منبع تغذیه ، قلب تپنده تجهیزات شما

در این نوشتار برای آشنایی شما با قلب تپنده تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی خود تلاش کرده‌ایم. اكثر افراد در هنگام خرید و یا ارتقای سیستم های خود به دلیل عدم آگاهی از نقش كلیدی منبع تغذیه، بودجه كمتری را نسبت به سایر قطعات سخت افزاری صرف تهیه آن می‌کنند. این مسأله در دراز مدت، ساعات خروج از سرویس تجهیزات شما را بیشتر کرده و مشكلات بسیاری ایجاد می‌کند. شركت ایمن ایستا با هدف ترویج فرهنگ انتخاب پاور مناسب، تهیه مناسبترین منابع تغذیه برای بازار ایران را سرلوحه کار خود قرار داده است. هدف از این كار آگاهی دادن مستقیم به مشتری و توجه به اهمیت منبع تغذیه می‌باشد، چرا كه با این روش مشتری در هنگام خرید منبع تغذیه، علاوه بر مقادیر ولت و آمپر، بر اساس شرایط مطلوب کاری و توان مصرفی، مناسب ترین پاور را با در نظر گرفتن بودجه در طراحی خود انتخاب می‌کند.

بازگشت به بالای صفحه

منبع تغذیه چیست؟

همانطور كه می دانید تمامی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی بنا به طراحی خاص خود، به ولتاژ و جریان مشخصی جهت راه اندازی و کارکرد نیاز دارند. منبع تغذیه دستگاهی است که قادر است از یک ورودی ولتاژ AC یا DC در محدوده معین، ولتاژهای DC مختلف (قابل تنظیم) با سطوح جریان مختلفی تولید نماید. 

بازگشت به بالای صفحه

مقدمه‌ای بر منابع تغذیه سوئیچینگ Switching power Supply ))

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power Supply) یا SMPS یك واحد تغذیه توان (PSU) است كه به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می‌دهد. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در خروجی یك منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می‌باشد.
در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان‌های یكسو كننده جریان و فیلتر استفاده می‌شود. نقطه ضعف این روش، تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی منبع تغذیه خطی می‌باشد. این دو روش را می‌توان به صورت زیر مقایسه كرد:

1- فركانس کار ترانس‌ها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانس‌های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فركانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس‌ها به میزان قابل توجهی كاهش می‌یابد.
2- راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یك منبع خطی با تلف كردن توان، خروجی خود را رگوله می‌كند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیكل سوئیچ یا همان duty cycle می‌توان ولتاژ و جریان خروجی را كنترل كرد.

با یك طراحی خوب در روش سوئیچینگ می‌توان به حدود 90% بازدهی دست یافت. در توان‌های بالا از روش PWM و در توان‌های پائین تر از 30 وات معمولاً از روش كلید زنی به صورت پالس‌های معمولی استفاده می‌شود.

در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آن‌ها از فیلتر EMI و اتصالات RF استفاده می‌شود.

شكل مقابل بلوك‌دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ را نشان می‌دهد.
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی AC  باشد، ابتدا از یك طبقه یكسوكننده عبور کرده و یك ولتاژ DC رگوله نشده ایجاد می‌شود. این ولتاژ DC به خازن‌ های فیلترینگ بزرگ متصل می‌شود.

جریان كشیده شده توسط این یكسوكننده از ورودی AC باعث ایجاد پالس‌های جریان در اطراف پیك ولتاژ AC می‌شود. این پالس‌های كوچك مولد فركانس‌های بالا بوده و كاهش فاكتور توان را بهمراه دارد. تكنیك Power Factor Correction برای مقابله ایجاد شده است. مدار PFC جریان مصرفی یكسوکننده را شبیه به شكل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاكتور توان در برق ورودی AC اصلاح و نزدیک به 1،00 باقی می‌ماند.
محدوده ولتاژ AC ورودی توسط یك سوئیچ در دو حالت 115 و 230 ولت انتخاب می‌شود . در حالت 115 ولت یك مدار دو برابر كننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه می‌شود. در برخی مدل‌ها محدوده ولتاژ AC ورودی Universal بوده و حداقل100  تا 240 ولت را پشتیبانی می‌کنند.

در یك SMPS با ورودی DC به این مرحله (یكسو كننده) احیتاجی نیست.

در مرحله اینورتر، این مقدار DC دوباره به AC تبدیل می‌شود. فركانس خروجی اینورتر بیش از 20 كیلوهرتز انتخاب می‌شود (خارج محدوده شنوایی). عمل سوئیچ معمولاً به كمك چند طبقه MOSFET  جهت رسیدن به بهره بالا انجام می‌شود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی كم وجود دارد. به دلیل فركانس بالا دور سیم پیچ ترانس كم می‌شود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا كاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه‌ی آن ساختن خروجی DC در محدوده معین و مشخصات مناسب است.

بازگشت به بالای صفحه

آشنایی با اجزای فیزیکی منبع تغذیه

در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، شما رابا اجزاء داخلی منبع تغذیه آشنا نماییم. بدیهی است که این ساختار، همگانی و عمومی نبوده و در حدود 75 % ساختار داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر می‌گیرد.

EMI) Line Filter): این بخش از دو عنصر سلف و خازن تشکیل شده، وظیفه ممانعت از خروج فركانس های اضافی محدوده كاری (NOISE) منبع تغذیه به بیرون (حاصل از مدار سوئیچینگ) و همچنین ممانعت از ورود فركانس های اضافی (حاصل ازدوران موتور های الكتریكی و یا سیستم‌های مولد حرارت) به داخل منبع تغذیه را بر عهده دارد.

Input Capacitor: این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده است که وظیفه كنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام كاركرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های كوتاه انرژی را بر عهده دارد.

Power Switching: ‌این بخش از دو ترانزیستور قدرت (MOSFET) تشکیل شده است که وظیفه كنترل سطح ولتاژ خروجی را از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) بر عهده دارد.

Transformer:  این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می‌باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.

Transformer:  این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می‌باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.

Heat Sink: این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا ،وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای SHUTKEY و  FASTبه محیط اطراف را بر عهده دارد.

Output Filter: این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.

FAN:  این قسمت علی رقم اینكه معمولا اهمیتی برای آن ازطرف مصرف كنندگان قائل نمی شوند، بسیار مهم و حیاتی می‌باشد، چرا كه رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر منبع تغذیه دارد. هر چقدر تهویه هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرونی بهتر انجام گیرد، كاركرد منبع تغذیه بهتر می‌شود.

PCB: برد اصلی منبع تغذیه می‌باشد كه كلیه قطعات بر روی آن نصب می‌شوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست (ROHS)، باعث افزایش ضریب ایمنی كاربر می‌گردد.

IC Controller : این قسمت پیچیده ترین بخش مدار PWM می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری درطراحی این قسمت به وجود آمده است بطوری که امروزه آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف را برعهده دارند که درنهایت باعث افزایش دقت درکارکرد منبع تغذیه گردیده است. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی های جدیدی كه در بعضی از پاورهای جدید به كار رفته اشاره شده است:

الف ) کنترل خروجی؛ که با  تولید پالس های Pulse Width Modulation، فرآیند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی‌ها را بر عهده دارد.

ب ) شبیه سازی؛ ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی ، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل می‌شود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی دستور DOWN از طریق آی سی صادر می شود.

ج ) نوسان ساز؛ که در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می‌کند.

د ) راه اندازخروجی؛ که توان کافی را جهت به کارگیری در مقاصد کم  و میانه، تولید می‌کند.

ه ) ولتاژ مبنا؛ که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجی ها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش ها تولید می‌کند.

و ) مبدل خطا؛ که عرض پالس DC خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم می‌نماید.

ز ) Power Factor Correction؛ که وظیفه تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار PWM رابر عهده دارد.

بازگشت به بالای صفحه

چگونه پاور متناسب با توان مصرفی سیستم خود انتخاب نماییم؟

هر یک از قطعات بکار رفته در مدارات الکترونیک، مقدار توان مصرفی مشخصی دارند و میتوان با جمع کردن مقدار توانها، توان مصرفی کل را محاسبه نمود. تولیدکنندگان منبع تغذیه در سراسر جهان توصیه  میکنند پاوری را انتخاب نمایید که حداقل 10درصد  بالا تر از توان حداکثر مصرفی قدرت داشته باشد! با رعایت این نکته در دراز مدت راندمان و کارآیی یک پاور در مصرف کمتر از حداکثر 90درصد توان واقعی آن، به طور چشمگیری افزایش یافته و از بروز مشکلات جلوگیری میکند

بازگشت به بالای صفحه

مشخصات فنی یک منبع تغذیه با کیفیت مطلوب

شاید برای شما این مسئله به وجود آمده باشد که آیا صرفاً میزان ولتاژ و جریان خروجی یک منبع تغذیه ملاک مناسبی جهت کارآیی آن میباشد؟ جواب منفی است. در واقع نکات مهم دیگری نیز در تعیین کارآیی منبع تغذیه وجود دارند. به طور مثال اگر توان خروجی متناسب با توان مصرفی باشد ولی مقدار نویز و ریپل خروجی از منبع تغذیه بالاتر از حد استاندارد باشد، ممکن است در سیستم های کامپیوتری سرعت پردازش اطلاعات به طور چشمگیری کاهش داده و تجهیزات در حال کار را بارها دچار وقفه کند. در ادامه نکات فنی یک منبع تغذیه با کیفیت مناسب بصورت مختصر لیست شده اند

در صورت به وجود آمدن اتصال كوتاه در هر یك از شاخههای خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود

MTBF TEST :‌ مطابق با استاندارد طراحی مدار، كیفیت قطعات داخلی و دور فن به گونه ای باشد كه باعث بالا رفتن عمر مفید منبع تغذیه گردد.

EMC TEST : مطابق با استاندارد ، منبع تغذیه دارای ضربه گیر ورودی و لاین فیلتر به همراه خازن های X,Y با علامت درج شده استاندارد باشد.

BURN IN TEST : حرارت قطعات داخلی از محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد تجاوز نكرده و در صورت از كار افتادن فن ، منبع تغذیه به طور خودكار خاموش شود.

LOW NOISE : نویز به وجود آمده، از محدوده مجاز تعیین شده دراستاندارد تجاوز ننماید، كه این مورد در كارایی رایانه و همچنین بالا رفتن عمر مفید قطعات متصل به منبع تغذیه تاثیر بسیار زیادی دارد.

SILENT PC : طراحی مدار به گونه ای باشدكه دوران فن ها متناسب با حرارت داخلی تغییر یابد. این مورد باعث پایین آمدن نویز صوتی و بالا رفتن عمر مفید فن می‌گردد.

HI-POT TEST : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش ناگهانی ولتاژ در ورودی، منبع تغذیه دچار آسیب جدی نشود.

THERMINAL EARTH : مطابق با استاندارد، منبع تغذیه دارای ترمینال تخلیه بار الکتریکی و همچنین درج علامت مربوطه بر روی بدنه داخلی باشد.

PCB FIRE TEST : مطابق استاندارد آتش سوزی، برد اصلی منبع تغذیه دارای کلیه موارد و نکات ایمنی لحاظ شده در استاندارد آتش‌سوزی باشد.

HOLD UP TIME  : مدت زمانی كه به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از وقفه انرژی در ورودی، از مرز 90% مقداراولیه خود پایین تر بیاید، مطابق با استاندارد باشد.

POWER GOOD TIME : مدت زمانی كه به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از روشن شدن  منبع تغذیه، از مرز 95%  مقدار اولیه خود عبور كند، ‌مطابق  استاندارد باشد.

SHORT CIRCUIT PROTECTION : در صورت به وجود آمدن اتصال كوتاه در هر یك از شاخه‌های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

OVERLOAD PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش بار مصرفی خارج ازتوان حداكثر، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

OVER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده  استاندارد، در صورت افزایش ولتاژ در هر یك از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

UNDER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت کاهش ولتاژ در هر یک از شاخه های خروجی ،منبغ تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.

OVER CURRENT PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت اضافه بار خارج از توان بر روی هر یك از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود. 

POWER FACTOR CORRECTION : در حدود تعیین شده دراستاندارد، هارمونیک های فرکانس خروجی توسط مدار PWM تصحیح شود، که این امر باعث افزایش راندمان منبع تغذیه و کاهش مصرف انرژی می‌گردد.

INTERACTION & CROSS REGULATION : مطابق  استاندارد، با اعمال بار متقابل بر روی هر یك از خروجی‌ها، تغییر ولتاژ سایر  خطوط در  گستره معین و هماهنگ با سخت افزار به كاربرده شده باشد. این مورد در سال های اخیر با توجه به تغییرات مكرر تكنولوژی به طور مرتب رو به تغییر بوده و عدم رعایت آن باعث بروز مشكلات اساسی گردیده است.

CONDUCTED EMI : در صورتی كه منبع تغذیه به فیلترهای مناسب ورودی و خروجی مجهز باشد، تداخل فركانس های رادیویی بر روی پایانه های ورودی و خروجی باید در محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد باشد.

RADIATED EMI : مطابق با استاندارد، تشعشعات مغناطیسی كه از داخل منبع تغذیه به بیرون و بالعكس در جریان است، باعث بروز مشكل دركاركرد منبع تغذیه و نیز سایر وسایل الكترونیكی مجاور آن نگردد.

ESD PERSONAL : مطابق استاندارد، در صورت باردار شدن بدن كاربر به الكتریسیته ساكن و تماس كاربر با منبع تغذیه، مشكلی در كاركرد منبع تغذیه به وجود نیاید.

بازگشت به بالای صفحه

مشخصات ظاهری یک منبع تغذیه با کیفیت مطلوب چیست؟

شاید این سوال برای شما پیش آمده باشد که چگونه می توان یک پاور مناسب را از نظر ظاهری شناخت؟ چرا که برای مصرف کننده نهایی امکان انجام تست های فنی وجود ندارد. در اینجا شما را با تعدادی از موارد ظاهری یک منبع تغذیه مناسب و استاندارد آشنا می کنیم که قطعاً در صورت رعایت شدن آن‌ها توسط تولید کننده، شما این اطمینان را پیدا می‌کنید که منبع تغذیه مورد اشاره مناسب و در محدوده ای که استاندارد مشخص نموده، تولید شده است و شما را در آینده با مشکلات ناشی از منبع تغذیه غیر استاندارد مواجه نمی نماید.

1 ) دارای استاندارد CE و یا UL باشد و علامت آن برروی برچسب نصب شده، درج شده باشد.    
2 ) دارای گارانتی معتبر شرکت تولیدکننده باشد.
3 ) علاوه بر مقدار توان حداکثر که بر روی برچسب ذکر شده است، حتماٌ مقدار توان واقعی آن در قسمتی از برچسب و یا مدل ذکر شده باشد. چرا که برای کاربر فقط و فقط مقدار توان واقعی پاور اهمیت دارد.
4 ) حد اکثر  تفاوت میان توان واقعی و توان حداکثر درج شده بر روی برچسب از 30% تجاوز نکند.
5 ) برچسب نصب شده بر روی جعبه پاور ، خوانا و شامل موارد زیر باشد:
- محدوده ولتاژ ورودی، جریان ورودی و فرکانس کاری بر روی آن درج شده باشد.
- علاوه بر مقدار توان خروجی حداکثر، مقدار توان خروجی واقعی نیز بر روی آن درج شده باشد.
- نام کارخانه تولید کننده به همراه علامت تجاری آن، بر روی برچسب درج شده باشد.
- نام آزمایشگاه‌های تاییدکننده و همچنین کلیه علامات استانداردهای کسب شده، بر روی آن درج شده باشد.
- مشخصات ولتاژ خروجی‌ها و همچنین مقدار آمپر عبوری هر یک به طور مجزا برروی آن درج شده باشد.

بازگشت به بالای صفحه

آشنایی با تاییدیه ها و استاندارد های مربوط به منبع تغذیه

بحث در مورد استاندارد های مربوط به منبع تغذیه بسیار گسترده می‌باشد که نمی‌توان به طور کامل به آن‌ها اشاره نمود. هر یک از کشور‌های صنعتی برای خود استاندارد‌هایی به منظور کسب اطمینان از ایمنی کامل در هنگام کارکرد منبع تغذیه دارند. واژه ایمنی برای تجهیزات الکترونیکی به معنای آن است که محصولات تولید شده، ایجاد شوک نکند، آتش نگیرد و یا حالات ناخواسته را به کاربر تحمیل ننماید. در مورد منبع تغذیه موارد ایمنی  مضاعفی در نظر گرفته شده است، چرا که  منبع تغذیه نه تنها نیازهای ایمنی خود، بلکه نیازهای ایمنی کلیه قطعاتی که از آن تغذیه می‌شوند را نیز تامین می‌‌نماید. در این مورد قصد داریم تا شما را با تعدادی از این استانداردها آشنا نماییم؛
CUL ,D ,N ,S , FI ,VDE ,NKO ,EMI ,BSI ,CSA ,FCC ,TUV ,CB ,UL ,CE
 

شرکت‌های معتبری مانند Mean Well دارای آزمایشگاه‌های بسیار پیشرفته‌ای می‌باشند که قادرند شرایط بسیار دشواری را جهت تست کیفیت کارکرد و راندمان یک پاور به وجود آورند و در صورت احراز این شرایط، تاییدیه خاص خود را صادر نمایند. به طور مثال نویز و ریپل خروجی پاور تاثیر مستقیم بر روی بازدهی و سرعت پردازشگرها دارد. همچنین مسئله تخلیه حرارت داخلی پاور بسیار مهم است، چرا که بعضی از دستگاه‌ها حرارت بسیار بالایی تولید می‌نمایند و تخلیه این حرارت به جهت افزایش راندمان کلی، بسیار حائز اهمیت می‌باشد.