منبع تغذیه یک اصطلاح کلی است که به مدارهایی اطلاق می شود که از یک منبع ولتاژ در دسترس، ولتاژ DC با اندازه ثابت یا کنترل شده تولید میکنند. این ولتاژ خروجی DC در بسیاری از مدارها استفاده می شود و برای تامین آن ضروری است. به عنوان مثال، تراشه های مدار مجتمع مورد استفاده در مدارهای الکترونیکی به یک ولتاژ DC استاندارد با دامنه ثابت نیاز دارند. منبع تغذیه در مدل های مختلف برق را برای زمان های مختلف بدون سوخت یا شارژ تامین می کند. دو نوع منبع تغذیه وجود دارد: منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ. در این مقاله جامع آذر نیرو میخواهد شما را با منبع تغذیه سوئیچینگ و نحوه استفاده از آن (Switched-mode power supply) آشنا کند. بنابراین تا انتهای این محتوا همراه ما باشید.
منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟
منبع تغذیه سوئیچینگ به جای منبع تغذیه خطی سنتی استفاده می شود و مصرف برق، اتلاف گرما و همچنین اندازه و وزن مدار را کاهش می دهند. در واقع اساس این نوع منبع تغذیه، روشن و خاموش شدن ترانزیستورها است به طوری که ترانزیستورها اغلب با روشن یا خاموش شدن مداوم منبع انرژی ایجاد می کنند. بنابراین به این نوع منبع تغذیه سوئیچینگ می گویند و از روش های تبدیل مبتنی بر نیمه هادی برای بدست آوردن ولتاژ خروجی مورد نظر استفاده می کند. منابع تغذیه سوئیچینگ در ابتدایی ترین شکل خود از یک واحد سوئیچینگ برق و یک مدار کنترل تشکیل شده اند، که قسمت سوئیچینگ توان، توان را از ولتاژ ورودی Vin مدار به ولتاژ خروجی Vout تبدیل مینماید. در اینجا یادآور می شویم که منابع تغذیه سوئیچینگ به دو گروه منبع تغذیه متغیر و ثابت تقسیم می شوند.
منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند؟
منبع تغذیه خطی بر اساس تامین جریان و ولتاژ مورد نیاز از یک نیمه هادی قدرتمند که در حالت خطی استفاده می شود کار می کند؛ که حاصل تفاوت ولتاژ خروجی و جریان بار ورودی، توانی است که باید در این نیمه هادی تلف شود که گاهاً زیاد است و مهم ترین عامل برای بازده پایین است. این به این دلیل است که ترانزیستور در حالت خطی عمل می کند، یعنی ولتاژ دو سوییچ و جریان عبوری از آن هر دو بالا هستند. با این حال، منبع تغذیه سوئیچینگ را می توان یک منبع خطی در نظر گرفت و در منبع نوع سوئیچینگ، با روشن و خاموش کردن ترانزیستور خروجی، سطح ولتاژ خروجی تغییر می کند. به دلیل عملکرد روشن و خاموش ترانزیستور، تلفات نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی ناچیز است.
کاربردهای منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ در مواردی استفاده می شود که راندمان بالا مورد نیاز است و تولید گرما به عنوان یک آسیب در نظر گرفته می شود. در ضمن در جاهایی که به توان بیشتری نیاز داریم باید از منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده کرد. به طور کلی منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل انعطاف پذیری، کارایی، اندازه و ظرفیت و هزینه، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع منابع تغذیه سوئیچینگ کدامند؟
در منبع تغذیه سوئیچینگ، ورودی AC اصلی مستقیماً یکسو می شود و سپس برای تولید ولتاژ DC فیلتر می شود. سپس ولتاژ DC تولید شده توسط مدار سوئیچینگ الکترونیکی با فرکانس بالا روشن و خاموش می شود، بنابراین به این ترتیب یک ولتاژ AC تولید می شود که می تواند به ترانسفورماتور یا سلف فشار قوی منتقل شود. عمل سوئیچینگ در فرکانس بالای 10 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز انجام می شود، در نتیجه می توان از ترانسفورماتورها و فیلترهای خازن کوچکتر، سبکتر و ارزانتر استفاده کرد. در سلف یا ترانسفورماتور بعدی، ولتاژ متناوب فرکانس بالا یکسو و فیلتر می شود و در نهایت یک ولتاژ DC تولید می شود. اگر منبع تغذیه سوئیچینگ از ترانسفورماتور فرکانس بالا با ایزولاسیون کافی استفاده کند، خروجی منبع تغذیه از ورودی اصلی جدا می شود. این ویژگی برای ایجاد ایمنی لازم است.
منابع تغذیه سوئیچینگ اغلب دارای ویژگی های ایمنی و حفاظتی مانند مدارهای محدود کننده جریان هستند تا از تجهیزات و کاربر محافظت کنند. هنگامی که یک جریان غیرعادی زیاد از منبع تغذیه گرفته می شود، منبع تغذیه آن جریان را به عنوان یک جریان اتصال کوتاه تشخیص می دهد و دستور می دهد که منبع تغذیه قبل از آسیب به سیستم قطع شود. برای مثال منبع تغذیه کامپیوتر اغلب یک سیگنال سلامت به مادربرد می فرستد، عدم ارسال این سیگنال نشان دهنده وجود ولتاژ نادرست است و از عملکرد سیستم جلوگیری می کند. منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) بر اساس ولتاژ ورودی و خروجی منبع تغذیه طبقهبندی میشوند. چهار گروه اصلی عبارتاند از:
🟣AC به DC – منبع تغذیه DC آفلاین
🟣DC به DC – مبدل
🟣DC به AC – اینورتر
🟣AC به AC – چرخه مبدل تغییر فرکانس
مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ
SMPS بسیار جمع و جور هستند و در اندازه کوچک هستند و از ترانسفورماتورهای کوچک استفاده می کنند. توانایی کوچک کردن منابع یک مزیت و یک نیاز ضروری برای اکثر وسایل الکترونیکی با فضای محدود است. سایر مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از:
1️⃣راندمان بالا 68% تا 90%
2️⃣تکنولوژی انعطافپذیر
3️⃣دارای خروجیهای پایدار و مستقل از ولتاژ تغذیه ورودی
4️⃣چگالی توان بالا
معایب منبع تغذیه سوئیچینگ
1️⃣دارای اجزای خارجی اضافی که به فضای بیشتری نیاز دارند.
2️⃣حاوی تداخل الکترومغناطیسی و نویز الکتریکی
3️⃣طراحی پیچیده
4️⃣به دلیل استفاده از قطعات پیچیده، تعمیر آنها بسیار پرهزینه خواهد بود.
نحوه استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ
سوالات متداول
مدارهای پایه منابع تغذیه سوئیچینگ را نام ببرید؟
«باک» كاهنده پلاريته ولتاژ، «بوست» افزاينده پلاريته ولتاژ، «باک-بوست» وارونگر پلاريته ولتاژ
به تعدادی از مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ اشاره کنید؟
راندمان بالا، ابعاد کوچک ترانس، سبک و كم وزن بودن، کاملاً فشرده، ورودی با محدودة دینامیکی زیاد،