معرفی انواع منبع تغذيه و کاربردهای آن ها

00:00 1401/06/06

 

منبع تغذیه چیست؟

انرژی الکتریکی ستون فقرات هر سیستم الکترونیکی است و منبع تغذیه چیزی است که سیستم را تغذیه می کند. انتخاب منبع تغذیه مناسب می تواند تفاوت اساسی بین دستگاهی باشد که در حالت بهینه کار می کند و دستگاهی که ممکن است نتایج نا امید کننده‌ای ارائه دهد. بسته به طراحی، یک منبع تغذیه ممکن است از انواع مختلفی از منابع انرژی مانند سیستم‌های انتقال انرژی الکتریکی، سیستم‌های الکترومکانیکی مانند ژنراتورها و دینام‌ها، مبدل‌های انرژی خورشیدی، دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری و سلول‌های سوختی یا انواع دیگر انرژی ورودی خود را دریافت کند. در هنگام انتخاب منبع تغذیه، الزامات گوناگونی باید در نظر گرفته شود، این پارامترها عبارتند از: نیازهای مدار یا بار که عمدتاً شامل پارامترهای ولتاژ و جریان است و همچنین ویژگی‌های ایمنی مدار منبع تغذیه مانند دارا بودن محدود کننده‌‌های جریان و ولتاژ برای محافظت از بار، راندمان منبع تغذیه، اندازه فیزیکی و عملکرد منبع تغذیه در هنگام ورود نویز. به صورت کلی دو نوع منبع تغذیه الکتریکی وجود دارد، منبع تغذیه AC و منبع تغذیه DC. 

لیون الکترونیک (فروشگاه قطعات الکترونیک مرجع اصلی واردات قطعات الکترونیک) در این مقاله شما را با منبع تغذیه و انواع آن آشنا میکند:

منابع تولید کننده جریان AC

AC یا جریان متناوب هیچ قطبی ندارد و پلاریته آن با زمان با توجه به فرکانس آن تغییر می کند. در منبع تغذیه AC، مقدار ولتاژ و جهت جریان نیز با زمان تغییر می کند. منبع اصلی تولید کننده جریان AC دینام یا ژنراتور است که یک نوع ماشین الکتریکی است و می تواند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی متناوب تبدیل کند. معمولا این ژنراتورها به صورت سه فاز طراحی می‌شوند و سرعت چرخش آنها تعیین کننده فرکانس جریان خروجی آنهاست. کاربرد منابع تغذیه AC با ولتاژ و فرکانس استاندارد، عمدتاً برای تغذیه وسایل الکتریکی مانند موتورهای الکتریکی، فن های برقی، تهویه مطبوع، پمپ ها، یخچال ها و غیره استفاده می شود.

منابع تولید کننده جریان DC

جریان DC دارای پلاریته ثابت است. در جریان DC، مقدار و جهت جریان با زمان تغییر نمی کند. همچنین جریان DC فاقد پارامترهای ضریب توان و فرکانس است. منابع مهم تولید کننده جریان DC عبارتند از باتری‌ها، پنل‌های خورشیدی. همچنین می توانیم با استفاده از مدار یکسو کننده جریان AC را به جریان DC تبدیل کنیم. کاربرد منابع تغذیه DC بیشتر در مدارها و دستگاه های الکترونیکی مانند رایانه ها، چاپگرها، تلویزیون ها، پخش کننده های موسیقی و غیره است.

تبدیل جریان AC به جریان DC

به دلیل در دسترس بودن جریان AC در تمامی اماکن و نیاز بسیاری از دستگاه‌ها به جریان DC، منابع تغذیه بسیاری به وجود آمده‌اند که جریان متناوب را از پریز دیوار دریافت می‌کنند و آن را به جریان DC تبدیل می‌کنند. این منابع دارای انواع گوناگونی هستند. در اینجا با روند این تبدیل آشنا می‌شویم. در ابتدا سطح ولتاژ ورودی را با استفاده از ترانسفورماتور کاهش می دهند و آن را به سطح ولتاژ مورد نیاز بار نزدیک می‌کنند. یکی دیگر از کارکردهای ترانسفورماتور ایزوله کردن جریان خروجی نسبت به ورودی اصلی است.

شکل 1، شکل 2، و شکل 3 مراحل کلی تبدیل جریان AC به جریان DC را نشان می دهد.

جریان متناوب به شکل یک موج سینوسی با ولتاژ متناوب در طول زمان است.

 منبع تغذيه

 

در مرحله اول فرآیند، ولتاژ خروجی ترانسفورماتور با استفاده از مجموعه ای از دیودها یکسوسازی می‌گردد. یکسوسازی تمام موج جریان AC سینوسی را تبدیل به یک جریان با یک سری پیک مثبت می‌کند.

: یکسوسازی تمام موج

 

هنگامی که ولتاژ یکسو شد، هنوز نوساناتی در شکل موج وجود دارد ( قسمت بین پیک ها ) که باید حذف شود. در این مرحله ولتاژ AC یکسوسازی شده بوسیله یک خازن فیلتر یا صاف می شود.

مقدار ظرفیت این خازن معمولاً بسیار بزرگ است و باعث ایجاد یک مخزن انرژی می‌شود. انرژی دریافتی در خازن در لبه بالارونده ذخیره می شود و با کاهش ولتاژ به مصرف می شود. این امر میزان افت ولتاژ را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و ولتاژ را صاف می کند. افزایش ظرفیت ذخیره سازی خازن به طور کلی منبع تغذیه با کیفیت بالاتری را تولید می کند.

صافی خازنی

 

پس از عملیات یکسوسازی و قراردادن صافی خازنی، هنوز مقداری تغییر در  ولتاژ خروجی وجود دارد که ریپل نامیده می شود. در منابع تغذیه تثبیت شده از یک رگولاتور ولتاژ برای تثبیت ولتاژ خروجی و کم کردن این ریپل استفاده می‌گردد.

منابع تغذیه تثبیت نشده

از آنجایی که منابع تغذیه تثبیت نشده دارای رگولاتور ولتاژ داخلی نیستند، معمولاً برای ایجاد یک ولتاژ مشخص در یک جریان معین طراحی می‌شوند. اقلب از این منابع در شارژرهای دیواری بلوکی استفاده می‌شود و قادرند تا جریان متناوب ورودی را در توان پایین به  DC تبدیل کنند و اغلب برای تأمین انرژی دستگاه هایی مانند لوازم الکترونیکی خانگی استفاده می شوند. آنها رایج ترین آداپتورهای برق هستند و به آنها آداپتورهای دیواری گفته می‌شود. جریان خروجی DC این آداپتورها از طریق یک  ترانسفورماتور کاهنده تامین می‌گردد و  ولتاژ آن وابسته به مقدار جریان بار دارد و معمولا به گونه‌ای طراحی می‌شود که تا حد امکان با جریان مورد نیاز بار مطابقت داشته باشد. این منابع معمولاً دارای یکسو کننده و خازن صاف کننده هستند، اما هیچ المانی  برای تثبیت ولتاژ ندارند و ممکن است در برخی نمونه‌ها دارای مدارهای ایمنی باشند. این منابع  برای کاربردهایی که به دقت نیاز ندارند ارزان ترین و بهترین هستند.

 دیاگرام منابع تغذیه تثبیت نشده

 

منابع تغذیه تثبیت شده

منبع تغذیه DC تثبیت شده اساساً یک منبع تغذیه تنظیم نشده است که به آن المان تثبیت کننده ولتاژ اضافه شده است. این عمل اجازه می دهد تا ولتاژ خروجی منبع تغذیه بدون توجه به مقدار جریان مصرف شده توسط بار و مقدار ولتاژ ورودی ترانسفورماتور همیشه ثابت بماند، مشروط بر اینکه از محدودیت های از پیش تعریف شده در طراحی تجاوز نگردد. در منابع تغذیه تثبیت شده، یک مدار به طور مداوم از ولتاژ خروجی نمونه برداری می کند و سیستم را تنظیم می کند تا سطح ولتاژ خروجی را در مقدار لازم نگه دارد. در بسیاری از منابع تغذیه تثبیت شده، مدارات اضافی برای محدود کردن مقدار جریان و ولتاژ، فیلتر کردن نویز و تنظیمات مقدار خروجی گنجانده شده است.

: دیاگرام منابع تغذیه تثبیت شده

 

منابع تغذیه خطی، سوئیچینگ یا مبتنی بر باتری؟

سه زیر مجموعه از منابع تغذیه تثبیت شده وجود دارد: منابع تغذیه خطی، منابع تغذیه سوئیچینگ و مابع تغذیه مبتنی بر باتری. از بین سه طرح اصلی منابع تغذیه تثبیت شده، سیستم منابع تغذیه خطی کمترین پیچیدگی را دارند اما منابع تغذیه سوئیچینگ  و مبتنی بر باتری دارای مزایایی هستند که پیچیدگی آنرا توجیه می‌کند.

منبع تغذیه خطی

از منابع تغذیه خطی زمانی استفاده می‌شود که تنظیم دقیق ولتاژ خروجی و حذف نویز ورودی اهمیت داشته باشد. در حالی که این منابع از راندمان بالایی برخوردار نیستند اما دارای عملکرد خوبی هستند. این منابع به این دلیل خطی نامیده می‌شوند این نام از این واقعیت گرفته شده است که آنها برای تثبیت ولتاژ از هیچ سوئیچی استفاده نمی‌کنند. منابع تغذیه خطی سالهاست که در دسترس هستند و استفاده از آنها بسیار گسترده و قابل اعتماد است. همچنین آنها نسبتاً بدون نویز هستند و به صورت تجاری در دسترس هستند. نقاط ضعف منابع تغذیه خطی اندازه بزرگ، وزن زیاد و تولید گرما زیاد است. در مقایسه با منابع تغذیه سوئیچینگ و باتری ها، این نوع منابع دارای راندمان کمتری هستند و گاهی اوقات راندمان آن به 50% می‌رسد.

منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) دارای ساختار پیچیده‌تری هستند، اما تطبیق پذیری بیشتری دارند و اگر به درستی طراحی شوند، می‌توانند بازدهی 80% یا بیشتر داشته باشند. آنها اگرچه قطعات بیشتری دارند، اما کوچکتر و ارزانتر از منابع تغذیه خطی هستند.

: دیاگرام منابع تغذیه سوئیچینگ

یکی از مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ، تلفات کمتر آن است، اما از آنجا که این منابع تغذیه در فرکانس‌های بالا کار می کنند، می توانند نویز ایجاد کند، نویزی که در کارکرد مدارات دیگر تداخل ایجاد می‌کند. برای پیشگیری از این تداخل معمولا اقداماتی مانند پیچیدن سیم پیچ شیلد در ترانس سوئیچینگ و طراحی مدارات فیلتر و ... انجام می‌گردد.  از جمله مزایای این منابع تغذیه می‌توان به سایز کوچک و  وزن سبک آن اشاره کرد، معمولا این نوع منابع تغذیه دارای محدوده ولتاژ ورودی گسترده و محدوده ولتاژ خروجی بالاتر و بسیار کارآمدتر از منبع تغذیه خطی هستند. با این حال، یک منبع تغذیه سوئیچینگ مدار پیچیده ای دارد، می تواند شبکه AC ورودی را آلوده کند، نویزی تر است، و در فرکانس های بالا که نیاز به عدم تداخل دارد، کار می کند.

منبع تغذیه مبتنی بر باتری

منبع تغذیه مبتنی بر باتری نوع سوم منابع تغذیه است و اساساً باتری یک واحد ذخیره انرژی متحرک است. برق مبتنی بر باتری نویز ناچیزی تولید می‌کند که باعث تداخل در کار بقیه سیستم‌ها نمی‌گردد، اما بزرگترین ضعف باتری این است که با دشارژ شدن رفته رفته ولتاژ آن افت می‌کند. این نوع از منابع تغذیه مناسب مصارف قابل حمل است و برای شارژ مجدد نیاز به مدارات اضافه دارد.

انتخاب منبع تغذیه

هنگام انتخاب منبع تغذیه، چندین پارامتر وجود دارد که باید حتما در نظر گرفته شود.

·       توان مورد نیاز بار یا مدار، از جمله

·       ولتاژ خروجی

·       جریان خروجی

·       ویژگی های ایمنی مانند محدود کننده‌های ولتاژ و جریان برای محافظت از بار.

·       اندازه فیزیکی و وزن منبع

·       راندمان منبع 

·       عملکرد سیستم در شرایط نویز.

·       نویز خروجی

·       قیمت

مشخصات مهم منابع تغذیه

در حالی که تمام مشخصات منبع تغذیه با ارزش هستند، اما برخی از آنها مهم تر از سایر مشخصات هستند. چند مشخصه مهم  قابل ذکر  منابع تغذیه عبارتند از:

جریان خروجی: حداکثر جریانی که منبع  می تواند به بار وارد کند.

تنظیم بار: تنظیم بار عبارت است از اینکه رگولاتور چقدر می‌تواند ولتاژ خروجی خود را با تغییر جریان بار حفظ کند و معمولاً بر حسب میلی ولت (mV) یا به عنوان حداکثر ولتاژ خروجی اندازه گیری می شود.

نویز و ریپل: نویز هرگونه تداخل الکترونیکی اضافه و ناخواسته است و ریپل تغییرات کوچک ولتاژ هنگام تبدیل AC به DC است. اینها معمولاً در یک اندازه گیری ترکیب می شوند. در منابع تغذیه سوئیچینگ، اندازه گیری به صورت پیک به پیک داده می شود که میزان نویزهای ناشی از عملیات سوئیچینگ را نشان می دهد.

حفاظت از اضافه ولتاژ: گاهی اوقات ولتاژ خروجی می تواند از مقادیر اسمی خود فراتر رفته و به بار آسیب برساند. حفاظت از اضافه ولتاژ مداری است که در صورت تجاوز از محدودیت های ولتاژ، منبع تغذیه را قطع می کند.

حفاظت از اضافه بار: حفاظت از اضافه بار یک اقدام ایمنی است که برای جلوگیری از آسیب در صورت ایجاد اتصال کوتاه یا اضافه جریان استفاده می شود. محافظ اضافه بار منبع تغذیه را قطع می کند تا بار آسیب نبیند.

راندمان: راندمان نسبت توانی است که از شبکه برق کشیده می شود و به طور موثر به برق DC تبدیل می شود. یک منبع تغذیه خوب سوئیچینگ با حداقل 80% راندمان کار می کند و با طراحی سیستم مناسب، می تواند حتی با نرخ های بالاتر کار کند. یک سیستم با راندمان بالا، تولید گرما را کاهش می‌دهد و می تواند در مصرف انرژی صرفه جویی کند.

نظرات کاربران
هیچ نظری برای این مطلب ثبت نشده است.