منابع تغذیه
برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی منابع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون روش سوئیچینگ رایج می‌باشد. منبع تغذیه سوئیچینگ یک واحد تغذیه توان است که به روش سوئیچینگ‌ها رگولاسیون را انجام می‌دهد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان‌های یکسو کننده جریان و فیلتر استفاده میشود. تلفات بالا و بازدهی پایین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی، مشکلات منبع تغذیه خطی می‌باشند. سه عامل اصلی در تفاوت این دو روش عبارتند از:
فرکانس کار ترانس‌ها در روش خطی ۵۰ تا ۶۰ هرتز است. ترانس‌های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فرکانس بالای ۵۰ تا ۲۰۰ کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس‌ها به میزان قابل توجهی کاهش یافته و در نتیجه، اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است.
راندمان با بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یک منبع خطی با تلف بر توان خروجی را رگوله یا یکسو می کند، ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سويج، ولتاژ جریان خروجی کنترل میشود. با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ می توان به حدود ۹۰ درصد بار دست یافت.
در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، به دلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آنها از فیلتر بوده و برای حذف آنها از فیلتر ای.ام.آی (A.M.I) و اتصالات آر.اف (R.F) استفاده میشود.
وزن و ابعاد
منابع تغذیه خطی: در منابع تابع با توان بالا هیت سینک (گرماگیر) مورد نیاز است که ابعاد منبع را افزایش داده و استفاده از ترانسفورمرهای فرکانس پایین، به حجم و سنگینی دستگاه می‌افزاید.
منابع تغذیه سوئیچینگ: در بعضی منابع ممکن است از ترانسفورمر (یا سلف) استفاده شود که البته به دلیل فرکانس کاری، سنگینی و ابعاد ترانسفورمر زیاد نیست.
ولتاژ خروجی
منابع تغذیه خطی: در صورت استفاده از ترانسفورمر، می‌توان در خروجی به هر ولتاژ دل‌خواهی دست یافت. در منابع خطی بدون ترانسفرمر، ولتاژ خروجی از ورودی بیشتر نخواهد شد. در صورت عدم استفاده از رگولاتور ولتاژ خروج از خروجی با بار تغییر می کند.
منابع تغذیه سوئیچینگ: هیچ گونه محدودیتی در ولتاژ خروجی نداریم. در بیشتر مدارات فقط ولتاژ شکست ترانزیستور می‌تواند محدود کننده باشد. ولتاژ خروجی با بار تغییری نمی‌کند.
کارایی، توان و گرمای تلفاتی
منابع تغذیه خطی: در منابع تغذیه دارای رگولاتور، بازده عمدتا بسته اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت، تنظیم میشود این سبب می شود بازده منبع تغذیه به حدود ۳۰ تا 40 درصد محدود شود. در منابع تغذیه فاقد رگولاتور، تلفات مسی و آهنی ترانسفورمر تنها عامل موثر بر کارایی منبع تغذیه است.
منابع تغذیه سوئیچینگ: ولتاژ خروجی از طریق کنترل سیکل وظیفه (دیوتی سایکل) تنظیم می شود. ترانزیستور‌ها یا کاملا روشن (حالت اشباع) هستند و یا کاملا خاموش (حالت قطع)، بنابراین تلفات اهمی بین ورودی و بار وجود ندارد. حرارت ایجاد شده ناشی از ویژگی‌های غیر آرمانی اجزای مدار و همچنین، جریان حالت دائم مدار کنترل کننده می باشد.
مقایسه منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ
جریان هجومی وارده به منبع
منابع تغذیه خطی: در منبع تغذیه خطی در لحظه اتصال به برق شهری تا هنگامی که شار مغناطیسی ترانسفورمر به یک حد پایدار برسد و خازن‌ها کاملا شارژ شوند، جریان هجومی بالا است.
منابع تغذیه سووئچینگ: جریان هجومی فوق العاده بالاست و فقط توسط امپدانس ورودی منبع تغذیه و مقاومت‌های سری با خازن محدود میشود.
ضریب توان
منابع تغذیه خطی: در منابع تغذیه دارای رگولاتور ضریب توان پایین است، زیرا جریان در قله (پیک) ولتاژ سینوسی از خط کشیده میشود.
منابع تغذیه سوئیچینگ : از اعداد خیلی پایین تا متوسط در تغییر است، زیرا در یک منبع تغذیه سوئیچینگ فاقد تصحیح ضریب توان، جریان در قله ولتاژ سینوسی از خط کشیده میشود.
نویز الکترونیکی در ترمینال‌های ورودی
منابع تغذیه خطی: می‌تواند اعوجاج هارمونیک ایجاد نماید، ولی نویز فرکانس بالای آن ناچیز است.
منابع تغذیه سوئیچینگ: منابع تغذیه سوئیچینگ ارزان قیمت می‌تواند نویز الکتریکی حاصل از سوئیچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که همان فاز وصل شده‌اند، میشود. منابع تغذیه سوئیچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند.
نویز آکوستیک
منابع تغذیه خطی: هوم بسیار ضعیفی ایجاد می‌کنند که عامل آن لرزش لایه‌های سیم پیچ ترانسفورمر می‌باشد .
منابع تغذیه سوئیچینگ: معمولا برای انسان قابل شنیدن نیست، مگر اینکه منبع تغذیه دارای فن باشد، درست کار نکند، یا اینکه فرکانس سوئیچینگ در محدوده قابل شنیدن باشد یا لایه های سیم پیچ‌ها در یکی از زیر هارمونیک‌های فرکانس کاری شروع به لرزش کند.
تداخل فرکانس رادیویی
منابع تغذيه خطی: در بار زیاد، دیودهای یکسوساز ممکن است تداخل فرکانس بالای نا چیزی ایجاد می‌کند. در کابل‌های فاقد حفاظ (شیلد) هوم القاء می کنند که می‌تواند در فرکانس صوتی مشکل ساز باشد.
منابع تغذیه سوئیچینگ: به این دلیل که جریان بطور ناگهانی قطع و وصل میشود، این دسته از منابع مستعد ایجاد تداخل فرکانس رادیویی و الکترومغناطیسی می‌باشند. بنابراین، برای کاهش تداخل باید از پالایه (فیلتر)های تداخل الكترومغناطیسی و همچنین، حفاظ های فرکانس رادیویی استفاده شود.
بخش‌های یک منبع تغذیه سوئیچینگ
EMI Filter
این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفه آن ممانعت از خروج فرکانس‌های اضافی (در محدوده کاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون و همچنین، ممانعت از ورود فرکانس‌های اضافی حاصل از دوران موتورهای الکتریکی و سیستم‌های مولد حرارت و غیره) به داخل منبع تغذیه می‌باشد.
Input Capacitor
این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده و وظیفه آن کنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام کار کرد و همچنین، ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه‌های کوتاه انرژی می‌باشد.
Power Switching
این بخش معمولا از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) تشکیل شده و وظیفه آن کنترل سطح ولتاژ خروجی از طريق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) است.
Transformer
این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (سوئیچینگ تیار، درایو تیار و غیره) تشکیل شده که علاوه بر ایزولاسیون ولتاژ مستقیم، وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارند. طراحی این قسمت بسیار حساس است، زیرا اگر تعداد دورهای اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار پالس ویدث ماجولار (پهنای پالس مقایسه کننده نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت، کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
Output Diodes
این قسمت از دیودهای شاتکی، زنر و فست تشکیل شده و وظیفه آن یکسو سازی ولتاژ خروجی در حالات عادی و قطع کامل جریان خروجی در حالات خاص می‌باشد.
Heat Sink
این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیم و مس ساخته میشود و به واسطه تعبیه شیار‌هایی بروروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانیستور‌های سوئچینگ و همچنین دیودهای شاتکی و فست به محیط اطراف را بر عهده دارد.
Output Filter
این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف‌های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن بودن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.
FAN
با وجود اینکه معمولا مصرف کنندگان برای این قسمت اهمیتی قائل نمی‌شوند، انتقال حرارت در منابع تغذیه بسیار مهم و حیاتی بوده و رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر آن دارد. تهویه بهتر هوای گرم از محیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرون، کارکرد بهتر و عملکرد طولانی‌تر منبع تغذیه را درپی دارد.
PCB
برد اصلی منبع تغذیه می باشد که کلیه قطعات بر روی آن نصب می‌شوند. رعایت استانداردهای مختلف در ساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست، باعث افزایش ضریب ایمنی کاربر میشود.
IC Controller
۱- کنترل خروجی، (تولید پالس‌های ویدث ماجولار) فرایند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال‌های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی‌ها را بر عهده دارد.
۲- مونیتورینگ، که از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی برای مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل میشود و در صورت بروز هر گونه تغییر در خروجی، دستور وقفه از طریق آی سی صادر میشود.
٣- نوسان ساز، که در فرکانس پایه کار می‌کند و موج مثلثی برای استفاده در پالس ويدث ماجولار را تولید می‌کند.
۴- راه انداز خروجی، که توان کافی را برای بکارگیری در بارهای کم و میانه، تولید می‌کند.
۵- ولتاژ مبنا، که ولتاژ پایه را برای مقایسه خروجی‌ها و همچنین، یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش‌ها تولید می‌کند.
۶- مبدل خطا، که عرض پالس ولتاژ خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم می‌کند.
Power factor correction-7 (تصحيح عامل سازنده)، که وظیفه آن تصحیح هارمونیک‌های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار پالس ویدث ماجولار است.
اسیلوسکوپ آنالوگ مدل OX863B متریکس – 2 کانال 150 مگاهرتز
مشخصات فنی یک منبع تغذیه
MTBF TEST: مطابق با استاندارد طراحی مدار، کیفیت قطعات داخلی و دور فن به گونه‌ای باشد که باعث بالا رفتن عمر مفید منبع تغذیه شود.
EMC TEST: مطابق با استاندارد، منبع تغذیه دارای ضربه گیر ورودی و خطوط 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 نکرده و در صورت از کار افتادن فن، منبع تغذیه به طور خودکار خاموش شود.
LOW NOISE: نویز به وجود آمده، از محدود مجاز تعیین شده در استاندارد تجاوز ننماید، که این مورد در کارایی رایانه و همچنین، بالا رفتن عمر مفید قطعات متصل به منبع تغذیه تاثیر بسیار زیادی دارد.
SILENT PC: طراحی مدار به گونه ای باشد که دوران فن‌ها متناسب با حرارت داخلی تغییر یابد. این مورد باعث پایین آمدن نویز صوتی و بالا رفتن عمر مفید فن میشود
HI-POT TEST: در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش ناگهانی ولتاژدر ورودی، منبع تغذیه دچار آسیب جدی نشود.
THERMINAL EARTH: مطابق با استاندارد، منبع تغذیه دارای ترمینال تخلیه بار الکتریکی وهمچنین، 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 که به طول می انجامد تا ولتاژ V + پس از وقفه انرژی در ورودی از مرز ۹0٪ مقدار اولیه خود پایین تر بیاید، مطابق با استاندارد باشد.
GOOD TIME POWER: مدت زمانی که به طول می انجامد تا ولتاژ V + پس از روشن شدن منبع تغذیه، از مرز ۹۵٪ مقدار اولیه خود عبور کند، مطابق استاندارد باشد.
SHORT CIRCUIT PROTECTION: در صورت به وجود آمدن اتصال کوتاه در هر یک از شاخه‌های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVERLOAD PROTECTION: در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش بار مصرفی خارج از توان حداکثر، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVER VOLTAGE PROTECTION: در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت افزایش ولتاژ در هر یک از شاخه‌های خروجی منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
UNDER VOLTAGE PROTECTION: در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت کاهش ولتاژ هریک از شاخه‌های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVER CURRENT PROTECTION: در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت اضافه بار خارج از توان بر روی هر یک از شاخه‌های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
POWER FACTOR CORRECRION: در حدود تعیین شده در استاندارد، هارمونیک‌های فرکانس خروجی توسط مدار PWM تصحیح شود، که این امر باعث افزایش راندمان منبع تغذیه و کاهش مصرف انرژی میشود.
CROSS REGULATION & INTERACTION: مطابق استاندارد، با اعمال بار متقابل بر روی هر یک از خروجی‌ها، تغییر ولتاژ سایر خطوط در گستره معین و هماهنگ با سخت افزار به کاربرده شده باشد. این مورد در سال‌های اخیر با توجه به تغییرات مکرر تکنولوژی به طور مرتب تغییر نموده و عدم رعایت آن باعث بروز مشکلات اساسی گردیده است.
CONDUCTED EMI: در صورتی که منبع تغذیه به فیلترهای مناسب ورودی و خروجی مجهز باشد، تداخل فرکانس های رادیویی بر روی پایانه های ورودی و خروجی باید در محدوده مجاز در استاندارد باشد.
RADIATED EMI: مطابق با استاندارد، تشعشعات مغناطیسی که از داخل منبع تغذیه به بیرون و بالعکس در جریان است، باعث بروز مشکل در کارکرد منبع تغذیه و نیز سایر وسایل الکترونیکی مجاور آن نشود
ESD PERSONAL: مطابق استاندارد، در صورت باردار شدن بدن کاربر به الکتریسیته ساکن و تماس کاربر با منبع تغذیه، مشکلی در کارکرد منبع تغذیه به وجود نیاید.
