منبع تغذیه سوئیچینگ

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
ATX power supply interior-1000px transparent.png

یک منبع تغذیه سوئیچینگ (به انگلیسی: Switched-mode power supply (به اختصار SMPS)) یا به بیانی ساده، یک Switcher، یک منبع تغذیهٔ الکترونیکی است که شامل یک تنظیم‌کنندهٔ جریان برای داشتن کارآیی خیلی بالا در هنگام تغییر توان الکتریکی است. مانند سایر منابع تغذیه یک SMPS، توان را از یک منبع به یک مقصد (مصرف‌کننده) همزمان با تغییر مشخصه‌های ولتاژ و جریان تبدیل می‌کند. یک SMPS معمولاً برای تأمین کارای، ولتاژی منظم به کار گرفته می‌شود. برخلاف منابع تغذیه خطی، در این منابع ترانزیستوری که نقش کلید را به عهده دارد با فرکانسی حدود 50 کیلو هرتز یا بیشتر بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می گردد .نسبت ولتاژ خروجی به ورودی را می توان با تغییر نسبت زمان روشن بودن به زمان خاموش بودن ترانزیستور تعیین کرد . در نقطه مقابل، در یک منبع تغذیه خطی برای دستیابی به ولتاژ دلخواه باید قسمتی از ولتاژ ورودی روی ترانزیستور افت کرده و تلف شود .بازده بالا مزیت اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ است . هنگامی که بازده بالاتر، ابعاد کوچک تر و وزن کم تر مد نظر باشد منابع تغذیه سوئیچینگ جایگزین منابع تغذیه خطی می شوند . منابع تغذیه سوئیچینگ پیچیده تر هستند و اگر جریان ورودی به آنها به خوبی فیلتر نشود می تواند نویز ایجاد کند.

توضیحات[ویرایش]

یک رگولاتور خطی با تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت قادر است ولتاژ یا جریان خروجی را تنظیم کند بنابراین حداکثر بازده توان آن برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی . در یک منبع تغذیه سوییچینگ ولتاژ یا جریان از طریق سویچ کردن یک المان ذخیره کننده انرژی مثل سلف یا خازن تنظیم می شود . المان های سوییچینگ آرمانی (ایده‌آل) (مثل ترانزیستوری که در خارج از ناحیه فعال کار می کند) در حالت بسته مقاومتی نداشته و در حالت باز هم جریانی از آنها عبور نمی‌کند بنابراین این دسته از منابع تغذیه به لحاظ نظری می توانند بازده ۱۰۰ درصد داشته باشند .

(این یعنی اینکه تمامی توان ورودی به بار منتقل می شود و هیچ کسری از آن از طریق گرما هدر نمی‌رود ).

مزایا و معایب[ویرایش]

مهمترین مزیت یک منبع تغذیه سوییچینگ بازده بالای آن است . از آنجایی که ترانزیستور سوییچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می کند ( در حالت قطع جریان عبوری از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روی آن کم است ) بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می گردد . سایر مزایای آن عبارتند از حجم و وزن کمتر ( به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد ) و گرمای ایجاد شده کمتر (به دلیل بازده بالاتر ). معایب آن عبارتند از پیچیدگی زیاد و امکان تداخل الکترومغناطیسی و همچنین ایجاد موجک (ریپل) در فرکانس سوییچینگ و هارمونیک های آن نوع ارزان قیمت این گونه منابع می تواند نویز الکتریکی حاصل از سوییچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده اند، میگردد . منابع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند .

مقایسه منابع تغذیه سوییچینگ و خطی[ویرایش]

منابع تغذیه خطی منابع تغذیه سوییچینگ ملاحظات
وزن و ابعاد در منابع با توان بالا هیت‌سینک مورد نیاز است که ابعاد منبع را افزایش میدهد . استفاده از ترانسفورمر های فرکانس پایین، به حجم و سنگینی دستگاه می افزاید . در بعضی منابع ممکن است از ترانسفورمر (یا سلف )استفاده شود که البته به دلیل فرکانس کاری بالا، سنگینی و ابعاد ترانسفورمر زیاد نیست . برای یک ابعاد و وزن مشخص، توان یک ترانسفورمر با فرکانس نسبت مستقیم دارد البته به شرط اینکه بتوان تلفات هیسترزیس را پایین نگه داشت .به عبارت دیگر فرکانس کاری بالاتر به معنای ابعاد کوچک تر است .
ولتاژ خروجی در صورت استفاده از ترانسفورمر، می توان در خروجی به هر ولتاژ دلخواهی دست یافت . در منابع خطی بدون ترانسفورمر ولتاژ خروجی از ورودی بیشتر نخواهد شد

در صورت عدم استفاده از رگولاتور، ولتاژ خروجی با بار تغییر می کند .

هیچ گونه محدودیتی در ولتاژ خروجی نداریم . در بیشتر مدارات فقط ولتاژ شکست ترانزیستور می تواند محدود کننده باشد . ولتاژ خروجی با بار تغییری نمی‌کند . یک منبع تغذیه سوییچینگ می تواند برای دامنه گسترده تری از ولتاژ های ورودی و خروجی جوابگو باشد.
کارایی، توان و گرمای تلفاتی در منابع تغذیه دارای رگولاتور، بازده عمدتاً بسته به اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی است .ولتاژ خروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت، تنظیم می گردد که این سبب می شود بازده منبع تغذیه به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد محدود شود . در منابع تغذیه فاقد رگولاتور، تلفات مسی و آهنی ترانسفورمر تنها عامل مؤثر بر کارایی منبع تغذیه است . ولتاژ خروجی از طریق کنترل سیکل وظیفه (دیوتی سایکل) تنظیم می گردد . ترانزیستور ها یا کاملاً روشن (حالت اشباع)هستند یا کاملاً خاموش (حالت قطع) بنابراین تلفات اهمی بین ورودی و بار وجود ندارد . حرارت ایجاد شده ناشی از ویژگیهای غیر آرمانی اجزای مدار و همچنین جریان حالت دایم مدار کنترل کننده می باشد . تلفات سوییچینگ در ترانزیستور ها ( به خصوص در بازه زمانی کوتاهی از هر دوره تناوب که ترانزیستور در حال گذار است )، مقاومت حالت روشن ترانزیستور ها، مقاومت معادل سری در سلف ها و خازن ها، تلفات هسته در سلف ها و افت ولتاژ روی دیودها همه و همه سبب می گردند که کارایی یک منبع تغذیه سوییچینگ نوعاً بین ۶۰ تا ۷۰ درصد باشد . با وجود این با یک طراحی بهینه مثلاً استفاده از فرکانس سوییچینگ بهینه، اجتناب از اشباع سلف ها و یکسوسازی فعال، می توان به بازده ۹۵ درصد هم رسید .
پیچیدگی یک منبع تغذیه خطی تنظیم نشده می تواند صرفاً از یک دیود و یک خازن تشکیل شود . در منابع تنظیم شده یک مدار گسسته یا مجتمع برای تنظیم کردن ولتاژ خروجی وجود دارد . این مدار ( و همچنین معیار پایداری حلقه بازخورد آن ) نسبت به منابع تغذیه سوییچینگ، پیچیدگی کمتری دارد . در این دسته از منابع یک مدار مجتمع کنترل کننده، یک یا چند ترانزیستور و دیود قدرت، یک ترانسفورمر قدرت و چندین سلف و خازن پالاینده (فیلتر) وجود دارند .طراحی این دسته از منابع دارای پیچیدگی هایی است که در منابع تغذیه خطی نظیر آن را نمی توان یافت . در منابع تغذیه سوییچینگ با یک ترانسفورمر می توان در خروجی چندین ولتاژ بدست آورد . یکی از این ولتاژ های خروجی باید برای رگولاسیون ولتاژ حلقه بازخورد استفاده شود .
تداخل فرکانس رادیویی در بار زیاد، دیودهای یکسوساز ممکن است تداخل فرکانس بالای ناچیزی ایجاد کنند . در کابل های فاقد حفاظ (شیلد) هوم القا می کنند که می تواند در فرکانس صوتی مشکل ساز باشد . به این دلیل که جریان بطور ناگهانی قطع و وصل می شود، این دسته از منابع مستعد ایجاد تداخل فرکانس رادیویی و الکترومغناطیسی می باشند . لذا برای کاهش تداخل باید از پالایه (فیلتر)های تداخل الکترومغناطیسی و همچنین حفاظ های فرکانس رادیویی بهره جست . در منابع تغذیه سوییچینگ وجود سیمهای ارتباطی بلند بین اجزای مدار می تواند کارایی پالایه (فیلتر) های فرکانس بالا را کاهش دهد .
نویز الکترونیکی در ترمینال های خروجی در منابع تغذیه تنظیم نشده یک موجک (ریپل) با فرکانس دو برابر برق شهری (۱۰۰ یا ۱۲۰هرتز) روی مولفه جریان مستقیم سوار خواهد شد .این موجک می تواند در دستگاه‌های صوتی ایجاد هوم نموده و در دوربین های امنیتی سبب نوسان در شدت روشنایی تصویر یا اعوجاج شود. فرکانس سوییچینگ سبب می شود که این گونه منابع نویز بیشتری ایجاد کنند . در صورتی که خروجی فیلتر نشود می تواند در مدارات صوتی ایجاد نویز نموده و در مدارات دیجیتال نیز نوسانات ناخواسته ایجاد نماید . به کمک خازن ها و سایر مدارات پالاینده (فیلترینگ) می توان نویز را حذف نمود . در منابع تغذیه سوییچینگ می توان با انتخاب فرکانس سوییچینگ، نویز را از محدوده فرکانس کاری دستگاه دور نگه داشت مثلاً در دستگاههای صوتی می توان فرکانس سوییچینگ را بالاتر از محدوده شنوایی انتخاب نمود .
نویز الکترونیکی در ترمینال های ورودی می تواند اعوجاج هارمونیک ایجاد نماید ولی نویز فرکانس بالای آن ناچیز است . منابع تغذیه سوییچینگ ارزان قیمت می تواند نویز الکتریکی حاصل از سوییچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده اند، میگردد . منابع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند . در صورت استفاده از یک فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بین پل دیودی و ترمینال های ورودی، می توان از ایجاد نویز پیشگیری کرد .
نویز آکوستیک هوم بسیار ضعیفی ایجاد می کنند که عامل آن لرزش لایه های سیم پیچ ترانسفورمر می باشد . معمولاً برای انسان قابل شنیدن نیست مگر اینکه منبع تغذیه دارای فن باشد، درست کار نکند یا اینکه فرکانس سوییچینگ در محدوده قابل شنیدن باشد یا لایه های سیم پیچ ها در یکی از زیر هارمونیک های فرکانس کاری شروع به لرزش کند . در بعضی از منابع تغذیه سوییچینگ در حالت بدون بار فرکانس کاری ممکن است در محدوده شنوایی انسان قرار گیرد و در نتیجه برای کسانی که مشکل هایپراکوسیس دارند قابل شنیدن باشد .
ضریب توان در منابع تغذیه دارای رگولاتور ضریب توان پایین است زیرا جریان در قله (پیک) ولتاژ سینوسی از خط کشیده می شود . از اعداد خیلی پایین تا متوسط در تغییر است زیرا در یک منبع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان، جریان در قله ولتاژ سینوسی از خط کشیده می شود . در منابع تغذیه سوییچینگ تصحیح ضریب توان فعال یا غیر فعال می تواند این مشکل را حل نموده و حتی در بعضی از کشورهای اروپایی این کار الزامی است . در یک منبع تغذیه خطی، مقاومت داخلی یک ترانسفورمر معمولاً حداکثر جریان را در هر تناوب محدود نموده و به این ترتیب ضریب توان آن از یک منبع تغذیه سوییچینگ بهتر است .
جریان هجومی وارده به منبع در یک منبع تغذیه خطی در لحظه اتصال به برق شهری تا هنگامی که شار مغناطیسی ترانسفورمر به یک حد پایدار برسد و خازن ها کاملاً شارژ شوند جریان هجومی بالا است . جریان هجومی فوق العاده بالاست و فقط توسط امپدانس ورودی منبع تغذیه و مقاومت های سری با خازن محدود می گردد . خازن های پالاینده (فیلتر) خالی در ابتدای کار برای پر شدن جریان زیادی می کشند که بسیار بیشتر از جریان حالت عادی منبع می باشد این امر به اجزایی از مدار که در معرض این جریان هجومی قرار دارند فشار وارد نموده وانتخاب فیوز مناسب را مشکل می کند .
خطر برق گرفتگی در منابع تغذیه دارای ترانسفورمر امکان زمین کردن بدنه و هسته ترانسفورمر وجود دارد . چنانچه عایق بین سیم پیچی اولیه و ثانویه از بین برود، خطر برق گرفتگی وجود دارد که البته با طراحی صحیح می توان جلو آنرا گرفت . منابع تغذیه خطی بدون ترانسفورمر ذاتاً خطرناک هستند . در منابع تغذیه خطی و سوییچینگ باید ولتاژ ورودی و گاهی خروجی را ایزوله نمود . خط مرجع و بدنه دستگاه به ولتاژی برابر نصف ولتاژ برق شهر اما با امپدانس بالا متصل شده است مگر اینکه بدنه به زمین وصل شده باشد یا اینکه در ورودی منبع فیلتر تداخل الکترومغناطیسی موجود نباشد . بنابر مقررات مربوط به تداخل الکترومغناطیسی و فرکانس رادیویی، بیشتر منابع تغذیه سوییچینگ در ورودی خود قبل از پل دیودی دارای مدار فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بوده که از تعدادی خازن و سلف تشکیل شده است . دو خازن که یکی به فاز و دیگری به نول وصل است به هم سری شده اند سر وسط یرای اتصال به زمین در نظر گرفته شده است . این یک تقسیم ولتاژ خازنی ایجاد می کند که خط مرجع دستگاه را به ولتاژی برابر نصف برق شهر متصل می کند .امپدانس بالای این خط در کاربر یک حالت گزش خفیف ایجاد می کند و می توان از آن برای راه اندازی یک نمایشگر خطای زمین استفاده کرد .
خطر آسیب به تجهیزات بسیار پایین است مگر اینکه بین سیم پیچی اولیه و ثانویه اتصال کوتاه پیش بیاید یا اینکه رگولاتور خراب شود . ممکن است بعلت خرابی دستگاه، ولتاژ خروجی زیاد شود . فشار بر خازن ها می تواند سبب ترکیدن آنها شود .در برخی موارد ولتاژ شناور می تواند به طبقه ورودی آمپلی‌فایرها آسیب برساند . ولتاژ شناور توسط خازن هایی ایجاد می شود که اولیه و ثانویه منبع تغذیه سوییچینگ را به هم وصل می کنند . چنانچه ثانویه به زمین وصل شود یک جریان لحظه ای و بالقوه مخرب از این خازن عبور خواهد کرد .

[۱]

منابع[ویرایش]