منبع تغذیه ، قلب تپنده تجهیزات شما

منبع تغذیه ، قلب تپنده تجهیزات شما

در این نوشتار قلب تپنده تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی یعنی منبع تغذیه معرفی شده است. نبود آگاهی از نقش کلیدی منبع تغذیه سبب میگردد که بسیاری از افراد در هنگام ساخت و توسعه ی امکانات و تولیدات خود، بودجه بسیار ناچیزی را نسبت به سایر قطعات الکترونیکی صرف تهیه آن کنند. این مسأله در دراز مدت، ساعات خروج از سرویس تجهیزات را بیشتر کرده و مشکلات فراوانی از قبیل بیکاری نیروی انسانی ایجاد میکندشرکت ایمن ایستا سرعت بخشی به استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ بجای ترانس های حجیم و نابود کننده انرژی را به عنوان هدف اول در دستور کار خود قرار داده است. در مرحله بعد، تهیه مناسب ترین منابع تغذیه سوئیچینگ در بازار و آگاهی دادن به مصرف کننده درباره اهمیت و توجه به انتخاب صحیح پاور ساپلای در هنگام طراحی و ساخت، از اهداف زیربنایی این شرکت میباشد

در نهایت، مصرف کننده ضمن توجه به استفاده از تکنولوژی سوئیچینگ در هنگام خرید منبع تغذیه، نه تنها بر مبنای مقادیر ولت و آمپر، بلکه بر اساس شرایط مطلوب کاری، توان مصرفی و بودجه، مناسب ترین پاور را جهت کاربرد خود انتخاب میک

نعریف منبع تغذیه

انرژی الکتریکی معمولاً بصورتی که در نیروگاه تولید و توزیع شده، مورد استفاده واقع نمیشود. عملاً تمامی تجهیزات الکترونیکی جهت استفاده از انرژی الکتریکی به نوعی تبدیل نیازمندند. منبع تغذیه یا پاور ساپلای وسیله ای است که  با استفاده از مدارات الکترونیکی، انرژی الکتریکی منبع ورودی را به شکل مناسب به بار (مصرف کننده) انتقال داده و یا تبدیل میکند

در تمامی مصارف، مدارات الکترونیک بنا به طراحی خاص خود، جهت راه اندازی به ولتاژ و جریان در سطوح معین نیاز دارند. در نگاه محدودتر، منبع تغذیه دستگاهی است که قادر است از یک ورودی ولتاژ متناوب یا مستقیم در محدوده معین، ولتاژهای مستقیم مختلف (قابل تنظیم) با سطوح جریان مختلفی تولید نماید

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power Supply) یا SMPS یک واحد تغذیه توان (PSU) است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می‌دهد. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در خروجی یک منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می‌باشد

تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ

برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی یک منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج میباشد. منبع تغذیه سوئیچینگ یک واحد تغذیه توان است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام میدهد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المانهای یکسو کننده جریان و فیلتر استفاده میشود. تلفات بالا و بازدهی پائین 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 درنتیجه اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است

راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یک منبع خطی با تلف کردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو میکند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ ، ولتاژ و جریان خروجی کنترل میشود. با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ میتوان به حدود ۹۰درصد بازدهی دست یافت

در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بدلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الکترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آنها از فیلتر ای.ام.آی و اتصالات آر.اف استفاده میشود. طراحی منبع تغذیه خطی بسیار ساده بوده و اثرات نویز در خروجی بسیار کمتر اس

منابع تغذیه سوئیچینگ

شکل فوق بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ را نشان میدهد. در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی ولتاژ متناوب باشد، ابتدا از یک طبقه یکسوکننده عبور کرده و یک ولتاژ مستقیم رگوله نشده ایجاد میشود. این ولتاژ مستقیم به خازنهای فیلترینگ بزرگ متصل میشود. جریان کشیده شده توسط این یکسوکننده از ورودی ولتاژ متناوب باعث ایجاد پالسهای جریان در اطراف پیک ولتاژ متناوب میشود. این پالسهای کوچک مولد فرکانسهای بالا بوده و کاهش فاکتور توان را بهمراه دارند. تکنیک پاور فکتور کورکشن برای مقابله ایجاد شده است. مدار پاور فکتور کورکشن جریان مصرفی یکسوکننده را شبیه به شکل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاکتور توان در برق ورودی متناوب اصلاح و نزدیک به ۱،۰۰ باقی میماندمحدوده ولتاژ متناوب ورودی توسط یک سوئیچ در دو حالت ۱۱۵ و ۲۳۰ ولت انتخاب میشود . در حالت ۱۱۵ ولت یک مدار دو برابر کننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه میشود. در برخی مدلها محدوده ولتاژ متناوب ورودی یونیورسال بوده و حداقل۱۰۰  تا ۲۴۰ ولت را پشتیبانی میکنند. در یک منبع تغذیه با ورودی ولتاژ مستقیم به مرحله یکسو کننده احیتاجی نیست

در مرحله اینورتر، مقدار ولتاژ مستقیم تولید شده در مرحله قبل، دوباره به ولتاژ متناوب تبدیل میشود. فرکانس خروجی اینورتر بیش از ۲۰ کیلوهرتز (خارج از محدوده شنوایی) انتخاب میشود. عمل سوئیچ معمولاً به کمک چند طبقه ماسفت  جهت رسیدن به بهره بالا انجام میشود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی کم قرار دارد. به دلیل فرکانس بالا دور سیم پیچ ترانس کم میشود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا کاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی ولتاژ مستقیم در محدوده معین و مشخصات مناسب اس

آشنایی با اجزاء فیزیکی منبع تغذیه

در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، اجزاء داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ شرح داده شده است. بدیهی است که این ساختار عمومی نبوده و در حدود ۷۵ درصد از ساختار های داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر میگیرد

EMI Filter:

این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفهی آن ممانعت از خروج فرکانس های اضافی (درمحدودهی کاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون و همچنین ممانعت از ورود فرکانس های اضافی (حاصل ازدوران موتور های 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 کارکرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های کوتاه انرژی میباشد

 Power Switching:

این بخش معمولاً از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) تشکیل شده و وظیفهی آن کنترل سطح ولتاژ خروجی را از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) است

Transformer:

این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (سوئیچینگ تی.آر، درایو تی.آر 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 دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار پالز ویدث ماجولار 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 را در حالات عادی و قطع کامل جریان خروجی را در حالات خاص میباشد

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 شاتکی و  فست به 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:

با وجود اینکه معمولاً 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 ان دارد. تهویه بهتر هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرون، کارکرد بهتر و عملکرد درازمدت تر منبع تغذیه را در پی دارد

PCB:

برد اصلی منبع تغذیه میباشد که کلیه 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 ، باعث افزایش ضریب ایمنی کاربر میگردد

IC Controller:

این قسمت پیچیده ترین بخش مدار پالس ویدث ماجولار می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری در طراحی آن به وجود آمده است. آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف بر عهده دارند و کارکرد منابع تغذیه جدید را بهتر کردهاند. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی هایی که در بعضی از پاورهای جدید به کار رفته اشاره شده است

1. کنترل خروجی، که با  تولید پالس های ویدث ماجولار ، فرآیند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و عمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجیها را بر عهده دارد

2. مونیتورینگ، که 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 وقفه از طریق آی سی صادر میشود

3. نوسان ساز، که در فرکانس پایه کار میکند و موج مثلثی جهت استفاده در پالس ویدث ماجولار را تولید میکند

4. راه اندازخروجی، که توان کافی را جهت بکارگیری در بارهای کم  و میانه، تولید میکند

5. ولتاژ مبنا، که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید میکند

6. مبدل خطا، که عرض پالس ولتاژ خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم مینماید

7. پاور فکتور کورکشن، که وظیفه آن تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار پالس ویدث ماجولار است

مهمترین عامل در انتخاب منبع تغذیه بر مبنای توان مصرفی

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 ۱۰درصد  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 ۹۰درصد توان واقعی آن، به طور چشمگیری افزایش یافته و از بروز مشکلات جلوگیری میکند

مشخصات ظاهری یک منبع تغذیه با کیفیت مطلوب

از آنجاییکه برای مصرف کننده نهایی امکان انجام تست های فنی وجود ندارد، این سوال مطرح است که چگونه می توان یک پاور مناسب را از نظر ظاهری شناخت؟ در اینجا تعدادی از موارد ظاهری در یک منبع تغذیه مناسب و استاندارد ذکر میگردد. در صورت رعایت موارد زیر توسط تولید کننده، این اطمینان پیدا میشود که منبع تغذیه مورد اشاره مناسب و در محدودهای که استاندارد مشخص نموده تولید شده و  در آینده مشکلاتی ایجاد نمیکند

دارای استانداردهای بین المللی باشد و علامت آن برروی برچسب نصب شده، درج شده باشد

 دارای گارانتی معتبر شرکت تولیدکننده باشد

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

حد اکثر  تفاوت میان توان واقعی و توان حداکثر درج شده بر روی برچسب از ۳۰درصد تجاوز نکند

برچسب نصب شده بر روی جعبه پاور ، خوانا و شامل موارد زیر باشد: محدوده ولتاژ ورودی، جریان ورودی و فرکانس کاری. 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

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. تعدادی از این استانداردها عبارتند از

CUL ,D ,N ,S, FI,VDE ,NKO ,EMI ,BSI ,CSA ,FCC ,TUV ,CB ,UL ,CE

شرکتهای معتبری مانند MeanWell دارای آزمایشگاههای بسیار پیشرفته ای 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 پردازشگرهای کامپیوتری 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