۱- مقدمه‌ای بر انواع منابع تغذیه

از منابع تغذیه به منظور تامین توان الکتریکی مورد نیاز دستگاه‌هایی که نیاز به تغذیه دی سی دارند استفاده می‌شود. به عنوان مثال بسیاری از درایورهای موتور دی‌سی، درایور موتورهای استپر و کنترلرهای شرکت ربات‌سازان نیاز به یک تغذیه از نوع دی‌سی دارند. منابع تغذیه به دو دسته منبع تغذیه آنالوگ (خطی) و منبع تغذیه سوئیچینگ تقسیم می‌شوند که در این مقاله به صورت مختصر، مفید و کاربردی می‌خواهیم این دو نوع منبع تغذیه را با یکدیگر مقایسه کنیم.

 

۲- ساختار منابع تغذیه خطی یا آنالوگ

شکل ۱ ساختار کلی منبع تغذیه های خطی یا آنالوگ را نشان می‌دهد.

 

منبع تغذیه‌های آنالوگ از چهار قسمت اصلی تشکیل شده‌اند:

۱-۲- ترانسفورمر ورودی

ترانسفورمر توان AC ورودی را که می‌تواند برق ۲۲۰ و یا ۱۱۰ ولت باشد را به همان توان AC ولی با یک سطح ولتاژ پایین‌تر تبدیل می‌کند. از آنجایی که فرکانس برق شهری معمولا ۵۰ و یا ۶۰ هرتز می‌باشد به منظور ساخت یک منبع تغذیه خطی با توان بالا سایز، وزن و قیمت ترانسفورمر به شدت افزایش می‌یابد. از آنجایی که ترانسفورمرها براساس قانون القای فارادی کار می‌کنند، به هر میزانی که فرکانس را افزایش دهیم میزان توان انتقالی بیشتر خواهد شد. بنابراین به منظور انتقال یک توان مشخص از سمت اولیه به سمت ثانویه با افزایش فرکانس، تعداد دور مورد نیاز کمتر شده و در نتیجه سایز، وزن و قیمت ترانسفورمر کاهش می‌یابد.

 

۲-۲- یکسو ساز ولتاژ تمام موج

ولتاژ AC که بعد از عبور از ترانسفورمر دامنه آن تا میزان زیادی کاهش یافته وارد یکسو ساز ولتاژ تمام موج می‌شود. یکسو ساز ولتاژ تمام موج قسمت‌های منفی شکل موج ولتاژ ورودی را به مثبت تبدیل می‌کند (قدر مطلق سیگنال ورودی را می‌گیرد). نحوه عملکرد یکسو ساز ولتاژ تمام موج در شکل ۲ نشان داده شده است:

---

۳-۲- بانک خازنی

ولتاژ AC پس از عبور از یکسوساز ولتاژ تمام موج به یک ولتاژ یکسوشده تبدیل شده و سپس وارد یک بانک خازنی می‌شود. خازن‌ها تا مقدار پیک شکل موج یکسو شده شارژ شده و یک ولتاژ دی سی مطابق شکل ۳ به وجود می‌آورند (شکل موج قرمز رنگ).

 

 

۴-۲- رگولاتور خطی

در آخرین طبقه در منابع تغذیه خطی یا آنالوگ یک یا چند رگولاتور خطی قرار دارند که به منظور گرفتن ریپل‌های موجود در ولتاژ تولید شده توسط بانک خازنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با استفاده از یک رگولاتور خطی متغییر می‌توان یک منبع تغذیه خطی متغییر به وجود آورد. شکل ۴ یک منبع تغذیه آنالوگ را نشان می‌دهد. قسمت‌های مختلف یک منبع تغذیه خطی در شکل ۴ نشان داده شده است.

 

 

۳- ساختار منابع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه‌های سوئیچینگ نسل جدیدتر منابع تغذیه می‌باشند. ساختار منبع تغذیه سوئیچینگ در شکل ۵ نشان داده شده است.

 

منبع تغذیه‌های سوئیچینگ از شش قسمت اصلی تشکیل شده‌اند:

۱-۳- فیلتر ورودی

از آنجایی که منبع تغذیه مستقیم به برق شهری متصل می‌شوند اولین بلوک در آن‌ها فیلتر EMC/EMI می‌باشد. این بلوک وظیفه حذف نویزها و هارمونی‌های فرکانس بالای موجود در برق شهری را بر عهده دارد. در شکل ۶ ساختار فیلتر ورودی نمایش داده شده است. مطابق شکل ۶ فیلتر ورودی شامل یک عدد چک با نسبت یک به یک و خازن‌های ورودی و خروجی می‌باشد. ترکیب چک به همراه خازن‌های ورودی و خروجی تشکیل یک فیلتر پایین گذر را می‌دهد که فقط منجر به عبور فرکانس اصلی ۵۰ یا ۶۰ هرتز شده و سایر هارمونی‌های فرکانس بالا را فیلتر می‌نماید.

 

 

۲-۳- یکسو ساز تمام موج و بانک خازنی

سیگنال برق شهری پس از عبور از فیلتر ورودی وارد بلوک یکسوساز تمام موج می‌شود. این بلوک همانند بلوک یکسوساز تمام موج در منابع تغذیه خطی (آنالوگ) عمل می‌نماید. همچنین خازن‌هایی بعد از یکسوساز قرار می‌گیرند که منجر به تولید یک ولتاژ دی سی می‌شوند.

 

۳-۳- بلوک سوئیچینگ و ماسفت‌ها

این بلوک مهمترین قسمت منبع تغذیه سوئیچینگ می‌باشد و دلیل نام گذاری این منابع تحت عنوان سوئیچینگ به خاطر وجود این بلوک است. در این قسمت با توجه به ساختارش یک یا چند ماسفت یا IGBT قرار دارند که ولتاژ دی‌سی تولید شده در قسمت قبل را بر روی سیم پیچ اولیه ترانسفورمری که در بلوک بعدی قرار دارد با فرکانس بالایی سوئیچ می‌زنند. در اثر قطع و وصل (سوئیچینگ) ولتاژ دی‌سی باس بر روی سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر مجدد یک ولتاژ AC بر روی سیم پیچ سمت ثانویه القا می‌شود. این ولتاژ AC تولید شده مجدد وارد یک یکسو ساز نیم موج یا تمام موج شده و در نهایت وارد بلوک فیلتر خروجی می‌شود. در شکل ۷ مدار ساده شده یک منبع تغذیه سوئیچینگ با توپولوژی Flyback نشان داده شده است.

 

۴-۳- ترانسفورمر و یکسو ساز ثانویه

ولتاژ دی‌سی باس پس از سوئیچ زدن بر روی سیم پیچ اولیه ترانسفورمر منجر به ایجاد یک ولتاژ AC در سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورمر شده که این ولتاژ AC پس از عبور از یک یکسوساز نیم‌موج یا تمام‌موج قسمت‌های منفی آن حذف شده و یا مثبت می‌شوند. شکل موج‌های ایجاد شده در هر مرحله در شکل ۷ نشان داده شده است.

 

۵-۳- فیلتر خروجی

ولتاژ یکسوسازی شده بعد از عبور از فیلتر خروجی به یک ولتاژ دی‌سی صاف و بدون ریپل تبدیل می‌شود.

 

۶-۳- بلوک فیدبک ولتاژ و جریان

به منظور کنترل دقیق ولتاژ و جریان خروجی در منابع تغذیه سوئیچینگ از ولتاژ و جریان خروجی بازخورد گرفته شده و در واحد کنترل از آن‌ها استفاده می‌شود.

در شکل ۸ قسمت‌های مختلف یک منبع تغذیه سوئیچینگ نشان داده شده است.

 

 

۴- مقایسه نحوه عملکرد منابع تغذیه خطی با منابع تغذیه سوئیچینگ

تا به اینجای کار منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ را به صورت جداگانه بررسی کردیم اما ممکن است هنوز وجه تمایز این دو را به خوبی متوجه نشده باشید. هر دو دارای ترانسفورمر، یکسوساز، بانک خازنی (خازن‌های نرم کننده ولتاژ) و … می‌باشند اما تفاوت اصلی ناشی از چیست؟

در شکل ۱ ترانسفورمر اولین بلوک در ساختار منابع تغذیه خطی می‌باشد ولی همانطور که در شکل ۵ مشاهده می‌کنید در منابع تغذیه سوئیچینگ ترانسفورمر تقریبا جزو آخرین بلوک‌ها می‌باشد. در منابع تغذیه خطی برق شهری با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز، مستقیما وارد ترانسفورمر می‌شود و این باعث می‌شود که به منظور انتقال یک توان مشخص نیاز به ترانسفورمری با تعداد دور بالا، سایز و وزن زیاد و در نتیجه قیمت بیشتری داشته باشیم در حالیکه در منابع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ برق شهری ابتدا یکسوسازی شده و سپس با فرکانس بالایی برروی سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر سوئیچ می‌خورد و باعث می‌شود که بتوان توان به شدت بیشتری نسبت به منابع تغذیه خطی منتقل کرد و این خود باعث کاهش سایز، وزن و قیمت ترانسفورمر و منابع تغذیه سوئیچینگ می‌شود.

اکنون موقع پاسخگویی به این سوال است که چگونه افزایش فرکانس سوئیچینگ باعث افزایش توان القایی و در نتیجه کاهش سایز ترانسفورمر می‌شود؟

شکل ۹ ساختار یک ترانسفورمر را نشان می‌دهد. ترانفسورمر دارای دو عدد سیم‌پیچ بوده که بر روی یک عدد هسته مشترک قرار گرفته‌اند. اعمال ولتاژ متغییر به سیم‌پیچ اولیه باعث ایجاد یک شار مغناطیسی متغییر با زمان در داخل هسته می‌شود. طبق قانون القای فارادی این شار متغییر با زمان یک ولتاژ در ثانویه القا می‌کند به گونه‌ای که به هر میزانی که نرخ تغییر شار بیشتر باشد ولتاژ القایی در ثانویه بیشتر خواهد بود و در نتیجه توان بیشتری منتقل خواهد شد. در منابع تغذیه سوئیچنگ با افزایش فرکانس سوئیچ زنی نرخ تغییر شار بیشتر شده و بنابراین به منظور انتقال یک توان مشخص به ترانسفورمری با تعداد دور کمتر و در نتیجه سایز، وزن و قیمت کمتری نیاز خواهیم داشت.

به عبارتی با هر بار تغییر شار در سیم‌پیچ اولیه یک توان مشخصی در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌شود. با افزایش فرکانس تعداد دفعات تغییر شار در یک زمان ثابت بیشتر شده و در نتیجه توان بیشتر در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌شود.

 

 

۵- مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ

• منبع تغذیه های خطی ساختار ساده‌تری داشته و بنابراین از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردارند.
• از آنجایی‌که منابع تغذیه سوئیچینگ پیچیدگی و در نتیجه قطعات بیشتری دارند در توان‌های پایین (چند ده وات) ساخت منابع تغذیه خطی ارزان‌تر تمام می‌شوند.
• به دلیل عدم وجود بلوک سوئیچینگ منابع تغذیه خطی نویز کمتری تولید کرده و تاثیر کمتری روی مدارات اطراف خود می‌گذارند.
• بدلیل وجود ترانسفورمر بزرگ و رگولاتور خطی در خروجی منبع تغذیه خطی، این منابع تلفات زیادی داشته و بازده کمتری دارند.
• ساخت منبع تغذیه سوئیچنگ در توان‌های بالا بسیار ارزان‌تر می‌باشد.
• منابع تغذیه سوئیچینگ دارای سایز به نسبت کمتری بوده و روز به روز استفاده از آن‌ها بیشتر می‌شود.

 

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

منابع تغذیه سوئیچینگ با روش سوئیچ زنی با فرکانس بالا منجر به ساخت منابعی با سایز کوچیکتر و قیمت ارزان‌تر شده‌اند که استفاده از آن‌ها در صنعت مقرون به صرفه‌تر می‌باشد. همچنین بازده منابع تغذیه سوئیچینگ به شدت بیشتر می‌باشد. با این حال منابع تغذیه سوئیچنگ نویز زیادی تولید می‌کنند که باید ملاحظات لازم در استفاده از آن‌ها اتخاد شود.