منبع تغذیه

توضیحات

منبع تغذیه در ساده ترین شکل خود شامل بخش ورودی و بخش خروجی منبع تغذیه می باشد که عمدتا بصورت الکتریکی از هم ایزوله هستند. مهمترین پارامترها در بخش ورودی و خروجی منبع تغذیه به شرح زیر می باشد:

• بخش ورودی شامل ولتاژ ورودی، زمین ورودی، جریان مصرفی، جریان هجومی، فیوز ورودی، فرکانس، تغذیه dc، حافظه خطای پاور، اصلاح ضریب توان PFC
• بخش خروجی شامل ولتاژ خروجی، زمین ثانویه، جریان اتصال کوتاه، ریپل یا اعوجاج باقیمانده، ویژگی های خروجی، جریان خروجی 

   

  انواع منابع تغذیه و طراحی آنها

  منابع تغذیه DC

  منابع تغذیه DC، یک ولتاژ تغذیه DC ثابت برای بار متصل به خود تامین می کنند. ورودی منبع تغذیه DC، می تواند برق AC و یا DC باشد.

  منبع تغذیه AC به DC

  ورودی این منابع تغذیه جریان الکتریکی AC می باشد. در این منابع تغذیه از یک ترانس برای تبدیل ولتاژ ورودی به یک ولتاژ AC بالاتر یا پایین تر استفاده می شود. سپس رکتیفایر تعبیه شده در این منابع تغذیه، ولتاژ AC تبدیل یافته را به ولتاژ DC متغیر تبدیل می کند. این ولتاژ DC از یک فیلتر الکترونیکی عبورداده می شود و به یک ولتاژ DC رگوله نشده تبدیل می شود. فیلتر اعوجاج، ولتاژ AC را تا حد امکان می گیرد و ولتاژ AC باقیمانده تحت عنوان ریپل Ripple شناخته می شود. دامنه تغییرات بار الکتریکی ریپل، حداقل مقدار فیلترینگی که باید توسط منبع تغذیه انجام شود را مشخص می کند. در برخی کاربردها ریپل بالا قابل تحمل است و نیازی به فیلترینگ نمی باشد.

  منابع تغذیه سوئیچینگ

  در منابع تغذیه سوئیچینگ، ورودی اصلی AC، مستقیما یکسو می شود و سپس برای ایجاد ولتاژ DC، فیلتر می گردد. سپس ولتاژ DC تولید شده با مدار سوئیچینگ الکترونیکی در فرکانس بالا روشن و خاموش می شود، بنابراین با این روش یک ولتاژ AC تولید می شود که می توان آن را از یک ترانس فرکانس بالا و یا سلف عبور داد. عمل سوئیچینگ در فرکانس بالا در حد 10 کیلوهرتز تا یک مگاهرتز انجام می شود، در نتیجه امکان استفاده از ترانسفومرها و فیلترهای خازنی کوچک تر، سبک تر و ارزان تر فراهم می گردد. در مرحله ی بعد سلف و یا ترانسفورمر، ولتاژ AC فرکانس بالا، یکسو شده و فیلتر می گردد و نهایتا ولتاژ DC تولید می شود. چنانچه در منبع تغذیه سوئیچینگ، از ترانس فرکانس بالای عایق دار مناسب استفاده شود، خروجی منبع تغذیه بصورت الکتریکی از ورودی اصلی ایزوله خواهد شد، این ویژگی برای ایجاد ایمنی لازم است.

  منابع تغذیه سوئیچینگ، معمولا رگوله می شوند و ولتاژ خروجی را ثابت نگه می دارند، در این منابع تغذیه یک فیدبک کنترلر وجود دارد که جریان مصرفی توسط بار را مانیتور می کند. چنانچه مصرف توان خروجی زیاد شود، ضریب کاری سوئیچینگ افزایش پیدا می کند.

  منابع تغذیه سوئیچینگ اغلب جهت حفاظت از تجهیز و کاربر، دارای ویژگی های ایمنی و حفاظتی نظیر مدارات محدود کننده جریان هستند. زمانیکه جریان بالای غیرنرمالی از منبع تغذیه کشیده شود، منبع تغذیه این جریان را به عنوان جریان اتصال کوتاه شناسایی کرده و قبل از ایجاد آسیب به سیستم، دستور خاموشی منبع تغذیه رامی دهد. منابع تغذیه کامپیوتر، اغلب یک سیگنال سلامت پاور به مادربرد ارسال می کنند، عدم ارسال این سیگنال نشان دهنده حضور ولتاژ نامناسب است و جلوی عملکرد سیستم را می گیرد.

  برخی منابع تغذیه سوئیچینگ، دارای یک محدودیت مشخص در مینیمم جریان خروجی شان هستند. آنها فقط قادر هستند پاور خروجی را از یک سطحی به بالا تامین کنند و زیر این سطح مشخص شده، عمل نمی کنند. در شرایط بی باری، فرکانس مدار برش پاور، افزایش پیدا می کند و باعث می شود که ترانس ایزوله مانند سیم پیچ تسلا عمل کند که این موضوع به دلیل ایجاد ولتاژ گذرا باعث ایجاد آسیب در دستگاه می شود. در منابع تغذیه سوئیچینگی که دارای مدارحفاظت هستند، چنانچه پس از روشن شدن حالت بی باری تشخیص داده شود، خاموش می شود. چنانچه لازم باشد مدار در حالت بی باری روشن شود، می توان از یک مقاومت یا لامپ 10 واتی جهت راه انداز استفاده کرد تا حداقل جریان لازم برای منبع تغذیه تامین شود.

  منابع تغذیه ایی که در کامپیوترها استفاده می شود دارای ضریب توان (Power Factor) پایینی هستند.

  در منابع تغذیه سوئیچینگ ساده، موج ورودی ممکن است شکل موج خروجی لاین را تغییر دهد که بر بارهای دیگر تاثیر می گذارد (و موجب ایجاد کیفیت پایین توان برای مصرف کننده های دیگر می شود.) و موجب ایجاد گرما در سیم کشی و تجهیزات توزیع می شود. به علاوه به دلیل ایجاد ضریب توان پایین، مصرف کننده مجبور به پرداخت جریمه در قبض برق خواهد شد. برای حل این مشکل، برخی منابع تغذیه سوئیچینگ، دارای جبران کننده ضریب توان هستند. در این منابع تغذیه، بازده می تواند از 75 درصد در توان های پایین تا 95 درصد در توان های بالا تغییر کند.

  رگولاتور خطی

  عملکرد رگولاتور ولتاز خطی، تبدیل ولتاژDC  متغیر به یک ولتاژ ثابت است و اغلب برای ولتاژهای DC پایین کاربرد دارد. این رگولاتورها، جهت حفاظت منبع تغذیه و بار از اضافه جریان، اغلب دارای مدار محدود کننده جریان هستند.

  در کاربرد اکثر منابع تغذیه، نیاز به یک ولتاژ خروجی ثابت می باشد اما خروجی اکثر منابع تغذیه با تغییر امپدانس بار تغییر می کند. به علاوه، زمانیکه از یک منبع تغذیه dc رگوله نشده به عنوان منبع انرژی استفاده می شود، ولتاژ خروجی با تغییر ولتاژ ورودی نیز تغییر می کند. جهت حل این مشکل، در برخی منابع تغذیه یک رگولاتور ولتاژ خطی وجود دارد که میزان ولتاژ خروجی را مستقل از تغییرات امپدانس بار و ولتاژ ورودی ثابت نگه می دارد. این رگولاتورهای خطی، دامنه ریپل و نویز را در ولتاژ خروجی نیز کاهش می دهند.

  منابع تغذیه AC

  یک منبع تغذیه AC، ولتاژ را از منبع ورودی دریافت می کند و با استفاده از یک ترانسفورمر داخلی، ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش می دهد. عملیات فیلترینگ نیز صورت می گیرد. در برخی کاربردها ولتاژ ورودی و خروجی یکسان است، این منابع تغذیه ترانس ایزوله نامیده می شوند. برخی منابع تغذیه AC، ولتاژ خروجی را از ورودی ایزوله نمی کنند، این منابع تغذیه اتوترانسفورمر نامیده می شوند. اتوترانسی که ولتاژ خروجی متغیر تولید می کند واریاک نامیده می شود. انواع دیگر منابع تغذیه AC، برای تولید یک جریان ثابت طراحی شده اند در این منابع ولتاژ خروجی با تغییر امپدانس بار تغییر می کند. در مواردی که منبع توان، جریان مستقیم است (مانند باتری ذخیره اتومبیل)، باید از یک اینورتر یا ترانسفورمر بالابرنده ولتاژ برای تبدیل جریان DC به AC استفاده کرد. نوع دیگر منابع تغذیه AC که قابل حمل می باشد آلترناتورهایی است که توسط یک موتور دیزلی یا گازوئیلی راه اندازی می شود، جریان آن از یک مدار رگولاتور عبور داده می شود تا یک ولتاژ ثابت در خروجی ایجاد گردد. از جمله کاربردهای آلترناتورها، استفاده در کارگاه ساخت یا سایت های در حال ساخت، اتومبیل، قایق و یا استفاده به عنوان تامین برق در شرایط اضطراری و BACK-UP می باشد. از انواع دیگر منابع تغذیه AC می توان منابع تغذیه بی وقفه یا همان UPS ها اشاره کرد که به عنوان تغذیه BACK-UP در سیستم استفاده می شوند.

  منابع تغذیه قابل برنامه ریزی

  توسط منابع تغذیه قابل برنامه ریزی، امکان کنترل از راه دور توسط یک ورودی آنالوگ و یا یک رابط دیجیتال مانند RS232 یا GPIB، میسر می گردد. موارد قابل کنترل؛ شامل جریان، ولتاژ و در منابع تغذیه AC شامل فرکانس می باشد. این منابع تغذیه کاربرد وسیعی دارند شامل: تست تجهیزات اتوماسیون، مانیتورینگ و پایش رشد کریستالها، ساخت نیمه هادی ها و ژنراتورهای X-RAY. منابع تغذیه ی قابل برنامه ریزی از لحاظ نصب به انواع ماژولار (Modular)، به صورت برد (Board-mounted)، دیواری (Wall-mounted)، زمینی (floor-mounted) و یا چهارپایه ای (bench top) تقسیم می شوند. پاورساپلایهای قابل برنامه ریزی می توانند DC، AC و یا AC با آفست DC باشند. خروجی AC می تواند تک فاز یا سه فاز باشد. خروجی های تکفاز برای ولتاژهای کم و خروجی های سه فاز برای ولتاژهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند. در طراحی سیستم های کنترلی و الکترونیکی از این منبع تغذیه ی DC استفاده می شود و به دلیل ویژگی هایی چون ریپل و نویز کم نسبت به منبع تغذیه های معمولی، قیمت این منابع تغذیه بالاتر است. این منابع تغذیه در مواردی چون تست خودکار تجهیزات، پایش رشد بلور و آنالیز گرمایی تفاضلی کاربری دارد.

  منابع تغذیه بدون وقفه(UPS)

  یک منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، از دو یا چند منبع توان بصورت همزمان استفاده می کند. این منبع تغذیه معمولا بصورت مستقیم ورودی اصلی برق AC را می گیرد و همزمان باتری های ذخیره متصل به آن را شارژ می کند. به محض قطع برق، باتری ها بصورت آنی وارد مدار می شوند و بنابراین بار نهایی دچار هیچگونه قطعی نمی شود. هنگام استفاده از کامپیوتر ها، وجود منبع تغذیه UPS در زمان قطع برق این امکان را به کاربر می دهد تا داده های خود را سازمان دهی کند و سپس اقدام به خاموش کردن کامپیوتر نماید. به طور کلی UPS برای مدت کوناهی برق لازم را تامین می کند تا سیستم ها در اثر قطعی برق دچار مشکل نشوند. اما انواع دیگری از UPS ها وجود دارد که دارای یک موتور احتراق یا توربین داخلی هستند و بطور موازی با برق ورودی اصلی در زمان قطعی برق، سیستم را تا زمان برگشت برق اصلی تغذیه می کنند.

  منابع تغذیه ولتاژ بالا

  منبع تغذیه ولتاژ بالا، منبع تغذیه ای است که خروجی آن از صدها تا هزاران ولت است. جهت جلوگیر از آرک (جرقه)، خرابی عایق و یا تماس تصادفی کاربر، از یک کنتاکتور خاص استفاده می شود. کاربرد منابع تغذیه ولتاژ بالا شامل: شتاب دهی الکترون ها و بیم های یونی در تجهیزاتی نظیر ژنراتورهای X-RAY، میکروسکوپ های الکترونی و غیره می باشد.

  منبع تغذیه کامپیوتر

  منبع تغذیه کامپیوتر، یک منبع تغذیه سوئیچینگ است که برق ورودی اصلی AC را به ولتاژهای DC مختلف تبدیل می کند.

  در زمان انتخاب منبع تغذیه چه مواردی باید مد نظر قرار بگیرد:

  • ولتاژ خروجی مورد نیاز چه ولتاژی می باشد؟
    • عموما ولتاژهای استاندارد مورد استفاده در صنایع: 5V, 12V, 15V, 24V, 48V می باشد. کاربردی ترین آنها ولتاژ 24V می باشد.
  • چه میزان باری قرار است به منبع تغذیه متصل شود؟
    • میزان آمپر بار جهت اتصال به منبع تغذیه باید محاسبه شود.
  • چه نوع باری قرار است به منبع تغذیه متصل شود؟
    • زمانی که بار مورد نظر موتور و یا دستگاه مشابه می باشد که تولید جریان هجومی INRUSH می کند، منبع تغذیه باید رزرو کافی برای تامین جریان هجومی داشته باشد.
  • آیا لازم است که در زمان وقوع خطا منبع تغذیه پشتیبان داشته باشیم؟
    • در مواردی که ایجاد خطا در سیستم و از دست رفتن یک منبع تغذیه، سیستم را با مشکل فنی مواجه می کند، باید از منابع تغذیه بصورت موازی و پشتیبان استفاده کرد.
  • آیا لازم است که کارکرد منبع تغذیه از راه دور مورد بررسی و مانیتور قرار بگیرد؟
    • چنانچه منبع تغذیه در تبالو کنترل از راه دور نصب شده باشد توصیه می شود که به یک ماژول ارسال پیام مجهز شود تا چنانچه ایجاد خطایی در سیستم رخ داد فوراً پیامی ارسال شود. منابع تغذیه برند ABB امکان استفاده ازچنین ماژولی را دارد.

  مواردی که باید در نصب منبع تغذیه مد نظر قرار گیرد:

  • ابعاد
  • فضای کافی برای نصب
  • شرایط محیطی