منابع تغذیه سوئیچینگ و علت نیاز به آن
منبع تغذیه، دستگاه الکتریکی یا الکترونیکی است که انرژی یا توان الکتریکی مورد نیاز را برای مصرف‌کننده الکتریکی یا بار الکتریکی تأمین میکند. در واقع عملکرد اولیه تمامی منابع تغذیه، تبدیل انواع انرژی الکتریکی به يكديگر میباشد. (AC to DC – DC To DC)
منبع تغذیه ممکن است یک دستگاه مجزا یا بخشی از یک دستگاه باشد و برای کاربردهای مختلف استفاده می شود. به طور کلی، دستگاه ها و تجهیزات مورد استفاده در منازل، ادارات و تاسیسات صنعتی، نیاز به منبع تغذیه دارند. کامپیوترها، تلویزیون ها، تلفن های همراه، دستگاه های پزشکی، ماشین های صنعتی و بسیاری دیگر از وسایل الکتریکی به منابع انرژی وابسته هستند. دلیل استفاده از منبع تغذیه برای هر دستگاه، تأمین ولتاژ و جریان مناسب برای تامین توان مورد نیاز در همان دستگاه است.
به عبارت دقیق‌تر، وظیفه منبع تغذیه، دریافت انرژی الکتریکی از یک منبع انرژی (برقی، مکانیکی، شیمیایی، خورشیدی) و تبدیل آن به ولتاژ، جریان و فرکانس مناسب برای تغذیه بار است. یک منبع تغذیه تثبیت شده (Regulated)، می‌تواند ولتاژ یا جریان خروجی خود را تا حد معینی تقریباً ثابت نگه دارد. ظرفیت، ولتاژ خروجی، ظرفیت جریان و سایر مشخصات منابع تغذیه ممکن است بسته به نیاز و کاربرد دستگاه متفاوت باشد.
وظایف اصلی منبع تغذیه عبارتند از:
- تامین دامنه ولتاژ و جریان مصرفی بار
- تبدیل ولتاژ بر حسب نیاز بار
- تثبیت ولتاژ و فیلترینگ جریان خروجی (رگوله کردن و عدم وجود هرگونه نویز و پارازیت به علت دقت و حساسیت دستگاه ها)
- پایداری ولتاژ یا جریان خروجی به ازای بارهای الکتریکی مختلف
- ایجاد حفاظت در برابر اضافه جریان
منابع تغذیه در اتوماسیون صنعتی نیز ، نقش بسیار مهمی در عملکرد بهینه و کارایی سیستم ها و تجهیزات به عهده دارند و در واقع انتخاب منبع تغذیه مناسب، جهت تامین تغذیه الکتریکی پایدار، بدون نوسان و ایزوله در سیم‌ها و مدارهای دستگاه‌ها به منظور حفظ کیفیت ، دقت کارکرد و قابلیت اطمینان فرآیند ، بسیار حائز اهمیت است.
تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ
نوع ولتاژ خروجی، نحوه عملکرد، خروجی ثابت یا متغیر از جمله ویژگی‌هایی است که میتوان بر اساس آن منابع تغذیه را دسته‌بندی کرد. در این مقاله، منبع تغذیه در دو گروه، از لحاظ نحوه عملکرد فنی بررسی شده است. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی یك منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج میباشد.
1. منابع تغذیه خطی (Linear Power Supplies)
2. منابع تغذیه سوئیچینگ (Switched-Mode Power Supplies (SMPS))
منابع تغذیه خطی
نوعی از منابع تغذیه هستند که در ابتدا با استفاده از ترانسفورماتور ، ولتاژ 220 ولت برق شهر را به سطح پایین تری از ولتاژتبدیل می کند و سپس با استفاده مدارات خاص ، ولتاژ AC را به DC تبدیل کرده و در نهایت ولتاژ خروجی جهت استفاده تثبیت (رگولاسیون) می شود (معمولا رگولاسیون رو به پایین انجام می شود) و درنهایت با توجه به نوع و مصرف منبع تغذیه عملیات تغییر ولتاژ ، فیلترینگ ، رگولاتور و … اجرا میشود. رگولاتورها هر انرژی اضافی را به شکل گرما دفع می‌کنند.
این منابع تغذیه سالهاست که وظیفه تولید توان دستگاههای الکترونیکی را بر عهده دارند اما معایبی هم دارند که برخی از آنها عبارتند از : بزرگی و سنگینی، هزینه نسبتاً بالا ، نویز و تلفات بالا، بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی آنها.
شایان ذکر است که در این نوع از منابع تغذیه ، مشکل نویز را میتوان تا حد زیادی با اضافه کردن فیلترهای مختلف و بهینه سازی تولید رفع کرد ولی وزن و حجم زیاد که درصد بالایی از آن به علت ترانس بزرگ و سنگین می باشد، به آسانی قابل رفع نیست. در پی بهبود این موارد، طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ در سال۱۹۳۰ مطرح شد و در سال۱۹۷۰ به صورت انبوه مورد استفاده قرار گرفت.
منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ مدل‌های توسعه یافته ای هستند که برای حل بسیاری از مشکلات مرتبط با منبع تغذیه خطی، از جمله اندازه ترانسفورماتور، تنظیم ولتاژ و… و درواقع در راستای کاهش مصرف توان، تولید گرما و اندازه و وزن مدار، طراحی شده است.
در منابع تغذیه سوئیچینگ، ولتاژ ورودی بدون کاهش، در ورودی تصحیح و فیلتر شده و از یک مدار یکسو کننده عبور میکند. . سپس فرکانس سیگنال نیم موج یا تمام موج به‌وجود آمده، توسط مدار مبدل افزایش یافته و به یک رشته پالس فرکانس بالا تبدیل شده و جهت تقویت تحویل ترانس قدرت میشود. از مدار خروجی ترانس قدرت بسته به نیاز، میتوان ولتاژهای DC مختلف ساخت. قبل از اینکه ولتاژ به خروجی برسد، بار دیگر شکل موج، فیلتر و اصلاح میشود و به روش سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی، عمل رگولاسیون انجام میشود.
مزايا و معایب منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ
| منبع تغذیه خطی | منبع تغذیه سوئیچینگ | |
| مزایا | سادگی طراحی و قطعات پایدارنویز ناچیز یا کم در خروجیزمان پاسخ دهی کوتاهقیمت پایین تر برای توان های زیر 10wمناسب برای ولتاژهای ثابت و کم | بازدهی و راندمان بالاتراندازه کوچکتر و وزن کمترقیمت مناسب ترگرمای ایجاد شده کمتردارای خروجی‌های پایدار و مستقل از ولتاژ تغذیه ورودیتکنولوژی انعطاف‌پذیرقابل استفاده در توان های خیلی بالا |
| معایب | دارای رگولانور کاهندهعدم انعطاف پذیری مدارراندمان پایینتلفات توان و تولید حرارت | امکان تداخل فرکانسی و الکترومغناطیسی و نویز الکتریکیایجاد ریپل در فرکانس سوییچینگ و هارمونیک‌های آنطراحی پیچیدهزمان پاسخ ناپایدار |
مقایسه کلی منابع تغذیه خطی و سوییچینگ
| منبع تغذیه خطی | منبع تغذیه سوئیچینگ | |
| وزن و ابعاد | ابعاد و وزن بالا به علت استفاده از هیت سینک و ترانسفورمرهای فرکانس پایین(50-60Hz) | ابعاد به نسبت کوچکتر به علت استفاده از ترانسفورمر فرکانس بالا(50-200KHz) و بهبود طراحی |
| بازدهی و راندمان | محدود به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد | بین۶۰ تا۷۰درصد ودرصورت طراحی بهینه تا ۹۵ درصد |
| اتلاف حرارتی | تنظیم ولتاژ خروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت و در نتیجه تلفات و گرمای تولیدی زیاد | تنظیم ولتاژ خروجی از طریق کنترل سیکل وظیفه (Duty Cycle) و در نتیجه تلفات و گرمای تولیدی کم |
| پیچیدگی | سادگی طراحی و عملکرد | پیچیدگی طراحی در راستای بهبود معایب منبع تغذیه خطی و افزایش راندمان |
| نویز | نویز پایین به دلیل نوع قطعات مصرفی و فرکانس کاری پایین | امکان نویز و تداخل فرکانسی(قابل رفع با فیلترینگ) |
| ولتاژ خروجی | قابل تغییر | معمولا ثابت است |
عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ از مدارهای سوئیچینگ فرکانس بالا برای انتقال انرژی الکتریکی از منبع به بار، به روشی کارآمد استفاده می کند. سوئیچینگ با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM)، کنترل می شود و تنظیم ولتاژ با تغییر چرخه کاری PWM به دست می آید. با توجه به کوچک شدن و بهینه شدن تجهیزات الکترونیکی، مبدل های قدرت نیز همین فرایند طراحی تکاملی را پیش گرفتند.
مدار پایه منبع تغذیه سوئیچینگ
شکل زیر مدار پایه یک منبع تغذیه سوئیچینگ(SMPS) را نشان میدهد.
جهت بررسی نحوه عملکرد کلی و پایه، شماتیک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ به شکل زیر ساده سازی شده است. درواقع یک مبدل سوئیچینگ پایه، از یک بخش سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی Vin مدار به ولتاژ خروجیVout انجام میدهد که فیلتر خروجی نیز دارد
- یکسو کننده و فیلتر ورودی: برای تبدیل ولتاژ ورودی AC به DC استفاده می شود. SMPS با ولتاژ ورودی DC به این مرحله نیاز ندارد. یکسو کننده(مدار پل دیودی)، ولتاژDC رگوله نشده تولید می کند که از فیلتر خازنی مناسب عبور میکند.
- مبدل: این مرحله، ولتاژ DC (چه مستقیماً از ورودی و چه از مرحله یکسو کننده) را از طریق یک نوسان ساز قدرت، که دارای ترانسفورماتور خروجی کوچک، با سیم پیچی های کم و فرکانس 10-100KHz میباشد به ولتاژ AC تبدیل می کند.
- ترانسفورماتور سوئیچینگ: اگر خروجی مورد نیاز از ورودی ایزوله باشد، SMPS از ترانسفورماتور فرکانس بالا به عنوان ایزوله کننده استفاده می کند. این مدار ولتاژ را به سطح خروجی مورد نیاز در سیم پیچ ثانویه تبدیل می کند.
- یکسو کننده خروجی و فیلتر: ولتاژ AC را به DC تبدیل می کند. در این مدار، یک خازن بسیار بزرگ برای هموارسازی ولتاژ وجود دارد که با اعمال سوئیچینگ ترانزیستور سبب تولید یک ولتاژ ثابت و پایدار در خروجی میشود.
- مدار کنترل: مدار فیدبک، بر ولتاژ و جریان خروجی نظارت کرده و با ولتاژ و جریان مرجع مقایسه می کند تا ولتاژ خروجی را رگوله کند یا ثابت نگه دارد.
ساختار مدارهای SMPS
مدارهای SMPS شامل مجموعه ای از ترانسفورماتورها، مدارهای فیلتر شامل سلف‌ها و خازن‌ها، یکسوکننده‌ها وسوئیچ‌های الکترونیکی انتقال نیرو هستند. نحوه طراحی و آرایش خاص مدارها کنار هم توپولوژی نامیده می شود. طراحی SMPS با افزایش فرکانس کاری، باعث کاهش سایز و بهینه شدن کارایی و راندمان منبع تغذیه شده است. البته این طراحی ممکن است باعث افزایش ریپل و نویز درخروجی شود که از طریق مدارهای فیلتر(EMI)، قابل کنترل و مدیریت هستند.درحالت کلی دو ساختار SMPS وجود دارد.
غیر ایزوله(Non-isolated converters): منبع ورودی و بار خروجی در حین عملکرد، یک مسیر جریان مشترک دارند و توان از طریق عناصر ذخیره انرژی (سلف ها و خازن ها) منتقل می شود. در واقع با استفاده از یک سلف و یک دیود در کنار سوئیچ‌های الکتریکی سرعت بالا(ترانزیستوریا ماسفت)، با قابلیت سوئیچینگ در فرکانس‌های چند کیلوهرتز در طراحی SMPS ، میتوان اندازه و وزن مدار را به طور قابل توجهی کاهش داد.دلیل این کاهش هزینه ووزن این است که از ترانسفورماتورهای کاهنده یاافزاینده درمدار استفاده نمی‌شود.
ایزوله(Isolated converters): انتقال توان از طریق اجزای مغناطیسی(ترانسفورماتورها) صورت میگیرد که در آن ارتباط بین منبع ورودی و بار خروجی صرفاً از طریق یک میدان الکترومغناطیسی حاصل می شود. اگر نیاز باشد بین ورودی و خروجی ایزولاسیون انجام شود، باید قبل از مبدل یک ترانسفوماتور تعبیه شود.
مزیت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ، راندمان بالاتر آن در مقایسه با منبع تغذیه خطی است. عنصر اصلی جهت دستیابی به این بازده، یک ترانزیستور (یا ماسفت) است که بین دو وضعیت اشباع (ON) و قطع (OFF) سوئیچ میکند و موجب اتلاف توان کمتری میشود. وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً ON باشد و جریان را هدایت کند، افت ولتاژ آن حداقل خواهد بود و هنگامی که کاملاً OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. بنابراین، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایده‌آل عمل میکند.
تنظیم ولتاژ خروجی با کنترل درصد زمان روشن بودن ترانزیستور سوئیچینگ نسبت به مجموع روشن و خاموش بودن آن در یک دوره تناوب انجام میشود. این نسبت زمان روشن بودن ترانزیستور به مجموع زمان روشن و خاموش بودن، سیکل کاری یا سیکل وظیفه نامیده میشود. با تغییر Duty Cycle میتوان ولتاژ خروجی مبدل را کنترل کرد.
برخلاف منابع تغذیه خطی که فقط تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام می‌دهند، یک منبع تغذیه سوئیچینگ می‌تواندکاهنده(Buck)،افزاینده(Boost) و یا وارون‌گر پلاریته (Buck-Boost) ولتاژ ورودی باشد. تفاوت این مدارها در مکان قرار گرفتن سوئیچ، سلف و خازن خروجی در مدار است. این سه توپولوژی غیرایزوله هستند.
کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ
نحوه انتخاب منبع تغذیه سوئیچینگ مناسب
منبع تغذیه برای اتوماسیون صنعتی یکی از بخش های اساسی است که به عنوان یک تجهیز کلیدی در ایجاد عملکرد بهینه نهایی دستگاههای تولیدی و فرآیندهای صنعتی، شناخته می شود.
انتخاب منبع تغذیه مناسب، طبق کاربرد مورد نظر، در راستای اطمینان از عملکرد دقیق سیستم ها و فرآیندهای اتوماتیک امری ضروری است و باید با در نظر گرفتن ویژگی های دستگاه مورد نظر و همچنین متناسب با اختلالات شبکه های برق و در نظر گرفتن میزان تحمل نوسانات در فرکانس و ولتاژ شبکه باشد.
انتخاب ظرفیت منبع تغذیه و ویژگی های آن تاثیر بسیار مهمی در کارآمدی و پایداری توان ارائه شده دارد و اگر منبع تغذیه به صورت مناسب انتخاب نشود ممکن است سبب ناپایداری و توقف سیستم کنترل شود وخسارت بار باشد. موارد زیر عواملی هستند که باید هنگام انتخاب منبع تغذیه برای نیازهای اتوماسیون صنعتی، در نظر گرفته شود :
- رنج توان: Power Rating یک منبع تغذیه، حداکثر قدرتی را که می‌تواند ارائه کند، تعیین میکند. منبع تغذیه ای که انتخاب می کنید باید بتواند بار مورد نیاز سیستم شما را تحمل کند. باید در نظر داشت که موتورها و برخی دستگاه‌ها ممکن است دارای یک نوسان راه‌اندازی باشند که به توان اضافی نیاز دارد.
- ولتاژ ورودی: ولتاژ ورودی منبع تغذیه باید با ولتاژ تجهیزات و تاسیسات برقی مطابقت داشته باشد. پس مشخصات تجهیزات موجود، برای تعیین ولتاژ ورودی مورد نیاز، باید بررسی شود.
- ولتاژ خروجی: ولتاژ خروجی منبع تغذیه باید با ولتاژ مورد نیاز دستگاه ها و تجهیزات شما مطابقت داشته باشد. برخی از دستگاه ها ممکن است به چندین ولتاژ نیاز داشته باشند، بنابراین باید اطمینان حاصل کرد که منبع تغذیه می تواند خروجی های لازم را ارائه دهد.
- پایداری ولتاژ: این ویژگی بسیار مهم است زیرا تغییرات در ولتاژ می‌تواند به طور مستقیم تأثیر بر کیفیت نهایی عملکرد تجهیزات داشته باشد.
- حفاظت: منبع تغذیه باید مجهز به سیستم‌های حفاظتی باشد تا از احتمال آسیب به دستگاه اتوماسیون و ابزار دقیق، جلوگیری کرده و مانع از خرابی دستگاه شود.
- خنک کننده: منبع تغذیه باید سیستم خنک کننده کافی برای جلوگیری از تولید حرارت بیش از حد و اطمینان از عملکرد صحیح داشته باشد. بنابراین دمای محیط تاسیسات و حرارت تولید شده توسط دستگاه های خود را باید در نظر گرفت.
- Redundancy : برای اپلیکیشن های دارای بخش های اضطراری، از منابع تغذیه اضافی باید استفاده کرد تا در صورت بروز خرابی از عملکرد بدون وقفه فرایند، اطمینان حاصل کرد.
- بازدهی بالا و کارایی ساده: منبع تغذیه باید راندمان بالایی داشته باشد و در عین حال ساده و قابل استفاده باشد تا بتوان به طور مؤثر از آن بهره برد.
با در نظر گرفتن این عوامل، می توان منبع تغذیه مناسب برای کاربردهای اتوماسیون صنعتی انتخاب کرد به نحوی که با توجه به نوع دستگاه، شرایط کارکرد، پردازش داده ها و تحلیل آن ها، بهینه بوده و هزینه مناسبی در برابر عملکرد دستگاه داشته باشد.
فعالیت درنامهر در زمینه منبع تغذیه سوئیچینگ
درنامهر جهت تکمیل سبد محصولات، اقدام به دریافت نمایندگی از برندهای معتبر تولید کننده منابع تغذیه مانند ACRO و FATEK تایوان نموده و در این زمینه خدمات شایانی را عرضه کرده است و سهم بازار قابل توجهی را برای منبع تغذیه سوئیچینگ در کاربردهای اتوماسیون صنعتی کسب کرده است. علاوه بر این دو برند وارداتی با کیفیت بالا، مجموعه درنامهر اقدام به طراحی و تولید انبوه منبع تغذیه برند خود(DM) نموده، که در ادامه این برندها، به تفصیل مورد بررسی قرار میگیرد.
منبع تغذیه برند FATEK
این منبع تغذیه یک برند تایوانی بوده که همانند سایر محصولات اتوماسیون خود، دارای کیفیت عملکرد بالایی می باشد. ویژگی های این محصول عبارتنداز:برخی مشخصات فنی عمومی این منابع تغذیه در جدول ذیل آورده شده است.
