منبع تغذیه چیست؟ معرفی انواع پاور ساپلای و کاربرد آن

منبع تغذیه چیست؟

منبع تغذیه یا PSU که مخفف عبارت power supply unit است، قطعه‌ی سخت افزاری است که وظیفه‌ی تأمین برق مورد نیاز را برای قطعات سیستمی که به آن متصل شده‌ است، دارد. منابع تغذیه در اصل مدارهایی هستند که از یک منبع ولتاژ AC در دسترس (برق شهر)، ولتاژ DC با اندازه ثابت یا کنترل شده تولید می‌کنند. این ولتاژ DC خروجی در بسیاری از مدارها کاربرد دارد و تأمین آن ضروری است. برای مثال، تراشه‌های مدار مجتمع (IC) که در مدارهای الکترونیکی به کار می‌روند، به یک ولتاژDC  استاندارد با دامنه ثابت نیاز دارند. در واقع دلیل استفاده از منبع تغذیه، تأمین ولتاژ و جریان مناسب است.

به بیانی ساده، فرآیندی مانند نمودار بالا به وقوع می‌پیوندد تا ولتاژ مد نظر تولید شود. به طور مثال ابتدا ولتاژ 120 ولت متناوب 60 هرتزی وارد ترانسفورماتورکاهنده می‌­شود تا میزان ولتاژ در اولین مرحله تا 15 ولت کاهش یابد. در مرحله بعدی موج ولتاژ متناوب 15 ولتی توسط رکتیفایر (یکسو کننده) به نیم موج یا نیم پل تبدیل می‌شود. میزان تناوب این نیم موج پس از عبور از یک فیلتر کاهش می­‌یابد و تبدیل به ولتاژ DC می‌­شود. مرحله نهایی عبور از یک رگولاتور(تنظیم کننده ولتاژ) است که بتوانند ولتاژ نهایی مد نظر (به طور مثال 10 ولت مستقیم) را، حتی در صورت وجود تغییرات ولتاژ یا جریان ورودی، به عنوان خروجی منبع، تحویل دهد. به این ترتیب این منبع تغذیه می‌تواند ورودی 120 ولت AC را به خروجی 10 ولت DC تبدیل کند.

انواع پاور ساپلای (منبع تغذیه)

منابع تغذیه بر اساس کارکردِ مدار تنظیم کننده (رگولاتور) ولتاژ به دو نوع (خطی Linear Regulated Power Supply  و منبع تغذیه سوئی‍‌‍چینگ switching mode power supply  ((SMPS)  تقسیم می‌شوند. از دیگر انواع منبع تغذیه برق می‌توان؛ منبع تغذیه بی وقفه (UPS) که در برق اضطراری، آسانسور و.. دمورد استفاده قرار می‌گیرد، منبع تغذیه ولتاژ بالا، منبع تغذیه کنترل شده را نام برد.

منابع تغذیه سوئیچینگ را می‌توان از دو جهت تقسیم بندی کرد؛ اول از نظر تأمین ولتاژ که می‌تواند ولتاژ ورودی AC یا DC باشد به این صورت که  برخی از شناخته شده ترین دستگاه ها از AC به DC تبدیل می‌شوند. اما شما همچنین گزینه منبع تغذیه DC به DC را دارید و دوم از نظر اتصال و عدم اتصال منبع به سیستم. پاور سوئیچینگ‌ها در انواع مجزا و کامپکت (compact) موجودند. در نوع  compactكافيست به منبع تغذيه يك ولتاژ بيروني بدهيم تا منبع تغذيه فعال شود و هيچ گونه سيم كشي يا اتصال از منبع تغذيه به نقاط ديگر نيست.

منابع تغذیه‌ی خطی با وجود ساز و کار ساده­­‌ای که دارند، به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خطی، اتلاف توان زیادی دارند. برای مثال در مدار زیر اگر ولتاژ ورودی 100 ولت باشد و مصرف کننده بخواهد در ولتاژ 50 ولت 10 آمپر استفاده کند، رگلاتور خطی (به دلیل راندمان به طور کلی پایین این نوع از رگولاتورها) باید 500 وات توان اتلاف کند تا بتواند ولتاژ تنظیم شده را برای مصرف کننده فراهم کند. این مقدار توان اتلاف شده باید توسط یک سیستم انتقال گرمای بسیار قدرتمند و با اشغال فضای زیاد، دفع شود. به طور کلی منابع تغذیه خطی به دلیل اینکه المان کنترلی همواره فعال است و انرژی مصرف می­کند، بازده کمی دارند.

یکی دیگر از ایرادات رگولاتورهای خطی ولتاژ این است که حداکثر جریان خروجی پیوسته آن‌ها محدود است. و به همین دلیل در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرند که توان کم مورد نیاز باشد. وقتی منبع تغذیه‌ با بازه جریان بیشتر و توان بالاتر مورد نیاز باشد، معمولاً از یک رگولاتور سوئیچینگ استفاده می‌کنیم که در این صورت، منبع تغذیه سوییچینگ نامیده می‌شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه سوئیچینگ به قطعه ای گفته می‌شود که وظیفه تبدیل توان الکتریکی به سطح ولتاژ دیگر را دارد که این کار با سوئیچ شدن ترانزیستورها  (خاموش و روشن شدن مداوم) انجام می‌شود.به صورت تئوری، به دلیل سازوکار رگولاتور سوئیچینگ، راندمان یک پاور سوئیچینگ 100% است (در عمل این مقدار برابر با حدود 97% است). منبع تغذیه پاور سوئیچینگ دارای یکسو کننده، خازن فیلتر، ترانزیستور سری، رگولاتور، ترانسفورماتور و مدار استند بای است. استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ از سال 1980 به بعد محبوب و رایج شد.

مدار لاین فیلتر (line filter) متشکل از سلف و خازن است که وظیفه‌ی جلوگیری از ورود و خروج و همچنین ایجاد نویز را دارد.

عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ

نحوه کار منبع تغذیه سوئیچینگ به این صورت است که برق ابتدا از ورودی برق وارد و بعد از فیوز و سپس ترمیستور عبور می‌کند. وظیفه‌ی ترمیستور جلوگیری از شوک‌ها و نوسانات ناگهانی برق است و در واقع ترمیستور برای اتصال نرم مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعضی مدارها رزیستور دارند و این رزیستور بین فاز و نول، موازی با ورودی برق قرار می‌گیرد. وظیفه رزیستور کنترل میزان ولتاژ برق است به طوری که هنگام افزایش ناگهانی ولتاژ و یا وقوع صاعقه، اتصال کوتاه کرده و اجازه عبور برق به مدار را نداده و در نتیجه فیوز می‌سوزد. اگر پاور از برق کشیده شود، خازن‌ها هنوز شارژ دارند پس با لمس دو شاخه، دچار برق گرفتگی خواهیم شد.

بعد از لاین فیلتر، وارد رکتیفایر (یک سو کننده) شده و برق AC شهری را به DC تبدیل می‌کند. معمولا از دیودها برای یکسوسازی در مدار استفاده می‌شود. در مدار رکتیفایر دو عدد خازن بزرگ موجود است که فرکانس‌های اضافی برق DC را می‌گیرند و صاف می‌کنند و ولتاژ بالاتری تحویل می‌دهند. جریانی که دیودها یکسو کرده‌اند، جریان خالص نیست و تغییراتی به فرم ریپل سوار شده روی خروجی دارد که در اثر منبع متناوب به وجود آمده است. نکته قابل توجه این است که سیگنالی که در حال یکسوسازی است به شکل یک موج سینوسی ac با دامنه ماکزیمم و فرکانس ثابت باشد.

بعد از حذف فرکانس‌های اضافی، جریان وارد مدار استند بای (standby) می‌شود؛ این مدار ساختار بسیار پیچیده‌ای دارد، پس از تولید برق 5vdc و 10vdc، این ولتاژ وارد mother board می‌شود.

سپس وارد فیلتر شده و تناوب آن کاهش یافته و تبدیل به ولتاژ dc می‌شود. مرحله نهایی عبور از یک تنظیم کننده ولتاژ یا رگولاتور (requlator) است که بتوانند ولتاژ نهایی مد نظر را تحویل دهد. به این ترتیب این منبع تغذیه می‌تواند ورودی 120 ولت AC را به خروجی 10 ولت DC تبدیل کند.

 منابع تغذیه سوئیچینگ یا پاور ساپلای ها، مصرف توان، تولید حرارت و وزن و ابعاد مدار را به مقدار قابل توجهی کاهش می‌دهند. همین ویژگی­های مثبت باعث شده تا امروزه در کامپیوترها، تلویزیون­ها، گوشی‌های تلفن همراه، شارژرها، درایورهای موتور DC و ..... به عنوان پاور الکترونیک استفاده وسیعی داشته باشند. در پاور ساپلای سوئیچینگ، المان کنترلی (ترانزیستور / ماسفت) با فرکانس بالایی مثلا )10(KHz  قطع و وصل می‌شود و دائماً فعال نیست. این ترانزیستور سوئیچینگ وقتی در وضعیت اشباع باشد با اختلاف ولتاژ نزدیک به صفر جریان را هدایت می‌کند و در حالتی که کاملا بسته است هیچ جریانی را از خود عبور نمی‌دهد. در نتیجه این ترانزیستور مانند یک سوئیچ ایده ­آل عمل می­کند.

در این نوع از منبع تغذیه ها، به جای استفاده از اجزای مقاومتی از سلف، خازن و سوییچ استفاده می­شود. این قطعات انرژی را انتقال می­دهند و یا در خود ذخیره می­کنند در نتیجه اتلاف انرژی به صورت گرما اتفاق نمی‌افتد.

همچنین برخلاف رگلاتورهای خطی که تنظیم ولتاژ را فقط به صورت کاهنده انجام می­دهند، رگولاتور سوئیچینگ می­تواند به صورت کاهنده، افزاینده یا وارونگرِ(inverter) قطب‌های ولتاژ ورودی، عمل کند. با تغییر دادن محل قرار گرفتن سوئیچ، خازن و سلف می‌توان نوع خروجی مدار را به صورت کاهنده ( باک -  Buck )، افزاینده ( بوست – Boost ) و یا وارونگر پُلاریته ( باک بوست – Buck-Boost ) تامین کرد.

کاربرد پاور ساپلای سوئیچینگ

پاور سوئیچینگ‌ ها هرجا که تولید گرما اثری مخرب محسوب شود و نیاز به بازده بالا احساس شود، استفاده می‌شوند؛ از جمله در مدار شارژر باتری. همچنین در جا‌هایی که نیاز به توان بالاتری داشته باشیم استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ ضروری می‌باشد. به طور کلی به دلیل دارا بودن انعطاف‌پذیری و بازدهی بالا، سایز و اندازه کوچک و همچنین هزینه کمتر، منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایای پاور سوئیچینگ صنعتی نسبت به منبع تغذیه خطی

• بازدهی بالا
• عدم تولید گرما
• سبک و قابل حمل بودن
• تولید آمپر بالا در ابعاد کوچک
• تلفات کمتر هنگام خرابی

معایب منبع تغذیه سوییچینگ

• تولید نویز (با کوچکترین نویزی می‌توانند لوازم برقی را مختل کنند، بنابراین بهتر است از مدار محافظ نویز استفاده کرد).
• مدارهای پیچیده‌ای دارند.
• دارای تعمیرات وقت گیر هستند و خرابی آنها به راحتی قابل تشخیص نیست.
• اگر قطعه‌ای خراب شود، روی بقیه قطعات نیز تأثیر گذار است.
• گران‌تر از منابع تغذیه خطی

برندهای پاور سوئیچینگ در ایران

محبوب­ترین برند منبع سوئیچینگ در ایران، برند مینول (Mean Well) تولید کشور تایوان، است. این برند شامل محصولات متنوعی با بازه تامین ولتاژ و جریان گسترده است که در سال های اخیر بسیار مورد استقبال صنعتگران قرار گرفته است.

منبع تغذیه سوئیچینگ مینول در چندین سری متنوع تولید می­ شود که هر سری ویژگی ­های خاصی را دارا است. به طور کلی پاور ساپلای سوییچینگ مینول در دو مدل ریلی (ریل مونت) و کف خواب (کتابی) موجود هستند. نوع کف خواب به دلیل قیمت ارزان تر نسبت به نوع ریلی، از محبوبیت بیشتری برخوردار است. پاور الکترونیک سوئیچینگ کتابی مینول در چند سری متنوع تولید می ­شود که از جمله آن ها می توان به سری LRS، SE، و G3 اشاره کرد.

سری LRS

سری‌های LRS اقتصادی ترین سری منبع تغذیه meanwell هستند.

این سری شامل محصولاتی در بازه توان 35 تا 350 وات می ­شود.

ویژگی­ های شاخص این سری عبارتند از :

• بدون اصلاح ضریب توان (PFC) هستند.
• مصرف توان در حالت بی باری بین 0.2 تا 0.75 وات.
• مقاوم در برابر افزایش ولتاژ ورودی تا 300 ولت به مدت 5 ثانیه.
• تحمل دما تا 70 درجه سانتی گراد و لرزش 5G.
• ارتفاع عملیاتی تا 5000 متر.

سری SE

 این سری نیز از منابع تغذیه اقتصادی مینول هستند که شامل محصولاتی در بازه توان 100 تا 1500 وات می ­شود.

ویژگی ­های فنی این سری عبارت است از :

• بدون اصلاح ضریب توان (Non-PFC)
• قابلیت انتخاب ولتاژ ورودی (110 یا 220 ولت AC)
• حفاظت در برابر اتصال کوتاه، بار اضافه، ولتاژ اضافه، دمای بالا
• فن خنک کننده داخلی
• دمای کارکرد 20- تا 60+ درجه سانتی گراد رطوبت 20 تا 90 درصد

سری G3

 سری G3 (منبع تغذیه مینیاتوری) محصولات مینول، تنوع زیادی از لحاظ تعداد خروجی دارند.

(تعداد خروجی: تکیRS ، دوتاییRD وRID ، سه تاییRT  و چهارتاییRQ ).

این سری شامل محصولاتی در بازه توان 15 تا 150 وات است.

ویژگی­های دیگر این سری عبارتند از :

• سایز مینیاتوری
• بدون اصلاح ضریب توان (Non-PFC)
• تحمل دما تا 70 درجه سانتی گراد و لرزش 5G.
• مقاوم در برابر افزایش ولتاژ ورودی تا 300 ولت به مدت 5 ثانیه.
• مناسب برای کاربری های حساس
• در سری RID دو خروجی ایزوله شده­ اند

برند دیگری که به طور نسبی در ایران مورد استفاده قرار می گیرد منبع تغذیه نکست (Next) است. این برند تولید کشور چین است و در مقایسه با مینول کیفیت پایین تری دارد به همین دلیل نیز اختلاف قیمت قابل توجهی با محصولات مشابه از برند مینول دارد.

برندهای متفرقه دیگری نیز در بازار وجود دارند که در رنج قیمت و کیفیت متفاوتی قرار می­ گیرند. با توجه به کیفیت و اهمیت کاربرد منبع تغذیه، می ­توان از بین گزینه های موجود (مینول، نکست و ادیسون) انتخاب نمود.