Hibás PC tápegységek (ATX-PSU) újrahasznosítási lehetőségei

Ez a kérdés már foglalkoztat egy ideje.
De vajon egy rossznak minősített pc tápegység mennyire javítható? Sok esetben már akkor is rossznak titulálnak egy tápegységet ha leadott teljesítmény ingadozik. Gyakori hibaok lelhet a kondenzátorok ESR értékének a növekedése és a kapacitáscsökkenése, viszont ez a hiba a kondenzátorok cseréjével könnyen orvosolható.
Ha például már a vezérlőelektronika száll el a szekunder oldalon ez komolyabb hiba, és sokszor ezt már nem is
javítják.

Az újrahasznosítási lehetőségeket a következő szempontok alapján mérlegeltem:

1. A rossz táp fő komponenseinek elemzése újrahasznosíthatósági és életciklus szempontból
2. Minél egyszerűbb megfelelő kapcsolási topológia keresése
3. Az transzformátorok direkt módosítás felhasználása áttekercselés nélkül
4. Az újraépítés megtervezése
5. A bontott alkatrészek mérése tesztelése
6. Új nyomatott áramköri panel tervezése
7. Összeszerelés, mérés, tesztelés
8. Az alkatrészek lebontása esetén a nyák lap ártalmatlanítási újrahasznosítási lehetőségei kérdése vizsgálata

A rossz tápegység házának újrafelhasználási lehetősége

Egy rossz tápegységnek önmagában már a házát is érdemes lenne felhasználni. Ha jövőben is marad ez a „szabvány” elektronikai panelméret az és rögzítő csavarfuratok helye sem változik, már meg is van a ház egy új táphoz elektronikához, és a teljesítménytől függően mindössze a ventilátort s esetleg a kapcsolót kell kicserélni illetve új matricát ragasztani.
A használt házhűtő ventilátort pedig be lehetne építeni egy kisebb légáram igényű elektronika hűtésre így ha ventilátor nem is olyan csendes de működik nem kellene veszélyes hulladékként kezelni.

A tápegység üres háza a benne hagyott ventilátorral.

Véleményem szerint hasonló a helyzet a kijövő kábelköteggel is: amennyiben nem tűnik elhasználódottnak,nincs égés, szakadás, zárlat átütés nyoma, mechanikai sérülés, olvadás vagy deformáció nyoma, ha a vezetékek teljesen épek, ez szintén felhasználható lehetne egy újabb tápegységben.

Tápegységben használt tipikus kábelköteg

A tápegység rövid szerkezeti áttekintése, az újrahasznosítási elgondolása.

Általában már a bemeneti hálózati csatlakozó után külön panelon van a hálózati zavarszűrő és egy vagy több X kondenzátor kiegészítve.
Az áram és a feszültség innen továbbmegy a táp nyomtatott áramkörének a primer részére. Általában itt is több X több Y kondenzátor van, és gyűrű vagy E magos zavarszűrő tekercs az egyenirányító előtt. Itt található még a biztosíték és a lökésgátló NTC ellenállás is.
Az egyenirányított feszültséget általában 2 db „kondenzátor simítja” innen került tovább a feszültség primer oldali készenléti és teljesítmény részére. A táp panel közepén a két darab hűtőborda között foglalnak helyett helyett transzformátorok és a primer illetve a szekunder oldali a teljesítmény alkatrészek.
A transzformátorok: készenléti trafó, a segédtáp és a teljesítménytrafó általában a táp meghibásodása után is működőképes marad és gyakran a nagy teljesítményű tranzisztorok schottky diódák és egyéb félvezetők is használhatóak maradnak.

A kérdés adott: ezekből a nagy méretű alkatrészekből mit, hogyan lehetne újrahasznosítani, és persze
hogy mekkora teljesítményre lenne alkalmas az újraépített tápegység?
A legegyszerűbb megoldásként vegyük ki az összes alkatrészt bontsuk le a panelról és keressünk olyan kapcsolási
topológiát aminél minél kevesebb küldő alkatrész bevonásával lehet építeni egy újabb áramkört.
Egy tápegység teljesítménye több dologtól függ.
Nagy általánosságban: milyen kapcsolási típust, topológiát alkalmazunk, milyen alkatrészekből épül fel és ezek milyen teljesítményűek.

Nagyon röviden a táp működéséről.
A hálózati feszültség egyenirányítása szűrése után a feszültséget és 50-70 kHz-es nagyfrekvenciás jellé kapcsolóüzemű áramkörrel alakítják át kisfeszültségű, nagy áramú elektromos teljesítménnyé. A kapcsolóüzemű mód miatt vannak a primer oldalon a zavarszűrő elemek. A transzformátorok pont a nagyfrekvencia miatt kis méretűek,
az 50 Hz működő társaikhoz képest.
Pc tápból bontott trafót 50 Hz hálózatra nem szabad rákötni!
Maga a vasmag anyaga is más nem olyan mint a hagyományos lemezes vasmagé. Hanem porkohászati úton előállított nagyfrekvenciás teljesítmény és frekvencia átvitelére alkalmas vasmag.

Tápegység felépítése

Mit tartalmaz a táp?

Tápegység felépítése

P - Primer oldal
S - Szekunder oldal

1 - Hűtőbordák
2 - Puffer kondenzátorok
3 - Egyenirányító
4 - Y kondenzátorok
5 - Zavarszűrő tekercs
7 - biztosíték
8 - NTC ellenállás
9 - Készenléti trafó
10- Segédtáp trafó
11- Pc nagy teljesítmény trafó
12- Fojtótekercsek
13- Induktivitás
14- Ventilátorszabályzó
15- Optocsatoló
16- Termisztor

Kiforrasztott alkatrészek

A kiforrasztott alkatrészek.

1 - Hálózati zavarszűrő tekercs E vasmaggal
2 - Hálózati zavarszűrő tekercs gyűrűvasmagon
3 - Segédtáp trafó EE16 vasmaggal
4 - Gyűrűvasmagok
5 - D209 Bipoláris tranzisztor
6 - Induktivitás
7 - Kondenzátor a Supply trafó előtt szokott lenni leválasztó szerepet tölt be
8 - Egyenirányító híd
9 - Nagy pc trafó a fő elektronos teljesítmény ezen áramlik keresztül
10- Primer köri puffer kondenzátorok

A PC tápegység készenléti (standy, flyback) trafójának újrahasznosítási lehetőségei:

A PC táp készenléti trafója általában 10-15 W teljesítmény átvitelére alkalmas. Ez már elég egy 5-10
W-os power led maghajtására is.
Ilyen teljesítménynél ideális a flyback topológiájú kapcsolás, ez a trafó is így üzemel.
Az egyik megvalósítási lehetőség Top 224Y-es off line típusú flyback kapcsolóüzemű IC-vel történő megvalósítás.
Az IC köré épülő néhány alkatrész felhasználásával könnyen építhető kis teljesítményű kapcsolóüzemű tápegység.
A rossz PC tápegység készenléti trafója mellett lévő optocsatoló is felhasználható, illetve a zavarszűrő az egyenirányító és a pufferkondenzátorok is.

Flyback tápegység TOP224-es vezérkővel

A Top IC családhoz mindössze egy dióda és egy szupresszor dióda szükséges, tehát nem a klasszikus dióda-kondenzátor-ellenállás hármassal van kialakítva.

További példaként az UC3842 egy 600-800 V-os fet és néhány alkatrész kiegészítésével felépített az előzőnél olcsóbban felépíthető kapcsolást szeretném bemutatni.
A jól működő áramkör kialakításának fontos szempontja a kapcsolóelem biztonságos működéséhez feszültségcsúcsoktól való védelméhez, a trafó primer oldali tekercshez kapcsolódó snubber megfelelő méretezése.

Tipikus Flyback tápegység UC3842-es vezérkővel

További vizsgálódás tárgya lehet még a több különböző PC tápegységből bontott standby trafók vizsgálata, elsősorban indukciós paraméterek, pl. nyugalmi szórási indukció szempontjából, illetve működési frekvenciájuk alapján.

A második flyback tápom az alábbi kapcsolás alapján lett megépítve
http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=miniflybacksmps

Flyback tápegység UC3842-es vezérkővel

A megépített flyback tápegység UC3842-vel

Annyi módosítással, hogy a primer tekercs kivezetései közé beraktam egy RCD snubbert. SF18-as diódával 1nF (1KV)-os kondival és egy 39K ohmos ellenállással, valamint a TL431-es ellenállás osztó értékein módosítottam. Így az alap kb. 14.02V helyett 11.85 V az alapjárati feszültség és egy 10 W-os leddel is terhelve csak kb. 11.65 V-ra esik a feszültség.
A kacsolás nagy előnye hogy viszonylag a TOP vezérlő ic-s verziónál olcsóbban megépíthető, figyelembe véve azt hogy a pc táp 2N60-as fetjét is be lehet építeni fetnek. Én is ezt használtam.
Érdemes azért 600V vagy 800V-os típust használni. Én a tápot 10-14W-al terheltem.
A trafó és a fet ilyenkor már jelentősen melegszik nem árt a léghűtés sem!
5-6W-al terhelve nem vészes a melegedés. A másik hátrány hogy a trafó 6W terhelés felett már jó hallhatóan zizeg.
Másrészről érdemes megvizsgálni a pc táp flyback készenléti részét is. Sok esetben ez még teljesen jól működik és akár ezek alkatrészei is újrafelhasználhatóak volnának egy kis panelen.

A PC tápegység (supply)teljesítmény trafójának újrahasznosítási lehetőségei:

Nagy teljesítményigény esetén a PC power-supply teljesítménytrafóját célszerű használni. Ez a trafó a legnagyobb a méretű a tápegység panelján.

A bontott PSU alkatrészeiből újraépített, működő kapcsolóüzemű tápegység

A másik Jellegzetessége ennek a trafónak még hogy a szekunder oldalon általában 7 láb található, 6 láb a trafó alján, illetve egy különálló láb külön van kivezetve. Általában ez a szekunder oldali tekercsek középső közös kiindulópontja. Ehhez a közös pont ehhez képest lehet egyenirányítás után a -5V, -12V, +5 +12 V feszültség ágakat kialakítani.
Az egyenirányításra előszeretettel használnak dual Schottky-dióda diódákat mely szintén újrahasznosítható a rossz táp panelról.
Ezt a teljesítmény trafót félhidas /half bridge/ kapcsolás hajtja meg. A trafó primer oldali teljesítmény meghajtó elemeiként tranzisztorokat használnak általában. Egy egyszerűbb TL494-es IC-vel felépített tranzisztorokkal megvalósított AT tápegység topológiát követően a régi bontott alkatrészek újrahasznosítási aránya több mint 95% lehet.

Ez a fajta kapcsolás igazán 200-300 W közötti terhelés mellet működik igazán jó hatásfokkal.
Az áramkör félig önrezgő TL494-es integrált áramkörnek inkább csak kontroll szerepe van.
Az áramkör használható lenne fetekkel is a TR áttekercselése esetén.
A legjobb alkatrész újrahasznosítási arányt ez az áramkör mutatta. Majd 80-90%-os újrahasznosítással.
Én a könnyebb szerelhetőség miatt használtam főként a diódák és ellenállások tekintetében új alkatrészeket, de mind a primer, mind a szekunder oldali elemek; biztosíték foglalat, lökésgátló NTC ellenállás, a két 200V-os pufferkondenzátor, a kis- és a nagy supply trafó, a primer oldali kapcsolótranzisztorok, a hűtőborda, és a szekunder oldali alkatrészek a régi „rossz” táp bontott alkatrészeiből származik.

A másik lehetőség a supply trafó meghajtása több külső alkatrész bevonásával. Az IR2153 integrált áramkörrel és két db IRF740 vagy IRF840 és még néhány lakatrész bevonásával viszonylag egyszerűen építhető supply trafó meghajtó áramkör.

Az IC a FET-ek vezérléshez szükséges, a szintemelés és a két átkapcsolás közötti holtidő /dead time/ biztosítja, hogy a két FET sose legyen egyszerre egy időben nyitva, mert ez gyakorlatilag zárlatot okozna.
Ennek kapcsolásnak hátránya hogy nem védett a túláram és a túlterhelés ellen. Ennek a megoldása további fejlesztést igényel a szekunder oldalon.
Pl. az IR2153 IC táplálása egyszerűen megvalósítható a supply trafó tekercse köré tekert 5 menetes
„trafóval” kialakított 56 ohmos áramkorlátozott 4 db 1N4148-as diódából álló egyenirányítóval és
az IC (+) kivezetései közé beépített 15 V-os zener diódával.

Az IR2153-al felépített táp „dobozolás” előtt

A teljesítmény elektronika elemekre azért nem került hűtőborda mert csupán 30-50 watt fogyasztóval lesz terhelve az áramkör.
Fontos megjegyzés hogy sem a TL494 sem az IR2153-al itt bemutatott táp nem rövidzárlat és túlterhelés védett!
Ez további fejlesztést igényel.
A fetek vezérlése megoldható Pl. TL494, vagy CD4011-el ic kialakított 40-50 Khz oszcillátorral. Az IC után 2 pár tranzisztorból álló emitterkövető kapcsolás erősíti a gate tafó számra a bementi jelet.

A gate trafó kialakítására nagy (2000-2500 )AL értékű kis méretű gyűrűvasmagot célszerű használni.
A kapcsolás nagy előnye jobban viseli az áram és feszültséglökéseket mint az IR ic, hiszen a gate trafó leválasztó szerepet is betölt. A táplás szintén lehetséges a korábban ismertetett megoldással.

Kompromisszumokkal jó megoldást nyújthat a tr1 rezonáns köri trafó pontos méretezését igénylő supply trafót használó pl a Skori-féle II. rezonáns tápegység is.

"Skori"-féle önrezgő tápegység

A kompakt fénycső elektronikájának áramváltó gyűrűmagját, a PC táp trafója és fetek kombinációjával könnyen és egyszerűen építhető kapcsolóüzemű tápegység.
Az egyik legfontosabb kritérium hogy a kis gyűrűvasmag megfelelő legyen a rezgőkör szempontjából.
Szükség és igény szerint a gyűrűmag át is tekerhető így a működési frekvencia magasabb és stabilabb lehet.
Ez az áramkör kimeneti szekunder oldali terhelés nélkül is elindul így a működési frekvencia KHz terhelve a frekvencia a duplájára vagyis 40KHz-re emelkedett.
Az áramkör nagyon egyszerű (nem hifi erősítő tápnak készült), a túláram, túlterheléstől sem védett (ez néhány további alkatrész beépítésével megoldható (pl. a szekunder oldalon áramgenerátor alkalmazásával).

A jelen cikk messze nem teljes körű. Csupán néhány lehetőséget mutat be.
A fő cél és motiváció itt az volt, hogy a régi tápegység minél több -egyébként még működőképes- alkatrészét újrahasznosítva, azokat ismét munkára fogjuk. Többek között nagyon jól újra felhasználhatóak a transzformátorok, amiknek a készítése egyébként pontos és alapos elméleti és gyakorlati tudást igényel.

Hulladékkezelés

A cikk fő célja a rossz tápegység minél több alkatrészének újrahasznosítására tett lehetőségek ajánlása.
Azonban továbbra is fontos kérdés és megoldandó probléma, hogy mi legyen a sorsa a fel nem használt vagy használható áramköri komponensekkel és magával a nyomtatott áramkörrel?

A fel nem használt nyomtatott áramköri panelt és az ezekben lévő alkatrészeket is ártalmatlanítani kell mivel veszélyes hulladéknak minősülnek.
Úgy vélem mindenképpen fontos lenne a fel nem használt, de megmaradt elektronikai alkotóelemeinek frakciókra bontása és kinyerést célzó eljárások kidolgozása, különös tekintettel a megmaradt fémek kinyerésére, mert így pl. a pirólízises feldolgozás tekintetében megszabadulunk a fém komponensektől.
Elgondolások a gyártóknak való ajánlásokkal kapcsolatban.
A kérdés komoly és elgondolkodtató, hogy hogyan lehet környezetbarát módon előállítani egy kapcsolóüzemű tápegységet. A nagy frekvenciás és az elektromos veszteségek miatt szinte minden alkatrész a legrövidebb lábhosszal van beforrasztva.
Már maga az alkatrésszek visszanyerésének technológiája is komoly tervezést igényel.
Mi elsősorban cinelszívóval próbáltuk meg minél kisebb hőterheléssel kivenni az alkatrészeket.
Egy lehetséges megoldásként talán a modul rendszer jöhetne szóba. Pl. a primer és a szekunder rész kettő vagy több külön modulon helyezkedne el.

Érdemes volna a teljesítményelektronikai kapcsoló elemeknél a FETek használatára törekedni.
Ez hatékonyabb működést és kedvezőbb fogyasztást /kisebb kapcsolási veszteség/ eredményezhetne, mint a jelenleg jellemző tranzisztoros kapcsolási technika.

Köszönetnyilvánítás:

Nagy szertettel köszönöm meg elsősorban a családom türelmét és biztatásukat a cikk megírásában.
Külön köszönet Skorinak, Pepének, Emmzoleenek és persze a Hobbi Elektronika fórum tagjainak, elsősorban Gee Lee és Loylacinak a segítőkészségükért. Barinak aki segítségemre volt a nyomtatott áramköri panelek legyártásnál. Nélkülük nem jöhetett volna létre ez a cikk.
A cikk messzemenőkig nem teljes. A szakemberek bizonyára tudnának hatékonyabb, jobb kapcsolási topológiákat ajánlani.

Felhasznált irodalom:

http://skory.z-net.hu/rezonanstap2/reztap2.html
http://skory.z-net.hu/12vtap/12vtap.html
http://skory.z-net.hu/fenycso/fenycso.html
He fórum