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L’ALIMENTATION ATX
I. Alimentation stabilisé:
Une alimentation doit fournir plusieurs tensions à partir d'une même source, à savoir la
prise 220V.
La tension qui sort de la prise est dite alternative car elle ne garde pas la même valeur au
cours du temps (contrairement à une tension continue, qui garde à peu près la même valeur
constamment). Le premier but de l'alimentation est de convertir le signal 220 Volts
alternatif en signal 12 Volts continu :
Fig01 : Tension alternative, tension
continue
1. Le redressement :
La première étape consiste généralement à utiliser un pont de diodes pour redresser
la tension. Le redressage consiste à transformer les alternances négatives en
alternances positives (une diode est un composant électronique ne laissant passer que
les alternances positives du courant). Voici à quoi ressemble le signal une fois qu'il a
passé un pont de diodes:
Fig02 : Pont de diodes
Fig03 : Tension redressée
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2. Le découpage :
Nous avons à ce stade redressé complètement le signal, mais il est encore loin d'être
continu !
La tension est ensuite lissée (filtrée) à l’aide d’un condensateur C pour se rapprocher
le plus possible d'une tension continue.
Fig03 : Pont de diodes et
condensateur de filtrage
Fig04 : Filtrage d’une
tension
Une fois celle-ci obtenue, il va falloir à partir de cette source de 12V obtenir deux
autres niveaux de tensions qui sont 5V et 3.3V.
Pour ce faire, elle utilise ce qu'on appelle le découpage. Le découpage consiste à faire
varier le rapport cyclique du signal de manière à obtenir une valeur moyenne
différente. Qu'est-ce que le rapport cyclique ? Prenons l'exemple de ce signal :
Le rapport cyclique est égal à Ton/(Ton+Toff), la
somme Ton + Toff étant la période du signal
souvent notée T. Le rapport cyclique est toujours
compris entre 0 et 1. La valeur moyenne du signal
obtenu va déterminer la tension en sortie. Si on
souhaite obtenir du 6V à partir de 12V, on aura
donc à choisir un rapport cyclique de 0.5
Fig05 :Le découpage d’une tension
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II. Alimentation à découpage : 1. Principe de base
Une alimentation pour ordinateur est un système complexe qui doit être capable de
fournir plusieurs tensions de manière régulée (3.3, 5, 12 et -12 V actuellement).
Les alimentations basse tension du type chargeur ou petit transformateur pour console,
téléphone, etc. abaissent le 230 V alternatif à quelques volts à l'aide d'un
transformateur, le redressent grâce à un pont de diodes, le lissent grâce à un
condensateur et le régulent (pas toujours le cas) pour fournir du 12 V continu par
exemple. C'est un système très simple de ce type :
Fig06 : Alimentation standard
Le problème c'est que le régulateur linéaire, qui agit comme une résistance variable
s'occupant de maintenir ce 12 V en sortie quelles que soient la tension d'entrée et la
charge appliquée, occasionne une chute de tension (on passe de 15 à 12 V par ex.).
Celle-ci génère donc des pertes et une puissance thermique qu'il faut évacuer.
Le rendement d'un tel système est très mauvais (25-50 %) car on dissipe beaucoup
d'énergie inutilement, mais il est suffisant pour de très petites puissances car c'est
très peu cher à fabriquer. Si on utilisait ce genre de système linéaire pour alimenter
un PC qui demanderait 300 W, il faudrait consommer pas loin de 900 W pour que le
système fonctionne, avec une différence de 600 W qui partirait en chaleur ! En 50
Hz, il faudrait un gros transformateur, pesant pas loin de 10 kg, pour être capable
de fournir 300 W, en plus des 600 W de pertes induites par la régulation, qu'il faudra
bien dissiper....
Il faut donc trouver une solution beaucoup plus efficace et c'est là que le découpage
intervient. Pour faire simple, une alimentation à découpage transforme le 230 V
alternatif en 325-400 V continu, puis hache cette tension à haute fréquence pour en
faire un train de fines impulsions (durée = ~0.00001 seconde), dont la moyenne lissée
et filtrée donnera les tensions nécessaires en sortie. Voici l'explication en images :
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Le rapport cyclique (duty cycle en anglais) est
le rapport entre le temps de conduction et le
temps d'une période (conduction+blocage) de la
forme en créneau. Si on hache du 10 V avec un
rapport cyclique de 50 %, on obtient du 5 V en
moyennant le signal obtenu. Si on hache ce 10 V
à 25 % maintenant, on obtiendra du 2.5 V et
ainsi de suite. Il suffit de calculer le bon
rapport entre le temps de conduction et la
valeur de la tension à découper pour avoir ce
que l'on souhaite en sortie.
Fig07 : Découpage d’une tension
2. Fonctionnement :
Voilà un schéma de principe du fonctionnement d'une alimentation à découpage :
Fig08 : Schéma de principe d'une alimentation à découpage
La tension du secteur est d'abord filtrée, redressée puis lissée pour obtenir une
tension continue entre 325 et 400 V (suivant s'il y a un PFC actif ou non).
PFC = Power Factor Correction, signifie que l’alimentation contrôle la tension est la
température. Quand elles sont active PFC, le ventilo est alors contrôlé par la carte
mère.
Détaillons un peu le fonctionnement avec les composants principaux qui ont été
annotés sur l'image précédente. On commence avec l'arrivée du 230 V dans
l'alimentation :
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1. Première étape : protections et filtres
Le bloc d’alimentation est tout d’abord équipé d’un fusible
noté F1, dont le rôle est de protéger l’installation électrique
de votre maison. En cas de court-circuit, ce fusible va «
sauter » et ainsi ouvrir le circuit électrique afin de stopper
les dégâts.
Un autre composant appelé varistance (varistor) noté S1 protégera
cette fois le bloc d’alimentation (et les autres composants de
l’ordinateur par la même occasion) en cas de surtension. Typiquement,
cela se produit lorsque la foudre s’abat dans le coin. En temps normal,
cet élément a une très grande résistance électrique, le courant de
fuite qui le traverse est donc négligeable et rien ne se passe. Par
contre, lorsque la tension augmente brutalement au-delà d'un certain
seuil, sa résistance chute d'un seul coup et il court-circuite alors directement
l'entrée. Comme il est capable d'absorber une très grosse énergie durant la fraction
de seconde que dure le phénomène, il évite que la haute tension n'endommage ce qui
se trouve derrière lui.
On trouve juste derrière le varistor plusieurs filtres pour
empêcher les parasites hautes fréquences générés par l'étage de
découpage (ou d'un PFC actif) de remonter vers le réseau pour le
polluer. Sur le schéma, on a 2 filtres T1 et T2 avec les
condensateurs associés C1, C2 et C3, mais il peut y en avoir 3 pour
encore plus d'efficacité.
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2. Deuxième étape : Redressement et découpage
On peut ensuite redresser la tension alternative sinusoïdale
avec un pont de diodes tout simple pour la rendre continue en
mettant toutes les alternances du même côté. Son
fonctionnement est amélioré quand il y a un PFC actif car le
courant est bien sinusoïdal et évolue en douceur. Quand il n'y a
pas de PFC, le courant arrive en pics et les diodes doivent
encaisser cette brutalité.
En sortie, on obtient du 325 V continu non lissé (Vefficace
=230V, VMax= Veffx√ = 325V) pour alimenter le module PFC
s'il y en a un, sinon directement l'étage de découpage en
passant par un ou deux gros condensateurs suivant la manière
choisie pour découper. Ces condensateurs serviront à lisser la
tension et à stocker de l'énergie pour le découpage.
3. Troisième étape : Circuit de sortie (Redressement final)
En général, il n'y a que 2 enroulements différents au secondaire, un pour le 12 V et un
pour le 5 V. Le 3.3 V sera créé à partir du 5 V.
Les impulsions sortent des enroulements secondaires du transformateur pour aller à
l'étage de redressement final. On utilise encore une fois des diodes pour faire ce
travail (rappel : elles ne laissent passer le courant que dans un seul sens). Elles sont un
peu différentes des diodes classiques car ce sont des diodes de puissance et très
rapides, dites diodes Schottky. Ça signifie simplement que si la tension vient à
s'inverser à ses bornes, ce qui est le cas avec les impulsions positives-négatives, elle
se bloque beaucoup plus vite qu'une diode normale pour ne pas laisser passer le
courant dans l'autre sens. C'est très important vu la vitesse de découpage.
Fig. 10 : Pont
de diodes
Fig. 11 : Condensateur
de lissage
Fig. 12: Redressement final
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En plus, elle engendre une chute de tension plus faible (~0.3 à 0.5 V) que les diodes
normales (~0.7 V) et donc provoque moins de pertes inutiles lors du passage de forts
courants.
Pour des raisons de commodité, on les rassemble par 2
dans un même pack qu'on désigne par le terme "barrière
Schottky". On en trouve plusieurs sur le radiateur près
de la sortie pour les 3 tensions principales. Ces diodes
sont l'une des sources majeures de perte de rendement
dans l'alimentation, avec les transistors de découpage.
Voici à quoi ça ressemble une barrière Schottky
Le courant ne peut circuler que de A1 ou A2 vers K (dans
le sens des flèches), l'autre sens est bloqué par les
diodes
4. Quatrième étape : Filtrage
On arrive à la fin du processus avec un signal redressé, mais toujours en créneau. Il
faut maintenant le lisser et le filtrer pour obtenir une tension et un courant propres
et stables. Cet étage de filtrage est l'un des plus importants, sinon le plus important
à ne surtout pas négliger. De lui dépend la qualité des signaux envoyés à tous les
périphériques. Ci-dessous, figure un étage de filtrage fin, situé juste après une
barrière Schottky D3/D4, qu'on retrouve sur chaque tension principale d'une
alimentation. On n'en représente qu'une seule par commodité :
Le point remarquable qui permette le bon fonctionnement d'un
système à découpage repose sur les propriétés des inductances
(notée "inductance de lissage"). Le courant qui traverse une
inductance, qui est un fil entouré autour d'un noyau
ferromagnétique, ne peut en aucun cas s'interrompre ou changer
brutalement. Quand le courant varie rapidement, l'inductance
s'oppose à sa variation en tentant de maintenir un niveau
Fig. 13: Barrière Schottky
Fig. 14: lissage
et filtrage
Fig. 15:Inductance
de lissage
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constant grâce à l'énergie qu'elle a emmagasiné sous forme magnétique dans son
noyau lors du passage du courant. S'il diminue ou s'interrompt, l'inductance maintient
le courant de sortie aussi longtemps que possible, elle agit alors comme un générateur.
Le courant équivalent est la moyenne de ce signal en dent de scie.
:
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III. ALIMENTATION ATX :
Développé par intel en 1995 ,l'alimentation ATX présente
dans chaque PC, a pour rôle de transformer le courant
secteur 220V en courant utilisable par le PC, soit 12V (pour
les moteurs) et 5V(pour les circuits électronique) ou
3.3V(pour le microprocesseur). La forme de l’alimentation
variera suivant les boîtiers, c'est la raison pour laquelle elle
est généralement vendue avec.
Sur la face arrière, on trouvera une fiche triple pour la prise
220V et, souvent, une sortie au même voltage pour alimenter
l'écran. Sur cette même face, un ventilateur est disposé, son
rôle est de refroidir ce composant, ainsi que l'intérieur du PC. Il
faudra toujours veiller à laisser ce
ventilateur dégagé, toute surchauffe pouvant
endommager gravement le PC.
Les alimentations disposent d'un sélecteur de
voltage 220V - 110V, il faut toujours le
contrôler avant l'allumage du PC. Des
composants primordiaux pourraient être
endommagés.
Il existe des alimentations dont la ventilation est thermorégulée
: pour faire le moins de bruit possible, la vitesse du ventilateur
varie en fonction de la température de l'alimentation. Plus elle
chauffera, plus il tournera vite et inversement.
La puissance idéale d’une alimentation se situe aujourd'hui à
600W pour une configuration de gamer (joueur passionné de jeu
vidéo). Vous pouvez réduire cette puissance à 450Watt avec une
configuration bureautique
Ce niveau de puissance est largement suffisant pour tout type
d'usages. L'avantage de prendre une alimentation très puissante
est qu'elle fera généralement moins de bruit qu'une petite
alimentation utilisée à son maximum, la durée de vie en sera d'ailleurs améliorée.
Fiche triple femelle pour
alimenter le moniteur
Fiche triple mâle
pour alimenter
l’unité centrale
Fig. 15:Alimentation
thermorégulée
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1. Connectiques d’une alimentation ATX :
Connecteur ATX 20/24 broches :
C'est celui qui permet la mise sous tension de la carte mère. Autrefois à 20
broches, la norme actuelle en compte 24. Il est presque toujours composé d'un
bloc de 20, auquel on peut adjoindre un bloc de 4 broches. Ceci afin de respecter
la rétro-compatibilité avec les anciennes cartes mères à connecteurs 20 broches.
Le 3,3V : tension d’alimentation des microprocesseurs modernes.
Power-on : aussi appeler soft power, il permet l’extinction logiciel du PC.
Stand-by : en permanence actif, ce qui fournit à la carte mère une énergie
minimale pour permettre l’activation réseau.
Power good : L'alimentation veille à ce que l'ordinateur dispose d'une tension et
d'un courant adéquats. Elle dispose pour cela du signal POWER GOOD : Lorsque ce
Fig. 15: Connecteur 20 broches Fig. 15: Connecteur 20+4 broches
Fig. 15: Les Pins d’un connecteur
24 broches
Fig. 15: Les Pins d’un connecteur 20
broches
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signal n'est plus reçu (ex, lors d'une sollicitation trop importante), l'ordinateur est
automatiquement réinitialisé.
Connecteur "ATX P4" :
Ce connecteur, appelé "ATX-P4" (ou aussi ATX 12V), fut introduit par Intel pour
les pentiums 4 (d'où son nom). Il se branche sur la carte mère et il est
exclusivement réservé à l'alimentation du processeur. Sans lui, le démarrage du PC
est impossible.
Aujourd'hui, la plupart des cartes mères passent de 4 à 8 broches, la puissance
des CPU ayant depuis évolué. Sur les dernières normes d'alimentation, cela se
traduit par un connecteur 8 broches (appelé parfois EPS 12V), composé de 2 blocs
4 broches, là aussi pour assurer la compatibilité avec les cartes anciennes et le
classique "ATX P4".
Connecteur "MOLEX" :
Il sert à brancher disque dur et unité en tout genre (lecteur/graveur). Certaines
cartes graphiques peuvent avoir besoin de ce connecteur également.
On trouve sans difficulté des connecteurs adaptateurs molex/sata pour ceux qui
en auraient besoin.
Fig. 15: Connecteur "ATX
P4" détaché
Fig. 15: Connecteur "ATX
P4" attaché
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Connecteur "SATA" :
Apparu avec la norme du même nom, il devient
indispensable car présent dans tous les PC
modernes, une alimentation digne de ce nom doit en
posséder au minimum 4 aujourd'hui. Il sert
essentiellement à l'alimentation des disques durs
et graveurs à la norme SATA.
Connecteur "PCI express" pour carte graphique :
La puissance des cartes graphiques ne cessant d'augmenter également, nombres
d'entre elles réclament aujourd'hui une alimentation en provenance direct du
bloque principal (parfois même deux !).
C'est le rôle de ce connecteur. A l'origine, en 6 broches, on le trouve de plus en
plus en 8 broches. Si vous comptez
acheter une carte graphique puissante,
soyez vigilant sur ce point, sans ce(s)
connecteur(s) branché(s), la carte et
même le PC ne démarreront pas. Aussi,
votre alimentation devra comporter au
moins un ou deux connecteurs PCI
express dont un au minimum convertible
6/8 broches comme ci-dessous :
Fig. 15: Connecteur Molex Fig. 15: Adaptateurs molex/sata
Fig. 15: Connecteur SATA
Fig. 15: Connecteur PCI express
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IV. Les signaux échangés entre la carte mère et l’alimentation
Les cartes mères récentes fournissent un signal PS-ON via lequel un programme peut
lui-même allumer ou éteindre l’alimentation. Cela permet d’allumer la machine
automatiquement lors par exemple d’un appel via le modem « Wake on modem », via le
réseau « Wake on LAN » ou à partir d’un port USB « Wake USB ». C’est aussi le signal
PS-ON qui va couper automatiquement la machine lorsqu’on sélectionne l’option « Arrêter
» du menu « Démarrer ».
La carte mère met la ligne PS-ON au zéro volt pour commander l’apparition des tensions
+5, +12V, +3,3V, -5V et –12V. Ces tensions disparaissent quand la carte mère cesse de
retenir la ligne PS-ON à la masse. C’est à ce moment aussi que le ventilateur s’arrête.
La tension +5VSB (stand-by) est la seule qui soit livrée en permanence par l’alimentation
quel que soit l’état de la ligne PS-ON. Elle est la source de courant pour les circuits qui
doivent rester sous tension même lorsque l’ordinateur est éteint.
Après sa mise sous tension, l’alimentation délivre un signal « Power-good » (PG) parfois
aussi appelé « Power-OK » (PW-OK) à la carte mère qui provoque l’initialisation du CPU.
La montée du signal Power-OK a exactement le même effet que lorsqu’on agit sur le
bouton reset du PC. Le processeur saute à l’adresse FFFF:0000 qui est le point de
départ du BIOS.
En cas de défectuosité de l’alimentation, le signal Power-OK retombe ce qui va provoquer
un redémarrage intempestif du PC.
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V. SCHEMAS INTERNE D’UNE ALIMENTATION ATX :
Ci-dessous, figure un exemple concret et détaillé d'une alimentation ATX LC 550
watt.
Une des choses importantes est le fait que la partie réseau en 230 V et la partie très
basse tension pour la machine sont isolées l'une de l'autre. On réalise la séparation,
dite galvanique, grâce aux transformateurs et à des liaisons optiques (optocoupleurs)
pour piloter les transistors de découpage de l'autre côté
On parle d'isolation galvanique entre deux circuits électriques ou électroniques,
lorsqu'il n'y a aucune liaison par un conducteur d’électricité (fil électrique, châssis
métallique, etc.) entre ces deux circuits.
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VI. CHOISIR SON ALIMENTATION
Bien choisir son alimentation est important. En effet, l'alimentation va souvent déterminer
le niveau d'évolutivité de votre PC ainsi que sa stabilité. Évitez donc à tout prix des
alimentations dites no name (sans marque) et préférez des produits de constructeurs
reconnus, comme par exemple Enermax, Antec ou encore Fortron. Une alimentation no name
ne disposera généralement pas d'un fusible de sécurité permettant de sauver le reste de
votre configuration en cas de surintensité.
Il faut bien sûr une alimentation qui puisse fournir l'énergie nécessaire à tous vos
composants. Les composants qui demandent le plus de puissance sont le ou les processeurs
et la ou les cartes graphiques, les autres composants demandant beaucoup moins de
puissance.
Pour un PC de base, une alimentation de 200-250W suffit. Il faut quand même toujours
veiller à prendre un peu plus que ce qu'on aurait besoin, on n'est jamais à l'abri d'un
changement dans son PC. Dès qu'on utilise des cartes graphiques de dernière génération ou
alors des processeurs bi/quad-core, il faut tout de suite augmenter la puissance fournie par
l'alimentation pour arriver aux alentours des 350-400W. Pour un PC avec plusieurs
processeurs ou plusieurs grosses cartes graphiques. Les machines monstrueuses de certains
joueurs utilisent parfois des alimentations pouvant aller jusqu'à 750W, mais cela reste des
exceptions.
Pour calculer le besoin en Watts d'un composant vous pouvez plus ou moins vous fier à cette
liste :
Carte mère : Environ 30 à 40W
Processeur simple core : 40W
Processeur dual core : 90W
Processeur i3, i5 ou i7 : 140W
Carte mère (avec RAM) : 20W
Carte Vidéo PCI/AGP : 50W
Carte vidéo haut de gamme : 125W
Carte additionnelle PCI : Entre 15 et 55W
Disque dur : Entre 15 et 40W en fonction de l'utilisation
Lecteurs amovible : Entre 10 et 20W
Autres périphériques (clavier, souris, ventilation, …) : Au maximum 20W.
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Bien sûr, ces données peuvent changer d'un matériel à l'autre, mais représentent une
bonne moyenne.
VII. Testé une alimentation:
Une tolérance de +/- 5% est acceptable pour les tensions de +12V, +5V et +3,3V. Pas de
panique donc si vous mesurez 4,8 V au lieu de 5 V. Les constructeurs ont prévu que cette
tension puisse descendre jusqu’à 4,75 V (5V – 5%)
Les tensions de –5 V et –12 V sont moins précises encore puisque les normes de
fabrication des d’alimentations acceptent des écarts de +/- 10 %.
Pour démarrer une alimentation ATX sans carte mère
(pour diagnostique par exemple) voici un schéma simple :
Il suffit de relier 2 PIN (du connecteur 20 ou 24
broches) le fil PS_ON (de couleur verte) à un des fils
de masse COM (masse de couleur noir), et elle doit se
mettre en marche.
Une fois l’alimentation mis en marche on commence par
tester à l’aide d’un multimètre les différentes tensions
, par exemple La masse du voltmètre (fil noir) sera relié
au fil noir du connecteur Molex et le fil rouge du
voltmètre sera relié au fil jaune du connecteur Molex,
on obtiendra une tension qui avoisine les 12V
Signal Valeur Max Valeur Min
Power Good 6V 3V
+/-5V 5,4V 4,5V
+/-12V 12,9V 10,8V