Historik
Man kan särskilja två typer av nätaggregat; linjära och switchade. I persondatorns barndom var alla kraftaggregat linjära, bestående av en enkel transformator, en likriktarbrygga, en stor kondensator och en regulator. Och möjligen en nätsäkring.
Fördelen med linjära aggregat är att de är enkla att bygga, har få komponenter och kan leva länge. De åstadkommer inga radiostörningar. Problemet med linjära aggregat är å andra sidan att de inte är återkopplade och inte kan kompensera för olika belastningsfall, eller ens ett 15% fall i nätspänningen. Därför måste man använda en transformator som tål maximal belastning, och lite till, och den måste mata ut en överspänning som inte kommer att sacka ned under minimispänningen vid maximal belastning och nätspänningsfall.
Spänningen över silkondensatorn ser ganska "ful" ut, men man klipper bort den fula spänningen plus reglermarginalen med en regulator, ungefär som när man klipper av den fula kanten på ett rivet pappersark. Den avklippta kanten representerar förlorad verkningsgrad. Den kan bli ganska betydande. En minsta reglermarginal på 2 volt behövdes för den dåförtiden ganska populära regulatorkretsen 7805. Den var mycket enkel att implementera, men man fick ta sitt straff i form av mycket bortkastad energi.
Det går visserligen återkoppla även linjära aggregat, men det hjälper inte på det bortklippta röda området ovan. Tvärtom behövs ännu större marginal att kunna klippa bort vid behov.
Med de snabba FET-halvledarna kom möjligheten att koppla till och från stora strömmar snabbt och göra konstgjord växelström i form av snabba pulsbreddsmodulerade fyrkantvågor med hög effekt – därmed föddes switchaggregatet.
I switchaggregatet går det att styra inspänningen till transformatorn och därmed hålla exakt rätt utspänning oavsett belastning eller fall i nätspänningen. Den fula extrakant på spänningen som ändå uppstår, hålls vid ett sådant minimum med hjälp av återkoppling, att den faller inom toleranserna för vad aggregatet får mata ut. Energi som inte förbrukas, släpps aldrig igenom transformatorn och dras aldrig från elnätet.
Inkommande nätspänning likriktas direkt och stabiliseras med silkondensatorer till 300 volt likspänning. Spänningen hackas sönder till mycket smala kantvågspulser på omkring 500 kilohertz med två snabba switchtransistorer, där pulsbredden kan varieras efter effektbehovet. Nedtransformatorn har inte en kärna av järn, eftersom förlusterna skulle bli för stora vid 500 kHz, utan en kärna i pressat glas och järnpulver, så kallat ferrit, som ger lägre förluster vid så höga frekvenser. En ferrittransformator blir mycket mindre än en järnkärnetransformator för motsvarande effekt.
Lågspänningen likriktas och silas i silkondensatorer, men tack vare den höga frekvensen kan kondensatorerna göras små i förhållande till hur stora de skulle ha varit för att klara motsvarande utgångsström i ett linjärt aggregat. Utgående spänning kan mätas på utgångarna, eller hellre vid förbrukaren, moderkortet, och matas tillbaka till en jämförare, som ser till att hålla korrekt utspänning genom att tvinga switchdrivkretsen att mata på längre spänningspulser på transformatorns ingångssida.
På så vis går det också att automatiskt kompensera för olika nätspänningar, som 115 och 230 volt – switchtransistorerna får vara på längre vid lägre nätspänning. Eftersom nätspänningen likriktas direkt, spelar nätfrekvensen ingen roll, 50 eller 60 Hz är ointressant. Likspänning hade fungerat lika bra (se sista avsnittet).
Hurra, en standard!
Som någon sorts försynens gyllene trollspö har det uppstått en standard för PC-aggregat, som få vågar trotsa. IBM skapade av naturnödvändighet de första aggregaten, AT (Advanced Technology) eftersom IBM byggde den första persondatorn omkring år 1981. Med dagens mått mätt var aggregaten inte särskilt kraftfulla, bara lite drygt 60 watt.
År 1995 lade Intel fast ATX-standarden (Advanced Technology eXtended) för nätaggregat och som med alla standarder har den möjliggjort enkelt utbyte av kraftaggregat, billig OEM-tillverkning och en möjlighet till snabb reparation och uppgradering. Måtten är fastslagna för att alla aggregat ska passa i ett standardiserat uttag i en vanlig datorlåda, och så är även monteringsskruvarnas placering. Aggregatet ska vara 150 mm brett, 86 mm högt och ungefär 140 mm djupt, även om djupet kan variera från en tillverkare till en annan.
Från att 5-voltsledningen fick ta all belastning i början av utvecklingen då alla kretsar var av TTL-typ, är det idag 12-voltsledningen som får ta den mesta belastningen eftersom grafikkorten drar mycket ström på 12-volten. Idag drivs den mesta logiken på moderkorten med 3,3 volt, även om 5 volt ofta switchas ned till 1,2 och 1,4 volt kärnspänningar med DC/DC-omvandlare (mer om det nedan).
Bilden visar moderkortsänden av ATX-kontakter av båda versionerna. COM betyder Jord och är traditionellt utför med svarta ledare, till 5 volt används röd och till 12 volt gul, en standard som elektronikbyggare använt sedan anno dazumal. Bildkälla: Kidbots.
ATX-specifikationen anger huvudsakligen spänningsnivåer och toleranser och har förekommit i ett antal varianter genom åren, med ett antal revisionsnivåer. Den ursprungliga ATX-specifikationen kom som sagt år 1995 och därefter har det släppts en hel hord: ATX12V 1.0, 1.1, 1.2 och 1.3 samt ATX12V 2.0, 2.01, v2.1, v2.2, v2.3, v2.31, v2.32 och nu allra som senast v2.4. Dessutom finns beklagligtvis några avarter med andra storlekar på antingen aggregatets låda eller med avvikande kontaktdon, som SFX, TFX, WTX, AMD GES och EPS12V.
I princip har utvecklingen medfört allt bättre överensstämmelse med EMC-specifikationerna, bättre toleranser på utgångsspänningarna, överensstämmelse med Energy Star-krav, men kanske framför allt högre utgångsströmmar. Idag är som tidigare nämnt 58 ampere på 12-volten ingen ovanlighet. Vissa extrema aggregat kan krama ut ända upp till 160 ampere (man skulle kunna svetsa med dem).
DC/DC-omvandlare
En DC/DC-omvandlare på ett Asus-kort, med två ferritkärnor (fyrkantiga) och sex kondensatorer. Halvledarna är dolda.
Man kan "klippa ut" lämpliga delar av kraftaggregatet och återanvända på andra ställen i datorn. Moderna processorer har behov av ett antal olika matningsspänningar, som skapas lokalt på moderkortet, eftersom sagda spänningar faller utanför ATX-specifikationen och dessutom ändras med varje ny processorgeneration och tillverkare. Principen för detta lill-nätaggregat är den samma som för det vanliga kraftaggregatet, bortsett från att det inte matas från elnätet utan får en redan färdig likspänning och gör en annan likspänning av den. Sådana anordningar brukar kallas för DC/DC-omvandlare.
Det sitter dessutom ett par-tre stycken i varje modern mobiltelefon och andra elektroniska enheter.
