2-1:معرفی منبع تغذیه سوییچینگ

مترجم:حسام عابدی

این راهنما به منظور اطلاع رسانی و احترام به مشتریان ، منتشر گردید،  که در زمینه طراحی، تولید و ساخت و فروش منابع تغذیه سوییچینگو با توجه به آخرین دست آوردهای علمی و قوانین روز تهیه شده است که شامل اطلاعات پایه در پاورهای سوییچینگ ، مشخصات عمومی، تنظیمات ایمنی( ملاحظات ) ، استانداردهای EMC ،CE، قابلیت اطمینان ، نکات عملی ،اصطلاعات ، قواعد فنی و نکات تصحیح خطا می باشد.

هدف اصلی این راهنما تاکید بر توضیحات مورد نیاز بوده و از نوشتن روابط و فرمول های ریاضی در آن اجتناب شده است تا کاربران بتوانند بدون نیاز به پیشینه علمی تخصصی به راحتی از آن استفاده کنندو تصویر روشنی از مشخصات منبع تغذیه، کاربردها و ملاحظات ایمنی در کوتاه ترین زمان بدست آورند.

هدف منابع تغذیه سوییچینگ به طور کلی بهبود نقاط ضعف موجود در منابع تغذیه خطی از جمله وزن زیاد ، حجم بالا و بازده کم می باشد. شمای فنی یک منبع تغذیه سوییچینگ در شکل 1-1  نشان داده شده است :

شکل 1-1 : مدار الکتریکی مفهومی منبع تغذیه سوییچینگ متداول

این منبع ولتاژ AC ورودی را به صورت مستقیم بدون استفاده از ترانسفورماتور فرکانس پایین یکسو و فیلتر می کند. ظرفیت خازنی  بانک خازنی با توجه به ولتاژبزرگ رگوله شده می تواند کوچک باشد. این ولتاز یکسو شده دارای مقدار ثابتی است به عنوان مثال اگر سطح ولتاژ برق ورودی منبع 220 ولت باشد مقدار ولتاژ یکسو شده آن 380 تا 400 ولت DC است ، برای اینکه بتوان از این سطح ولتاژ سطوح ولتاژ دیگری مانند 5 ولت ، 12 ولت ، 24 ولت ، 48 ولت ساخت ، ایده سوییچینگ یا کلید زنی مطرح می شود. سوییچینگ بیانگر قطع و وصل کردن سوییچ های قدرت ( ماسفت ) می باشد تا ولتاژDC را به ولتاژ مربعی با فرکانسهای مختلف تبدیل نمایند ، هرچه سرعت قطع و وصل شدن ماسفت ها افزایش یابد ، فرکانس ولتاز مربعی افزایش می یابد. اگر بتوان ولتاژی با شکل موج مربعی با فرکانسهای مختلف ساخت می توان با یکسوسازی آن به سطح ولتاژهای DC مختلف رسید ، با استفاده از قطع و وصل ماسفت های قدرت می توان ولتاژی با شکل موج مربعی ساخت که به این فرآیند سوییچینگ یا کلید زنی می گویند و در مرحله بعد با یکسوسازی ولتاژ مربعی به سطح ولتاژ dc مطلوب مورد نظر می توان رسید به همین دلیل به این دست از منابع تغذیه ، منبع تغذیه سوییچینگ گفته می شود و اساس کار آنها در 3 مرحله : یکسوسازی ورودی – کلید زنی ( سوییچینگ ) – یکسوسازی خروجی می باشد. منابع تغذیه سوییچینگ از ترانسفورماتور فرکانس بالا به منظور بریدن ولتاژ بالای مستقیم ( که توسط یکسوساز ورودی ، یکسو شده ) به ولتاژ بالای متناوب و تبدیل آن به ولتاژ مطلوب استفاده می کنند. سپس ولتاژ مربعی با مقدار پیک مطلوب یکسو شده و توسط فیلتر به سطح ولتاژ DC می رسیم. سوییچینگ فرکانس بالای ترانسمیتر و دیودها منجر به تولید نویز و ریپل خواهد شد و به همین دلیل در خروجی منبع تغذیه از رگولاتورها جهت صاف کردن ولتاژ dc تولید شده استفاده می شود.
در شکل زیر سعی شده است تا با نمایش شکل ولتاژ در قسمت های مختلف منبع تغذیه ، دید مناسبی از روند کار بدست آید. همانطور که از شکل مشخص است برق ورودی به منبع تغذیه ، سینوسی است که در مرحله اول پس از یکسوسازی به صورت ولتاژDC نا صاف در می آید ، در مرحله بعدی با انجام عملیات کلید زنی ( سوییچینگ ) ولتاژ تبدیل به موج مربعی می شود ، سپس با عبور از ترانسفورماتور فرکانس بالا ولتاژ ورودی به سطح ولتاژ مورد نظر کاهش می یابد ( دقت کنیم که چون فرکانس موج مربعی بسیار بالاست لذا ترانس مورد استفاده در این قسمت ابعاد بسیار کوچک تری نسبت به ترانس های منابع تغذیه متداول قدیمی دارد ) و در مرحله آخر یکسوسازی و صاف کردن ولتاز مربعی انجام می شود که در نهایت ولتاژ صاف با مقدار مورد نظر بدست می آید.

شکل 2-1 : شکل ولتاژ در قسمت های مختلف منبع تغذیه سوییچینگ

بلوک دیاگرام زیر اجزا اصلی یک منبع تغذیه سوییچینگ را نشان می دهد که شامل قسمت های زیر می باشد :

فیلتر ورودی – مدار کنترل جریان هجومی – یکسوسازی ورودی – مدار اصلاح ضریب توان – مبدل – یکسوساز خروجی – مدار ارسال فیدبک کنترلی – مدار حفاظت

شکل 3-1 : بلوک دیاگرام زیر بخش های منبع تغذیه سوییچینگ

1.     فیلتر EMIورودی : کلید زنی منبع در فرکانس بالا ( در حد مگا هرتز ) انجام می شود و به همین دلیل نویزهای الکترومغناطیسی تولید می شود لذا فیلتر ساخته شده در ورودی منبع تغذیه باعث کاهش نویز الکترومغناطیسی تولید شده توسط منابع تغذیه سوییچینگ می شود.
2.      مدار کنترل جریان هجومی ( inrush corrent) : جریان هجومی به علت عملکرد غیر خطی منبع تغذیه در هنگام روشن شدن منبع ایجاد می شود و اگر مقدار آن بالا باشد منجر به آسیب منبع تغذیه خواهد شد و بر روی سیستم تغذیه دستگاه تاثیر منفی خواهد گذاشت.لذا از مدار حذف کننده جریان هجومی جهت محدود کردن جریان های بالا در داخل هر منبع تغذیه استفاده شده است.
3.      یکسو کننده ورودی : ولتاژ متناوب ورودی را به ولتاژ مستقیم تبدیل می کند.
4.      مدار اصلاح  ضریب توان :سوییچینگ ولتاژ ورودی باعث تغییر شکل موج جریان برق شهر می شود و آن را از حالت سینوسی خارج می کند که نه تنها منجر به تولید توان راکتیو خط برق و کاهش راندمان برق شهر خواهد شد بلکه باعث می شود منبع تغذیه تلفات توان راکتیو داشته باشدو در صورتیکه کنتر برق دستگاه قابلیت اندازه گیری توان راکتیو را داشته باشد ، هزینه اضافی به قبض برق مصرفی اعمال خواهد شد لذا مدار اصلاح ضریب توان که به دو صورت اکتیو و پسیو استفاده می شود ، منجر به اصلاح شکل موج جریان در ورودی شده و جریان ورودی را به شکل سینوسی نزدیک می کند و بر اساس قوانین تنظیم هارمونیک های جریان و کاهش توان راکتیو طراحی شده است.
5.       مبدل : ولتاژ DC بعد از یکسو کننده را به ولتاژ مربعی با فرکانس بالا تبدیل می کند و سطح این سیگنال با استفاده از تراسفورماتور فرکانس بالا کاهش و یا افزایش داده خواهد شد.
6.       یکسو کننده خروجی : پالسهای مربعی خروجی را به ولتاژ DC با سطح ولتاژ مشخص تبدیل می کند.
7.      فیدبک کنترل : با استفاده از این فیدبک سیستم کنترل با وجود نوسانات و تغییرات در ولتاژ ورودی AC ، سطح ولتاژ خروجی را در مقدار ثابت مشخص شده نگه می دارد.
8.      مدار محافظ: در شرایط غیر عادی مانند اضافه جریان ، اضافه ولتاژ ، افزایش دما ، اتصال کوتاه و …  منبع تغذیه با فعال کردن مدارهای حفاظتی منجر به قطع مدار و یا رفتن در مدهای حافظتی می شود.  در مورد مدارات حفاظت منبع تغذیه در بخش 5-1 توضیحات بیشتری ارایه می شود.