پاور ساپلای یا منبع تغذیه، قلب تپنده تجهیزات صنعتی
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.
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.
مقایسه رگولاسیون خطی و سوئیچینگ
- 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.
- 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.
- 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.
روش کار
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 حداقل 100 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.
بدیهی است که این ساختار، همگانی و عمومی نبوده و در حدود 75 % ساختار داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر می‌گیرد.
اجزاء داخلی منبع تغذیه
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.
وظایف آی سی های جدید
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.
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.
نوسان سازکه در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می‌کند.
راه اندازخروجی
که توان کافی را جهت به کارگیری در مقاصد کم و میانه، تولید می‌کند.
ولتاژ مبنا
که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجی ها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش ها تولید می‌کند.
مبدل خطا
که عرض پالس DC خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم می‌نماید.
Power Factor Correction
که وظیفه تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار PWM رابر عهده 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.
در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، شما رابا اجزاء داخلی