انواع منابع تغذیه الکتریکی

منابع تغذیه الکتریکی که در آزمایشگاه ها، اسباب بازی ها، دستگاه های صنعتی و… به کار میروند بر اساس ساختار داخلی و نحوه تبدیل ولتاژ به دو دسته منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوییچینگ تقسیم میشوند. در ادامه هر کدام از این منابع از لحاظ ساختار داخلی، عملکرد و مشخصات بررسی و مقایسه میشوند.

منابع تغذیه خطی

تا سال ۱۹۷۰ استفاده از منابع تغذیه خطی تنها راه تبدیل ولتاژ الکتریکی بود اما از سال ۱۹۷۰ به بعد با ارائه منابع تغذیه سوییچینگ، کاربرد منابع تغذیه خطی محدود شد. اساس کار منابع تغذیه خطی استفاده از یک ترانس برای تبدیل ولتاژ برق شهر به ولتاژ دیگر است. سپس ولتاژ خروجی ترانس توسط پل دیودی و خازن فیلتر به ولتاژ DC تبدیل شده و با استفاده از یک تثبیت کننده ولتاژ خطی یا رگولاتور به یک ولتاژ DC خیلی تمیز و با کیفیت تبدیل میشود.

دیاگرام منبع تغذیه خطی

اجزای تشکیل دهنده منابع تغذیه خطی

با ذکر یک مثال میتوان مطلب فوق را به خوبی منتقل کرد. فرض کنید میخواهیم یک منبع تغذیه با ولتاژ ۱۵ ولت ۳ آمپر طراحی کنیم با توجه به بلوک دیاگرام منبع تغذیه خطی اجزای زیر را نیاز داریم.

ترانس

این ترانس ولتاژ ۲۲۰ ولت ورودی را که از برق شهر میگیرد به ولتاژ ۱۵ ولت تبدیل میکند. خب اکنون یک ولتاژ سینوسی با دامنه موثر ۱۵ ولت داریم که البته پیک دامنه آن برابر است با ۱۵*۱٫۴۱ که برابر ۲۱ ولت خواهد شد.

پل دیود

پل دیود وظیفه دارد که موج سینوسی ورودی را به یک ولتاژ DC البته با ریپل بالا تبدیل کند. پیک این ولتاژ DC برابر با ۲۰ ولت خواهد شد چرا که پل دیود افت ولتاژ ۱ ولت را دارد.

خان صافی

این خازن ریپل ولتاژ بعد از پل دیود را کاهش میدهد معمولا طوری خارن را قرار میدهیم که ولتاژ بعد از پل دیود کمی کمتر از ۱۰ درصد ریپل داشته باشد.

رگولاتور خطی

ولتاژ که به ورودی رگولاتور میرسد یک ولتاژ DC است که در بازه ۱۷ تا ۲۱ ولت نوسان دارد. رگولاتور وظیفه دارد تا این ولتاژ نوسانی را به یک ولتاژ ۱۵ ولت بدون نوسان تبدیل کند. دقت کنید ولتاژ ورودی رگولاتور خطی حتما باید حداقل حدود ۲ ولت از ولتاژ خروجی آن بیشتر باشد تا رگولاتور درست کار کند.

بازده

بازده منابع تغذیه خطی معمولا بین ۴۰ تا ۵۰ درصد است به همین دلیل این منابع تغذیه در توان های بالا که تلفات زیاد میشود بسیار گران هستند دلیل اینکه بازده منابع تغذیه خطی اینقدر پایین است در مثال فوق کاملا واضح است. در ورودی از یک ترانس استفاده شد که نهایتا بازده آن به ۶۰ درصد میرسد. بنابراین با توجه به توان نامی ترانس که ۴۵ وات است چیزی حدود ۱۸ وات تلفات دارد. سپس پل دیود جریان ۳ آمپر را عبور میدهد و میزان یک ولت نیز افت دارد پس ۳ وات تلف میکند. رگولاتور باید ولتاژ ۱۷ تا ۲۱ ولت را به ۱۵ ولت برساند پس چیزی حدود ۲ تا ۶ ولت افت دارد و چریان آن نیز ۳ آمپر است پس تلفات رگولاتور نیز به طور میانگین ۱۲ وات است یعنی در نهایت حدود ۳۳ وات تلفات داریم و بازده این مبدل برابر ۵۷ درصد میشود.

کاربردها

امروزه منابع تغذیه خطی در کاربرهای توان پایین بیشترین استفاده را دارند چون هزینه ساخت آنها کم است و ساختار آنها بسیار ساده میباشد. همچنین در کاربردهایی که به نویز حساس هستند از منابع تغذیه خطی استفاده میشود زیرا در این منابع تغذیه به دلیل عدم وجود سوییچینگ، هیچ گونه نویز فرکانس بالا و EMI وجود ندارد.

---

منابع تغذیه سوییچینگ

منابع تغذیه سوییچینگ امروزه تقریبا پرکاربردترین منابع تغذیه الکتریکی هستند. اساس کار آنها بر پایه ایجاد یک ولتاژ فرکانس بالا و اعمال آن بک ترانس(یا سلف) و سپس DC کردن دوباره آن ولتاژ است. با توجه به بلوک دیاگرام آورده شده در شکل زیر مشاهده میشود که ساختار داخلی منابع تغذیه سوییچینگ بسیار پیچیده تر از منابع تغذیه خطی است. نحوه عملکرد به این صورت است که ولتاژ AC ورودی(برق شهر) در همان ابتدا توسط پل دیود DC میشود. سپس این ولتاژ DC توسط سوییچ های الکترونیک قدرت به یک ولتاژ فرکانس بالا(حدود ۲۰ تا ۵۰۰ کیلوهرتز) تبدیل خواهد شد. توسط یک ترانس(یا سلف) فرکانس بالا این ولتاژ به سطح ولتاژ مطلوب کاهش یا افزایش داده میشود و سپس دوباره توسط دیود به شکل DC تبدیل میشود.

اجزای تشکیل دهنده منابع تغذیه سوییچینگ

با ذکر یک مثال میتوان مطلب فوق را به خوبی منتقل کرد. فرض کنید میخواهیم یک منبع تغذیه با ولتاژ ۱۵ ولت ۳ آمپر طراحی کنیم با توجه به بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوییچینگ اجزای زیر را نیاز داریم.

فیلتر ورودی

فیلتر ورودی وظیفه دارد تا نوسانات فرکانس بالا و نویزهایی که توسط سوییچ های قدرت تولید شده را حذف کند و اجازه ندهد تا این نویزها به شبکه قدرت ورودی برگردند.

پل دیود

پل دیود وظیفه دارد که موج سینوسی ورودی را به یک ولتاژ DC البته با ریپل بالا تبدیل کند. پیک این ولتاژ DC برابر با ۳۱۰ ولت خواهد شد چرا که ولتاژ ورودی آن سینوسی ۲۲۰ ولت است که پیک آن برابر ۲۲۰*۱٫۴۱ است. جریان عبوری از پل دیود در این مثال حدودا برابر ۰٫۲ آمپر است که نسبت به مبدل مشابه خطی بسیار کمتر است.

خان صافی

این خازن ریپل ولتاژ بعد از پل دیود را کاهش میدهد معمولا طوری خارن را قرار میدهیم که ولتاژ بعد از پل دیود کمی کمتر از ۱۰ درصد ریپل داشته باشد. در این مثال خازن باید ولتاژ ۳۱۰ ولت را تحمل کند اما در نمونه منبع تغذیه خطی ولتاژی که دوسر خازن قرار میگرفت ۲۱ ولت بود. به همین دلیل در منبع تغذیه سوییچینگ خارن کوچکتری (ظرفیت کمتری) نیاز داریم تا همان انرژی را ذخیره کند.

سوییچ قدرت

سوییچ های قدرت میتوانند ماسفت یا IGBT باشند که با سرعتی حدود چند ده کیلوهرتز قطع و وصل میشوند و ولتاژ مربعی فرکانس بالایی تولید میکنند. در این مثال سوییچ قدرت باید ولتاژ حدود ۴۵۰ ولت و پیک جریان ۱ آمپر را تحمل کند.

ترانس فرکانس بالا

این ترانس ها که عموما بر روی هسته فریت یا پودر آهن پیچیده میشوند نسبت به نمونه ترانس های فرکانس پایین خطی بسیار کوچک، سبک، ارزان و با راندمان بالا هستند. اگر میخواهید با مزایای هسته فریت و هسته های آهنی بیشتر آشنا شوید پیشنهاد میکنم این صفحه را ببینید.

دیودهای خروجی

این دیودها ولتاژ فرکانس بالای بعد از ترانس را دوباره به شکل DC تبدیل میکنند. این دیودها حتما باید سریع باشند و زمان بازیابی معکوس کوچکی داشته باشند وگرنه موجب آسیب دیدن کل مدار میشوند. در این مثال این دیود ها باید جریان حدود ۳ آمپر را تحمل کنند.

فیلتر خروجی

فیلتر خروجی در این مبدل ها میتواند از یک خازن یا سلف-خازن تشکیل شود و نسبت به فیلتر های منابع تغذیه خطی بسیار کوچکتر است زیرا قرار است یک فرکانس بالای چند ده کیلوهرتز را حذف کند نه فرکانس ۱۰۰ هرتزی که در منابع تغذیه خطی است.

واحد کنترل

منابع تغذیه سوییچینگ حتما دارای یک واحد کنترلی هستند که وظیفه آن تثبیت ولتاژ خروجی در برابر تغییرات بار، دما، ولتاژ ورودی و… است. این سیستم کنترلی میتواند به صورت دیجیتال یا آنالوگ باشد و زمان روشن و خاموش شدن سوییچ های قدرت را تعیین میکند.

بازده

بازده منابع تغذیه سوییچینگ میتواند از ۷۵ درصد درتوان های پایین تا ۹۵ درصد در توان های بالا تغییر کند. تلفاتی که در این مبدل ها است شامل دو دسته است:

1. تلفات هدایتی یا اهمی
2. تلفات سوییچینگ

در همین مثال که در بالا آورده شد تلفات پل دیود ورودی حدود ۰٫۲۵ وات، تلفات سوییچ قدرت حدود ۲٫۵ وات، تلفات ترانس(یا سلف) حدود ۴ وات، تلفات دیود خروجی حدود ۳ وات و تلفات مدار کنترل و دیگر قیمت ها نیز حدود ۲ وات خواهد بود یعنی در مجموع ۱۱٫۷۵ وات تلفات خواهیم داشت که بازده مبدل تقریبا ۷۹ درصد خواهد شد.

کاربردها

منابع تغذیه سوییچینگ بازده بالایی دارند اما از اجزای بیشتر و پیچیده تری نسبت به منابع تغذیه خطی تشکیل شده اند به همین دلیل ممکن است در توان های پایین مزیت زیادی نسبت به منایع تغذیه خطی نداشته باشند. اما در توان های بالا قطعا نسبت به منابع تغذیه خطی برتری چشم گیری دارند. حجم کوچک، سبکی، قیمت مناسب و تثبیت عالی ولتاژ خروجی مهمترین مزیت منابع تغذیه سوییجینگ در توان های بالا است.

---

اگر علاقمند به یادگیری طراحی منابع تغذیه سوییچینگ هستید، شرکت افرا صنعت دوره آموزشی منابع تغذیه سوییچینگ را تقریبا هر ماهه برگزار میکند. در این دوره تمامی اجزای منابع تغذیه سوییچنگ برسی میشوند و ۲ نمونه منبع تغذیه سوییچینگ به صورت عملی توسط هر کدام از کارآموزان آماده میشود. جهت دریافت اطلاعات بیشتر در ارتباط با این دوره آموزشی اینجا کلیک کنید.