عوامل کلیدی درانتخاب منبع تغذیه
منبع تغذیه سوییچینگ در سـال 1970 توسـط مهندسـان الکترونیـک مطـرح گردیـد کـه در ابتداي امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجـم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. در طرح هاي نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که ایـن خـود باعـث کاهش راندمان درحدود 68%می شد. امروزه منابع تغذیه سوییچینگ جایگاه خاصی در صـنعت بـرق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایاي زیادي که نسـبت بـه دیگـر منـابع تغذیـه دارا می باشند توجه صنعتگران و مهندسان برق را به خود معطوف کرده‌اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کاراییها و کیفیت آنهـا تحقیقـات گسـترده اي انجـام داده انـد البتـه نتیجـه ایـن تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در سـاخت ایـ ن سیسـتمها پدیـد آمـده اسـت همچنـین پیشـرفت درتکنولوژي ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوییچینگ داشته است. با پیداش ماسفتهاي سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوري بطور چشمگیري کاهش پیدا کرده است و عمده تلفات در ترانسها خلاصه می شود که براي غلبه بر این مشکل فرکانس کاري مـدار را تـا حـد MHZ 1 افزایش داده اند.
با پیشرفت الکترونیک و ایجاد حوزه هاي تخصصی، نیاز به قطعات الکترونیکی و سریع بیشتر و بیشتر شد و رگولاتورها هم ، چون به عنوان منابع تأمین انرژي و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده می شدند از اهمیت خاصی برخوردار شدند . در حدود 40 سال قبل با پیشرفتی که در زمینه منابع تغذیه صورت گرفت ، رگولاتورهاي سوئیچینگ پا به عرصه وجود گذاشتند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهاي مختلف تکامل یافتند و میتوان گفت اینگونه منابع، نقش بسزایی در پیشرفت صنعت الکترونیک داشته اند
چگونگی عملکرد رگولاتورهاي سوییچینگ
رگولاتورها قطعات بسیار مهمی هستند که میتوان از آنها براي تأمین انرژي و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد. سوییچینگ رگولاتورها به دو نوع عمده تقسیم میشوند که عبارتند از : 1- خطی در گذشته از رگولاتورهاي خطی به وفور استفاده میشد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشتند به تدریج منسوخ شده و جاي خود را به رگولاتورهاي سوییچینگ دادند. این منابع از اوایل دههي 1970 همزمان با عرضهي ترانزیستور هاي قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهاي مختلف تکامل پیدا کردند. امروزه این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند ولتاژ وروديیا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته اند. براي انتخاب بینیک منبع تغذیه سوییچینگ یا خطی میتوان براساس کاربرد آنها اقدام نمود که داراي مزایا و معایب خاص خود می باشند و براین اساس یکی از این دو را انتخاب میکنیم و همچنین حوزه هاي متعددي وجود دارد که تنها یکی از این دو میتواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربرهایی که یکی از آنها بر دیگري برتري دارد. در زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوییچینگ را بررسی میکنیم
مزایا و معایب رگولاتورهاي خطی
مزایاي رگولاتورهاي خطی عبارتند از :
- سادگی مدار (طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی، به راحتی پایدار میشود.
- قابلیت تحمل بار زیاد، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه.
- – براي توانهاي کمتر از 10 وات، ارزانتر از مدارهاي مشابه سوییچینگ تمام میشود.
معایب رگولاتورهاي خطی عبارتند از :
- تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودي باید حداقل 2 تا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد
- قابلیت انعطاف کم و افزون هر خروجی به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافی است
- بهره کم و در حدود 30 %تا 40 %میباشد. این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت مینماید و نیاز به ترانزیستور قویتري تا حدود 15 وات است، روش هاي معمول میباشد مفید است، ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار – راندمان مدار هنگامی خوب است که مقدار ولتاژ خروجی، به ولتاژ ورودي نزدیک باشد.
مزایا و معایب رگولاتورهاي سوییچینگ :
– مزایاي منابع سوییچینگ عبارتند از :
- افزایش راندمان در حدود 68 %تا 90 %و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع و ترانزیستور را به انتخاب حرارت گیریا خنک کننده کوچکتر منوط کرده است.
- به دلیل اینکه قدرت خروجی ازیک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC دریک قطعه مغناطیسی ذخیره میشود تأمین میگردد، لذا با اضافه کردن تنهایک سیم پیچ میتوان خروجی دیگري را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام میشود
- به دلیل افزایش فرکانس کاري به حدود 50 تا 60 کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژي میتوانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند
– معایب منابع سوییچینگ عبارتند از :
- طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
- نویز قابل ملاحظه اي ایجاد میکنند و البته میتوان با کمک فیلتر و محافظ آن را کاهش داد (EMI ،RFI و ریپل بیک پوتیک خروجی
- – ماهیت کار این منابع که براساس برشیک ولتاژ DC است باعث میشود که زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد باشد این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ گذرا گویند.
- – شامل ترکیبات خارجی اضافه از جمله، خازن ها و سلفها میباشد.
تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدي و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی بهتر قابل بهبود میباشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهاي خطی و سوییچینگ بحث شد و از مطالب فوق میتوان نتیجه گرفت که این منابع حوزه هاي کاري مشخصی را دارند که عموماً براي مدارهاي با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهاي تغذیه شونده با باطریهاي قابل حمل، تغذیه سوییچینگ برتري دارد ولی براي ولتاژهاي ثابت و کم، منابع خطی ارزانتر و بهترند.
چگونگی عملکردیک منبع تغذیه سوییچینگ :
همانطور که ذکر شدیک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار میکند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ نیمه هادي خروجی با ورودي در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادي باید تلف شود که بعضا زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان میباشد.
دلیل این امر هم، همانطور که در ابتداي بحث رگولاتورهاي خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوري آن هر دو زیاد است
اما یک رگولاتور سوییچینگ را میتوان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که دریک منبع از نوع سوییچینگ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموشی اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام میگیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادي در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است.
دلیل نامگذاري این منابع به نامهاي خطی و سوییچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادي است.
انواع منابع تغذیه سوییچینگ
منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندي هستند
- فوروارد Forward –
- فلاي بک Flyback
با وجود شباهت هاي فراوان، تفاوتهاي متمایز کننده اي هم وجود دارد. نحوهي عملکرد و چگونگی قرارگیري عنصر مغناطیسی تعیین کنندهي نوع مدار است
عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از:
- یک منبع سوییچ جهت تهیه موج pwm
- – القاگر (در مورد منابع پیشرفته، القاگر جاي خود را به ترانس میدهد)
منبع : منابع تغذیه سوییچینگ رضا زمانیان 1392