چطور بهترین منبع تغذیه را طراحی کنیم؟

منبع تغذیه power supply آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

پیشرفت سریع الکترونیک در سال های اخیر نیازمند توسعه متبحرانه این منابع جهت هر چه کمتر کردن وزن و افزایش هر چه بیشتر راندمان بوده است. این امر به گونه ای صورت پذیرفته است و چگالی نسبت توان به حجم، بدون کاهش چشم گیر کارآیی همچنان در سطح بالایی قرار داشته باشند به همین منظور در این قسمت ابتدا آشنایی مختصری با طراحی منبع تغذیه خطی حاصل می شود. با ارائه توضیحات لازم اشاره خواهد شد که به چه دلایلی نمی توان از این دسته از منابع انتظار حجم کم راندمان بالا به ویژه در توان های زیاد را داشت. سپس طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ فرکانس زیاد به عنوان تنها راه حل پیشنهادی معرفی می گردد. باید بدانیم که این دسته از منابع نسبت به نوع خطی بسیار پیچیده تر است چرا که نیازمند دانش وسیعی در زمینه طرح مدارهای الکترونیک آنالوگ، ادوات مغناطیسی همراه با طرح مدارهای کنترلی و منطقی است.

منبع تغذیه خطی

بلوک دیاگرام ساده شده منبع تغذیه خطی در شکل زیر نشان داده شده است.

بلوک دیاگرام منبع تغذیه خطی آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

بلوک دیاگرام منبع تغذیه خطی

شمای مداری ساده شده یک منبع تغذیه خطی می تواند به صورت شکل زیر نشان شده است:

شمای مداری منبع تغیه خطی آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

شمای مداری منبع تغیه خطی

در مدار طراحی منبع تغذیه در ابتدا توسط یک ترانس کاهنده ولتاژ متناوب کاهنده ولتاژ متناوب برق شهر به ولتاژ متناوبی با دامنه کم تر تبدیل می شود. ولتاژ به دست آمده یکسو و سپس فیلتر شده و در نهایت مقدار dc به دست آمده به عنصر فعال اعمال می شود که به طور سری با بار قرار داده شده است نمونه برداری از ولتاژ خروجی و مقایسه آن با ولتاژ مرجع، عنصر سری به صورت یک مقاومت متغیر کنترل شده تا بر این اساس موجب تثبیت ولتاژ خروجی شود. بدیهی است که مقدار زیادی توان در معمولا کنترل و فیدبک این نوع منابع تغذیه به صورت آنالوگ یا پیوسته میباشد. ولتاژ خروجی با یک ولتاژ مرجع مقایسه شده و نتیجه مقایسه، جریان بیس را کنترل می کند تا جریان کافی به بار – برسد. در این صورت ولتاژ خروجی علیرغم تغییرات مقدار بار و یا جریان آن، ثابت باقی می ماند.

مزایای منابع تغذیه خطی

  1. پایداری زیاد
  2. نویر پذیری پایین
  3. تثبیت عالی
  4. نوسان کم خروجی

معایب منبع تغذیه خطی

  1. بازده کمتر از ۵۰ درصد (در توان های نسبتا زیاد). راندمان منبع تغذیه خطی معمولا کم است. دلیل آن افت ولتاژ و در نتیجه اتلاف توان در عنصر کنترل است.
  2. حجم زیاد. یکی از معایب منبع تغذیه خطی حجم زیاد آن به ویژه در توان زیاد است. دلیل اصلی حجیم شدن این منابع دو عامل ذیل است: الف) بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی ب) نیاز به گرماگیرهای بزرگ به دلیل تلفات زیاد در عنصر کنترل
  3. عدم توانایی فشرده سازی به ویژه برای بهره وری بالا.
  4. زمان نگهداری نسبتا کوچک.
  5. مناسب برای ولتاژهای کم. این نوع منابع بیشتر برای ولتاژهای خروجی پایین به کار برده می شوند و این یکی از معایب منبع تغذیه خطی است که استفاده از آن در ولتاژهای زیاد مقرون به صرفه نیست.

منبع تغذیه سوئیچینگ (غیر خطی)

معایب موجود در طراحی منبع تغذیه خطی می تواند با استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ کاهش یافته و یا حذف شود. بلوک دیاگرام ساده شده یک منبع تغذیه سوئیچینگ در شکل زیر نمایش داده شده است.

بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ

شمای مداری ساده شده این بلوک دیاگرام می تواند به صورت شکل زیر توصیف شود (از واحد فیدبک و کنترل صرف نظر شده است).

شمای مداری منبع تغذیه سوئیچینگ آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

شمای مداری منبع تغذیه سوئیچینگ

در مدار طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ ابتدا ولتاژ متناوب برق شهر مستقیما یکسو و فیلتر می شود تا یک ولتاژ DC نسبتا زیاد تولید شود. این ولتاژ به عنصر سوئیچینگ (که در شکل بالا به صورت یک کلید نمایش داده شده است) اعمال می شود تا موج مربعی فرکانس زیاد حاصله، بعد از عبور از یک ترانس کاهنده و یکسوسازی، ولتاژ dc مورد نیاز را تولید کند. بدیهی است که با کنترل زمان اقطع و وصل کلید می توان دامنه ولتاژ خروجی را بر روی یک مقدار مشخص تثبیت کرد.

مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ داری مزایایی به شرح زیر می باشند:

  • راندمان بزرگتر از ۵۰ درصد
  • ابعاد کوچک ترانس

در منابع تغذیه خطی ترانس در فرکانس ۵۰ هرتز برق شهر کار می کند. بر این اساس انرژی نسبتا زیاد در تعداد دفعات کم به خروجی منتقل می شود. در حالی که در منبع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس، بسته های انرژی کوچکتری در تعداد دفعات بیشتری منتقل می گردد.

برای مثال منبع پر از آبی را در نظر بگیرید، اگر این منبع را با یک ظرف بزرگ و با سرعت کم و یا با یک فنجان ولی، با سرعت زیاد خالی کنیم، هر دو می توانند در یک زمان منبع را خالی کنند با این که ظرفیت و حجم یک فنجان بسیار کوچک تر است. از این مثال این موضوع را درک می کنیم که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس، حجم ترانس کوچک می شود.

  • سبک بودن منبع تغذیه
  • کاملا فشرده

بلوک دیاگرام کامل تر منبع تغذیه سوئیچینگ

بلوک دیاگرام کامل تر منبع تغذیه سوئیچینگ آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

بلوک دیاگرام کامل تر منبع تغذیه سوئیچینگ

در بلوک دیاگرام ساده شده شکل های بالا مشکلاتی وجود دارد که موجب می گردد تا نتوان با اطمینان خاطر از سیستم سوئیچینگ با این بلوک دیاگرام در عمل استفاده کرد. در نتیجه باید با اضافه کردن چند بلوک مناسب دیگر این معایب برطرف شوند. در این قسمت به بررسی پیرامون این مشکلات و چگونگی رفع آنها می پردازیم.

  • حفاظت اضافه ولتاژ

یکی از مشکلات طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ در بلوک دیاگرام قبل این است که چنانچه مسیر فیدبک به هر دلیلی قطع شود، ولتاژ خروجی زیاد شده و چون کنترلی برای محدود کردن آن وجود ندارد در نهایت باعث سوختن می شود. بنابراین نیاز به واحدی به نام “حفاظت اضافه ولتاژ ” می باشد، به این صورت که این مدار از ولتاژ خروجی نمونه برداری کرده و آن را بررسی می کند که مقدار به دست آمده بیشتر از مقدار مورد نظر تعیین شده نباشد.

  • نویز

مشکل دیگر در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ در بلوک دیاگرام قبل، ایجاد نویز هدایتی است که از ترانس سوئیچینگ رو به جلو و یا عقب – بر روی خط تغذیه – نشت می کند. برای حذف این نویز از فیلتر RFI با EMI استفاده می شود که دقیقا در ورودی نصب می شود و وظیفه اش این است که اجازه ورود و خروج نویز را ندهد. نویز هدایتی به دو صورت باعث ایجاد مشکل در منبع تغذیه می شود:

  1. توان راکتیو دریافت شده از خط را زیاد می کند.
  2. ایجاد تداخل رادیویی می کند.

در توان های پایین و در حدود ۲۰۰-۳۰۰ وات غالبا از یک طبقه از این نوع فیلتر استفاده می شود. در توان های بالاتر مثلا ۵۰۰-۶۰۰ وات از دو طبقه فیلتر استفاده می شود. اما در توان های خیلی بالاتر، فیلتر RFI به تنهایی پاسخ گوی نیاز مدار نیست و باید از واحد دیگر به نام PFC نیز استفاده کرد.

  • حفاظت اضافه جریان

مشکل دیگر در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ، جریان عبوری از عناصر سوئیچینگ است. به عنوان مثال اگر خروجی اتصال کوتاه شود، به محض آمدن پالس روشنی، ترانزیستور سوئیچینگ می سوزد و یک اتصال کوتاه فلزی در ترانزیستور به وجود می آید(یعنی فلز کنتاکت کلکتور به داخل امیتر نفوذ می کند. البته ترانس تحمل عبور جریان تا ۱۰ برابر جریان اتصال کوتاه را دارد، لذا نمی سوزد. اما سایر عناصر مسیر، مثل دیود یکسوساز، فیلتر RFI و صدمه می بینند.

برای رفع این مشکل واحدی به نام “حفاظت اضافه جریان” طراحی می شود تا بالا رفتن جریان را تشخیص دهد. به عنوان مثال در برخی سیستم ها، توسط یک ترانس از بیشینه جریان عبوری نمونه گیری می شود و ولتاژی متناسب با این جریان در خروجی ایجاد می شود. این ولتاژ مورد بررسی قرار می گیرد که آیا در حد مجاز می باشد یا خیر.

البته به جای ترانس می توان از مقاومت های کوچک استفاده کرد. اما در توان های بالا، در فرکانس سوئیچینگ این مقاومت های کوچک از خود خاصیت سلفی نشان میدهند. چون ساختار آنها به صورت سیم نازک دور یک میله میکا می باشد، لذا در فرکانس های بالا مشابه سلف عمل می کند و در این حالت ولتاژ دو سر آن ها متناسب با جریان عبوری از آنها نیست تا بتوان با اندازه گیری ولتاژ دو سرشان، مقدار جریان را تعیین کرد.

همچنین اگر به جای استفاده از مقاومت های کوچک، از موازی کردن چند مقاومت کربنی استفاده کنیم، حجم زیادی اشغال می کنند. لذا بهتر است از ترانس جریان استفاده کنیم.

  • مجزا سازی ورودی/خروجی

یکی از مهم ترین اشکالات طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ در بلوک دیاگرام قبل آن است که با اتصال شبکه فیدیک، زمین ورودی و زمین خروجی یکی می شوند. این از نظر ایمنی مناسب نیست، زیرا سیستم باید قطع خط باشد. در یک سیستم قطع خط باید اتصال خطوط ورودی (فاز یا نول) از خروجی سیستم کاملا جدا باشد تا ایمنی کاربر تضمین گردد. برای رسیدن به این هدف باید ارتباط واحد فیدبک و کنترل مجزا باشد برای این منظور از بلوک “مجزا سازی ورودی / خروجی ” استفاده می شود. غالبا بعد از عمل مقایسه ولتاژ خروجی با مرجع، اطلاعات را به صورت نوری و یا مغناطیسی انتقال می دهند. زیرا در این حالت نیازی به خط زمین نیست و به وسیله یک ترانس یا دیود نوری به راحتی می توان مجزاسازی را انجام داد. به این ترتیب می توان این واحد را به دو صورت زیر طرح کرد:

  1. نوری
  2. مغناطیسی
  • منبع تغذیه کمکی

از آنجایی که در تمامی سیستم هایی که نیاز به امنیت بیشتر دارند، بخش کنترل باید در خروجی قرار گیرد تا در صورت اتصال کوتاه خروجی، سیستم کنترل سریعا خاموش و ترانزیستورهای سوئیچینگ هم قطع شوند، لذا از بلوک تغذیه کمکی استفاده می شود، تا در لحظه اول که سیستم در آستانه روشنی است، تغذیه بخش کنترل را تأمین کند. بدین طریق واحد کنترل در خروجی قرار می گیرد و باعث بالا رفتن امنیت سیستم می شود.

در مورد گرمای تولید شده به ویژه در توان های بالا باید توجه داشت که اگر بازدهی مدار ۹۰٪ باشد، از ۱۰٪ تلفات، حدودا ۵٪ آن تشعشع و حدود ۵٪ آن مربوط به حرارت تولیدی است که باید آن را به طریقی دفع کرد. این عمل غالبا توسط فن ها انجام می شود، که انرژی شان را از بلوک تغذیه کمکی دریافت می کنند.

به طور خلاصه عملکرد سیستم به این صورت است که در لحظه اول بلوک تغذیه کمکی روشن می شود و متعاقبا فن ها را روشن می کند. اگر چرخش فن ها درست بود، تغذیه بخش کنترل اعمال می شود. بخش کنترل پس از دریافت تغذیه، با مشاهده عدم وجود ولتاژ خروجی، یک پالس به بخش سوئیچینگ اعمال کرده تا ترانزیستورهای سوئیچینگ روشن شوند و قدرت انتقال یابد. در این حالت چنانچه بار زیاد باشد، منبع “زیر بار” نمی ماند و حتی با اتصال کوتاه کردن خروجی، هم بخش کنترل و هم ترانس هیچ پالسی به خروجی نمی فرستند.

  • تصحیح ضریب قدرت

تنها مشکل باقی مانده در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ ، به ویژه در انواع توان زیاد آن، این است که وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کار می کند، هارمونی هایی به وجود می آید که واحد RFI قادر به حذف آنها نیست. این هارمونی ها در ورودی تغذیه موجب دریافت توان راکتیو زیادی می شوند که مطلوب نیست. اما چنانچه جریان با ولتاژ ورودی هم فاز شود، هارمونی (توان راکتیو) تولید نمی شود. برای این کار از واحد “تصحیح ضریب قدرت ” یا PFC استفاده می شود. این واحد اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ را صفر می کند در اصل PFC هارمونی اصلی ولتاژ را با جریان اصلی هم فاز می کند.

فیلیوس

برق قدرت

نوشته‌های مرتبط

قوانین ارسال دیدگاه

  • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
  • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
  • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
دیدگاه‌ها

*
*