda D1 (czerwona), sygnalizująca stan Stand By

·         po włączeniu zasilacza włącznikiem powinna zaświecić się dodatkowo dioda D2 (zielona), sygnalizująca stan Power OK

Wyprowadzenie napięcia

Następnym krokiem będzie wyprowadzenie napięcia 12V, 5V i 3.3V. W tym celu potrzebne nam będą trzy pary gniazd bananowych, w każdej parze jedno czerwone i jedno czarne.

Znajdujemy dwa przewody +3.3V (pomarańczowe) i lutujemy obydwa do czerwonego gniazda z pierwszej pary. Następnie wybieramy dwa czarne przewody masy i lutujemy obydwa do czarnego gniazda pierwszej pary. Analogicznie dwa czerwone +5V lutujemy do czerwonego gniazda drugiej pary, dwa czarne do czarnego. Wreszcie dwa żółte +12V lutujemy do czerwonego gniazda trzeciej pary, kolejne dwa czarne do czarnego.

Stosujemy po dwa przewody, ponieważ może przez nie płynąc prąd nawet do 10A. Dla takiego natężenia zalecane jest stosowanie przewodów o przekroju co najmniej 1.5 mm. Ponieważ przewody w zasilaczu bywają cieńsze, dla pewności łączymy je parami. Można ich zastosować nawet więcej, o ile mamy je dostępne w zasilaczu, na pewno w niczym to nie zaszkodzi.

Zapobieganie spadkowi napięcia pod obciążeniem

Zasilacz ATX ma interesującą cechę: przy dużym obciążeniu wyjścia 12V następuje spadek napięcia na tym wyjściu poniżej 12V. W przerabianym przez nas egzemplarzu, przy obciążeniu wyjścia 12V opornikiem 2Ω, czyli prądem 12V / 2Ω = 6A, napięcie spadło do 11.4V.

Można zapobiec temu spadkowi napięcia obciążając równocześnie wyjście 5V. W przerabianym zasilaczu obciążenie wyjścia 12V opornikiem 2Ω i równocześnie obciążenie wyjścia 5V opornikiem 3.5Ω spowodowało, że napięcie spadło już tylko do 11.8V.

Zapobieganie spadkowi napięcia na 12V poprzez obciążenie wyjścia 5V warto wykonać tylko w wypadku, gdy jest to rzeczywiście potrzebne. Aby się o tym przekonać należy sprawdzić w instrukcji ładowarki ile wynosi maksymalny pobór prądu i jakie jest minimalne wymagane napięcie. Następnie należy sprawdzić, czy przy obciążeniu wyjścia 12V takim prądem napięcie nie spadnie poniżej wymaganego minimum. Jeśli tak jest, trzeba dobrać obciążenie wyjścia 5V tak, aby napięcie na wyjściu 12V nie spadało poniżej minimum.

W przerabianym egzemplarzu napięcie nie spadało poniżej 11V, czyli napięcia minimalnego dla używanej przez nas ładowarki, dlatego nie było potrzeby obciążania wyjścia 5V.

Testowanie obciążenia nie jest łatwe, ponieważ moc wydzielana na rezystorach jest bardzo duża i wymaga zastosowania oporników o odpowiedniej obciążalności. Ponadto aby precyzyjnie dobrać obciążenie 5V wskazane jest wykorzystanie rezystorów o regulowanym oporze. My skorzystaliśmy tu z pomocy elektryka – profesjonalisty.

Kiedy znamy juz wartość oporu, którym chcemy obciążyć wyjście 5V, możemy wyliczyć moc, jaka będzie wydzielała sie na rezystorze (a tym samym obciążenie zasilacza). Skorzystamy ze wzoru:

P = U2 / R

Przykładowo dla wymaganego oporu 3Ω wydzielana moc wyniesie:

P = (5V)2 / 3Ω = 8.3W

Aby tak duża moc nie wydzielała się na 1 oporniku, należy użyć 3 oporników 1Ω połączonych szeregowo. Przy takim połączeniu moc wydzielana na pojedynczym rezystorze to 8.3W / 3 = 2.8W. Możemy zatem bezpiecznie zastosować dostępne w handlu oporniki ceramiczne 1Ω o obciążalności 10W.

Analogicznie, gdy wymagany opór to 2Ω, moc wydzielana wyniesie:

P = (5V)2 / 2Ω = 12.5W

W takim wypadku sugerujemy zastosowanie połączonych szeregowo czterech oporników 0.56Ω o dopuszczalnej obciążalności 10W. Przy takim połączeniu opór całkowity wyniesie 4 · 0.56Ω = 2.24Ω, a całkowita wydzielana moc wyniesie 5V / 2.24Ω = 11.16W. Moc wydzielana na pojedynczym rezystorze: 11.16W / 4 = 2.79W.

Gdy wymagany opór jest jeszcze mniejszy (czyli wymagane jest większe obciążenie zasilacza), należy już zastosować równoległe połączenie oporników. W takim wypadku opór całkowity wyliczamy z zależności:

1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + ... + 1 / Rn

Przykładowo użycie 6 oporników 10Ω połączonych równolegle da nam:

1 / R = 6 · 1 / (10Ω)

stąd opór całkowity:

R = 1.67Ω

Obciążenie całkowite wyniesie w tym wypadku 15W. Na jednym oporniku wydzielać będzie się moc 15W / 6 = 2.5W. Możemy zatem wykorzystać dostępne w handlu rezystory ceramiczne 10Ω 10W.

Rezystory należy zawsze dobierać tak, aby ich dopuszczalne obciążenie było znacznie (nawet dwukrotnie) większe od tego, jakie wyszło nam z obliczeń. Należy bowiem pamiętać, ze na wyjściu 5V w rzeczywistości może pojawić się większe napięcie, a wydzielana moc rośnie wtedy kwadratowo.

W każdym przypadku sugerujemy podłączenie obciążenia wyjścia 5V poprzez osobny wyłącznik tak, aby można go odłączyć, gdy nie jest potrzebne.

Zakończenie prac

Niewykorzystane przewody wychodzące z zasilacza należy albo wylutować, albo skrócić i dokładnie zaizolować. Teraz pozostaje już tylko wywiercenie w pokrywie otworów pod wyłącznik, diody LED (najprościej zamontować je z wykorzystaniem oprawek) oraz gniazda bananowe. Po dokładnym oczyszczeniu pokrywy z opiłków (mogą spowodować zwarcie!) montujemy elementy w otworach, po raz ostatni upewniamy się, ze wszystko działa i przykręcamy pokrywę n...