نحوه عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ وسیله ای الکتریکی است که جریان الکتریکی به مقدار ولتاژ لازم برای تأمین انرژی یک بار مانند یک موتور یا یک دستگاه الکترونیکی تبدیل می کند.

دو منبع اصلی برای منبع تغذیه وجود دارد: منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ.

خطی: در طراحی منبع تغذیه خطی از ترانسفورماتور برای پایین آوردن ولتاژ ورودی استفاده می شود. سپس برای بهبود کیفیت شکل موج فیلتر می شود. منابع تغذیه خطی برای تنظیم ولتاژ ثابت در خروجی از تنظیم کننده های خطی استفاده می کنند. این تنظیم کننده های خطی هرگونه انرژی اضافی را به صورت گرما پراکنده و زایل می کنند.

سوئیچینگ: طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ روش جدیدتری است که برای حل بسیاری از مشکلات مرتبط با منابع تغذیه خطی ایجاد شده است، از جمله حجم و اندازه ترانس و تنظیم ولتاژ. در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ ورودی دیگر کاهش نمی یابد. در عوض، در ورودی اصلاح و فیلتر می شود. سپس ولتاژ از طریق چاپر یا خُردکننده به قطار پالس با فرکانس بالا تبدیل می شود و قبل از اینکه ولتاژ به خروجی برسد، یک بار دیگر فیلتر شده و اصلاح می شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند؟

برای سال های زیادی، منابع تغذیه AC / DC خطی در حال تبدیل برق AC از شبکه برق به ولتاژ DC برای راه اندازی لوازم خانگی یا روشنایی هستند. نیاز به منابع تغذیه کوچکتر برای کاربردهای با قدرت بالا به این معنی است که منبع تغذیه خطی به خاطر ایجاد نویز به مصارف خاص صنعتی منتقل شده است. اما منابع تغذیه سوئیچینگ بدلیل کوچکتر، کارآمدتر بودن و توانایی مدیریت انرژی زیاد کار را دست گرفته اند.

تحول کلی از جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) را در منبع تغذیه سوئیچینگ نشان می دهد.

تصحیح ورودی

اصلاح، فرآیند تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC است. اصلاح سیگنال ورودی اولین مرحله در منبع تغذیه AC / DC در حالت سوئیچ است.

معمولاً تصور می شود که ولتاژ DC یک خط ولتاژ ثابت است، مانند نوعی که از باتری خارج می شود. با این حال، آنچه جریان مستقیم (DC) را تعریف می کند جریان یک طرفۀ بار الکتریکی است. این بدان معنی است که ولتاژ در یک جهت جریان دارد اما لزوماً ثابت نیست.

یک موج سینوسی معمولی ترین شکل موج جریان متناوب است (AC) و برای نیمه چرخه اول مثبت است اما برای بقیه چرخه منفی است. اگر نیمه سیکل منفی معکوس شود یا حذف شود، جریان متناوب متوقف می شود و به یک جریان مستقیم تبدیل می شود. این می تواند با فرایندی به نام اصلاح حاصل شود.

اصلاح با استفاده از دیود یکسو کننده نیم پل منفعل برای از بین بردن نیمه منفی موج سینوسی دیود حاصل می شود. دیود اجازه می دهد تا جریان در طول نیمه مثبت موج از آن عبور کند ، اما وقتی جریان آن در جهت مخالف باشد جریان را مسدود می کند.

یکسوکننده تمام موج

پس از اصلاح، موج سینوسی حاصل قدرت متوسط کمی خواهد داشت و قادر به تأمین انرژی موثر دستگاه ها نخواهد بود. یک روش بسیار کارآمدتر این است که قطب منفی نیمه موج را تغییر داده و مثبت کند. به این روش اصلاح کامل موج گفته می شود و فقط به چهار دیود در پیکربندی پل نیاز دارد. این ترتیب، صرف نظر از قطبیت ولتاژ ورودی، جهت پایدار جریان را حفظ می کند.

ساده ترین و متداول ترین روش برای کاهش موج ها و نوسانات استفاده از یک خازن بزرگ در خروجی یکسوساز است که خازن مخزن یا فیلتر صاف نامیده می شود. خازن ولتاژ را در اوج موج ذخیره می کند، سپس بار را با جریان تأمین می کند تا زمانی که ولتاژ آن کوچکتر از موج ولتاژ اصلاح شده در حال افزایش است. شکل موج حاصل بسیار نزدیکتر به شکل دلخواه است و می توان آن را ولتاژ DC بدون هیچ تناوب در نظر گرفت. این شکل موج ولتاژ نهایی اکنون می تواند برای تأمین انرژی دستگاه های DC استفاده شود.

در تصحیح غیرفعال از دیودهای نیمه هادی به عنوان کلیدهای کنترل نشده استفاده می شود و ساده ترین روش برای اصلاح موج AC است، اما کارآمدترین روش نیست. دیودها سوئیچ هایی نسبتاً کارآمد هستند. آنها می توانند با کمترین اتلاف انرژی سریع خاموش و روشن شوند. تنها مشکل دیودهای نیمه هادی این است که آنها برای ولتاژ بایاس از 0.5 ولت به 1 ولت دارند که باعث کاهش بازده می شود.

اصلاح فعال جایگزین دیودها با کلیدهای کنترل شده مانند MOSFET یا ترانزیستور BJT می شود.

مزایای این دو برابر است:

اول، یکسوسازهای مبتنی بر ترانزیستور افت ولتاژ 0.5 ولت تا 1 ولت مربوط به دیودهای نیمه هادی را از بین می برند. زیرا مقاومت آنها می تواند به دلخواه کوچک شود و در نتیجه افت ولتاژ کمی داشته باشد.

دوم، ترانزیستورها سوئیچ های کنترل شده هستند، به این معنی که می توان فرکانس سوئیچ را کنترل کرد و بنابراین بهینه هستند.

نکته منفی این است که یکسوسازهای فعال برای رسیدن به هدف خود به مدارهای کنترل پیچیده تری احتیاج دارند که به اجزای اضافی نیاز دارد و در نتیجه گران تر خواهند بود.

منبع تغذیه سوئیچینگ می تواند منزوی یا غیر جدا باشد. وقتی ورودی و خروجی منبع تغذیه به طور فیزیکی متصل نباشند، یک دستگاه جدا می شود. جداسازی با استفاده از ترانسفورماتورها انجام می شود، که دو نیمه مدار را به صورت گالوانیکی جدا می کند.

گالوانیکی: به خوردگی در اثر وجود اختلاف پتانسیل الکتریکی بین فلزات در ارتباط با یکدیگر گفته می‌شود.

با این حال ، ترانسفورماتورها فقط در صورت تغییر جریان می توانند نیروی الکتریکی را منتقل کنند بنابراین ولتاژ DC اصلاح شده به یک موج مربع با فرکانس بالا تقسیم می شود، و سپس به مدار ثانویه منتقل می شود، جایی که دوباره اصلاح می شود و در نهایت به خروجی منتقل می شود.

جنبه های مختلفی وجود دارد که باید هنگام طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ مورد توجه قرار گیرد به خصوص مربوط به ایمنی، عملکرد، اندازه، وزن و غیره. مدارهای کنترل سوئیچینگ منبع تغذیه نیز پیچیده تر از منبع تغذیه خطی است به همین دلیل است که بسیاری از طراحان پیاده سازی ماژول های یکپارچه را در منبع تغذیه خود مفید می دانند.

ترانسفورماتورها

منابع تغذیه از ترانسفورماتورهای بزرگ و سنگین و خازن های عظیم (بعضی به اندازه قوطی های سودا) برای تبدیل ولتاژ خط در 120 ولت و 60 هرتز به 5 ولت و 12 ولت DC استفاده کردند. منابع تغذیه سوئیچینگ جریان 60 هرتز (هرتز یا چرخه در ثانیه) را به فرکانس بسیار بالاتری تبدیل می کنند، یعنی چرخه های بیشتری در ثانیه.

با این روش یک ترانسفورماتور کوچک و سبک در منبع تغذیه را قادر می سازد تا ولتاژ واقعی را از 110 ولت (یا 220 کشور خاص) به ولتاژ مورد نیاز با مولفه های خاص رایانه انجام دهد.

اصلاح و فیلتر کردن جریان AC با فرکانس بالاتر که توسط منبع تغذیه آداپتور یا شارژر ارائه می شود نیز در مقایسه با ولتاژ اصلی جریان 60 هرتز AC آسان تر است و باعث کاهش اختلاف ولتاژ برای قطعات الکترونیکی حساس در کامپیوتر می شود.

در سوئیچینگ منبع تغذیه ، فرکانس نوسان در ولتاژ به طور قابل توجهی بیشتر است (حداقل بالای 20 کیلوهرتز). این بدان معناست که ترانسفورماتور پایین آورنده می تواند کوچکتر باشد، زیرا سیگنال های فرکانس بالا تلفات مغناطیسی کمتری در ترانسفورماتور های خطی ایجاد می کنند. کاهش اندازه ترانسفورماتورهای ورودی امکان کوچک سازی سیستم را فراهم می کند، تا جایی که یک منبع تغذیه کامل در یک کیس به اندازه شارژرهای تلفن همراه که امروزه استفاده می کنیم جا می شود.

چرا منبع تغذیه سوئیچینگ؟

دستگاه های DC وجود دارند که نیازی به جداسازی ارائه شده توسط ترانس ندارند. این امر معمولاً در دستگاه هایی دیده می شود که نیازی به لمس مستقیم کاربر ندارند، مانند چراغ ها ، سنسورها، اینترنت اشیا و موارد دیگر، زیرا هرگونه دستکاری پارامترهای دستگاه از یک دستگاه جداگانه مانند تلفن همراه تبلت یا رایانه انجام می شود. این مزایای بسیار خوبی از نظر وزن، اندازه و عملکرد دارد. این مبدل ها با استفاده از مبدل ولتاژ بالا، مبدل گام به پایین، سطح ولتاژ خروجی را کاهش می دهند. این مدار را می توان معکوس مبدل تقویت کننده تعریف کرد که قبلاً توضیح داده شد.

در این حالت، هنگامی که سوئیچ ترانزیستور بسته است، جریان عبوری از سلف ولتاژی را در سراسر سلف ایجاد می کند که ولتاژ منبع برق را خنثی می کند و ولتاژ خروجی را کاهش می دهد. با باز شدن سوئیچ ، سلف جریانی را آزاد می کند که از طریق بار عبور می کند و مقدار ولتاژ را در بار حفظ می کند در حالی که مدار از منبع تغذیه قطع می شود.

در منابع تغذیه سوئیچینگ AC / DC، از یک مبدل ولتاژ بالا استفاده می شود زیرا ترانزیستور MOSFET که به عنوان یک سوئیچ عمل می کند باید توانایی مقاومت در برابر تغییرات بزرگ ولتاژ را داشته باشد. وقتی سوئیچ بسته است، ولتاژ MOSFET نزدیک به 0 ولت است. اما وقتی باز می شود، این ولتاژ برای برنامه های تک فاز یا 400 ولت برای مبدل های سه فاز افزایش می یابد.

این تغییرات بزرگ و ناگهانی ولتاژ می تواند به راحتی به ترانزیستور معمولی آسیب برساند، به همین دلیل از MOSFET های ویژه با ولتاژ بالا استفاده می شود.