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INSFP SBA/SECTION : MSI/S2 CHAP02 : ALIMENTATION ATX M r : HALAILI.M ed Page 1 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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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