منبع تغذیه یکی از اجزای اصلی هر دستگاه
ویژگی ظاهری منابع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه محصولی نیست که به طور مستقیم به صورت یک کالای نهایی برای عموم مردم عرضه شود، بلکه یکی از اجزای اصلی تمامی دستگاههای الکتریکی و الکترونیکی است و در رده کامپوننت به حساب میآیند. منبع تغذیه انرژی الکتریکی را از یک منبع الکتریکی مشخص به مصرفکننده انتقال میدهد. این انتقال انرژی از طریق یک مدار الکتریکی انجام میپذیرد که به آن منبع تغذیه میگویند.
اصلیترین کاربرد منبع تغذیه تبدیل برق متناوب به برق مستقیم میباشد. این نوع کاربرد تقریبا در تمام دستگاههای الکتریکی مصرف دارد. امروزه در اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ، خروجی به وسیله المانهای الکتریکی که با فرکانسهای بالا خاموش و روشن میشوند کنترل میشود. منظور از المانهای الکتریکی نیمهرساناهای قدرت میباشند. این گونه از منابع تغذیه بازده بیشتری نسبت به مدلهای Linear یا خطی بدست میآید، زیرا کنترل انرژی از طریق مدار سوئیچینگ و استفاده از ترانسهای با هسته فریت و قابلیت تحمل فرکانس بالا، تلفات کمتری به همراه دارد.
در زمان فعال بودن یا سوئیچ کردن، افت ولتاژ کم و کنترل دقیق جریان اتفاق میافتد و در لحظه خاموشی، جریان کاملا قطع شده و در نتیجه اتلاف انرژی در ولتاژ و جریان به طور قابل ملاحظهای کاهش مییابد.
منابع تغذیه سوئیچینگ دارای حجم کمتر و وزن سبکتری (با توجه به استفاده از قطعات کوچکتر با تولید حرارت کمتر) نسبت به مدلهای خطی میباشند. تمایل صنایع و سازندگان دستگاههای الکتریکی به کوچک کردن اندازه و سایز محصولات خود باعث طراحی و کاهش سایز در منابع تغذیه دستگاهها شده است که در دهه قبل معمولا دارای حجم و وزن نسبتا بالایی بودند. طراحان سعی میکنند کوچکسازی را در تمامی قسمتهای دستگاه خود و به خصوص در قسمت منبع تغذیه انجام دهند.
منابع تغذیه به چهار گروه کلی تقسیم میشوند:
1. AC/DC (مدل رایج)
2. DC/DC (تغییر سطح ولتاژ یا جریان)
3. AC/AC (تغییر در فرکانس)
4. DC/AC (اینورتر)
در قسمت زیر بلوک دیاگرام یک منبع تغذیه که برق AC را به برق DC تبدیل می کند را مشاهده میفرمایید:
قسمت ورودی در منبع تغذیه-Power Factor Correction
برق اصلی ابتدا از فیوز گذشته و به فیلتر میرسد و پس از آن وارد پل دیودی شده و یکسو میشود. در قسمت بعدی وارد بخش PFC شده و در این قسمت ولتاژ رگوله شده و آماده وارد شدن به بخش DC/DC میگردد. F1 و F2 که در قسمت چپ تصویر نمایش داده شدهاند، فیوزهای داخلی میباشند. فیوز یک المان جهت محافظت فیزیکی از مدار میباشد. زمانی که ولتاژ ورودی از حد مجاز بیشتر شود و یا دستگاه جریان بیشتری از حد استاندارد خود را طلب کند، فیوز مسیر جریان را قطع میکند. فیوز یکی از مهمترین قسمت های مدار محافظ برای Over Load و Over Voltage میباشد.
با توجه به تأخیر زمان، فیوزها همیشه نمیتوانند در مقابل خرابیهای به وجود آمده در اثر شرایط غیرعادی طبیعی از مدار پاور ساپلای محافظت کنند. کاربرد اصلی فیوز محافظت از مدار در مقابل Overload و Over Voltage و Over Temperature میباشد. همچنین از دیگر وظایف فیوزها، جلوگیری از تأثیرگذاری مدارهای خارجی در ایجاد جریانهای القائی مختلف به درون مدار منبع تغذیه و در نتیجه سوختگی المانهای مدار آن میباشد.
فیلتر EMI پایینگذر برای کاهش جریانهای فرکانس بالایی که از منبع تغذیه سوئیچینگ گرفته شده به یک سطح قابل قبول طراحی شده است. لازم است که از تاثیرگذاری منبع تغذیه بروی مدارهایی که به ورودی متصل شده اند جلوگیری کرد. تعدادی استاندارد ( مانند EN55022 برای تجهیزات فناوری اطلاعات) برای دستیابی به بیشترین سطح EMI ناشی از منبع تغذیه سوئیچینگ وجود دارند.
در ادامهی فیلتر، یک مدار یکسوکننده پل دیودی که ورودی AC را به پالس DC تبدیل میکند قرار دارد. در داخل این یکسوکننده دیودی، چهار دیود استفاده شده است تا هم با سیکل مثبت و هم با سیکل منفی ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی مثبت تولید کند.
ولتاژ یکسوشده وارد قسمت تنظیمکننده مقدماتی اصلاح ضریب قدرت (Power factor Correction) میشود. Power Factor در حقیقت نسبتی بین توان اکتیو و راکتیو میباشد. خروجی PFC پاور فکتور را افزایش داده و ولتاز را تا 370 الی 400 ولت DC افزایش میدهد. همچنین یک توپولوژی مداری وجود دارد که ولتاژهای افزایشی، پیک ورودی ولتاژ AC را به خوبی مدارهایی که در آن کاهنده به جای افزاینده استفاده شده است را دنبال میکند.
امروزه اکثر تولیدکنندگان منبع تغذیه سوئیچینگ مدلهایی با تکنیک Power Factor Correction به محصولات خود اضافه کردهاند. این تکنیک با اضافه کردن یک تا چند مرحله فیلترینگ اکتیو و پسیو در طبقه ورودی، اختلاف فاز جریان مصرفی و ولتاژ برق AC را به حداقل رسانده و دامنه هارمونیکهای جریان مصرفی در ورودی منبع تغذیه را به محدودههای مجاز در طراحی میرساند. این موضوع به جهت استفاده درست و مؤثر از انرژی برق ضروری بوده و مصرف توان راکتیو را به حداقل میرساند و در نهایت نیاز به تهیه بار سرگردان لازم در شبکه سراسری را کاهش داده و در پی آن نیاز به ساختن نیروگاههای جدید به جهت رساندن بار سرگردان شبکه را مرتفع میکند. با استفاده فراگیر از مدلهای با ویژگی اصلاح ضریب قدرت، کشور قابلیت صادرات برق بیشتری را با همین نیروگاههای فعلی پیدا خواهد کرد.
تنظیم کننده اولیه PFC، جریان AC ورودی را کنترل میکند تا با ولتاژ AC اصلی همفاز شده باشد و شکل موجهای جریان به مشابه شکل موجهای ولتاژ ورودی تولید کند. بدون این کار، ممکن است جریان ورودی به صورت شکل موج هایی مربعی با ولتاژ Peak to Peak بالا با بازده زمانی کم به منبع تغذیه برسد که دارای هارمونیکهای بالا میباشد. هارمونیکهای جریان هیچ توانی را به بار نمیرسانند، ولی باعث ایجاد حرارت و افرایش دما در المانها و سیمبندیها میشوند. آنها همچنین بیشترین توانی را که میشود از یک خروجی استاندارد گرفت را کاهش میدهند. قوانین و استانداردهای تنظیم کننده مختلفی وجود دارند که هارمونیکهای جریان ورودی را محدود میکنند، مانند EN61000-3-2(برای تجهیزاتی که به سیستمهای توزیعکننده ولتاژ کم عمومی متصل هستند).
برای دیدن این هارمونیکها شما میتوانید از تکنیکهای تصحیح PF استفاده کنید. یک منبع تغذیه با PF بالا شکل موجهای جریان را با توجه به ولتاژ ورودی سینوسی تولید میکند و باعث کاهش هارمونیکها میشود. به طور رایج هیچ استاندارد بینالمللی اجباری برای تصحیح PF برای تجهیزات الکترونیکی وجود ندارد، ولی استانداردهای صنعتی و ملی خوبی وجود دارند که به PF حداقل بالای 0.9 احتیاج دارند. پاور فکتور مانند هارمونیکهای جریان به وسیله دستگاههای سنجش مختلف یا منبع ولتاژ AC قابل انذازه گیری میباشد.
