موضوع مقاله: منبع تغذیه سوئیچینگ | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # منبع تغذیه سوئیچینگ | مقدمه: یک رگولاتور خطی با تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت قادر است ولتاژ یا جریان خروجی را تنظیم کند بنابراین حداکثر بازده توان آن برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی. | ## بخش 1: منبع تغذیه سوئیچینگ | در یک منبع تغذیه سوییچینگ ولتاژ یا جریان از طریق سویچ کردن یک عنصر ذخیره‌کننده انرژی مثل سلف یا خازن تنظیم می‌شود. (این یعنی اینکه تمامی توان ورودی به بار منتقل می‌شود و هیچ کسری از آن از طریق گرما هدر نمی‌رود). تاریخچه ۱۸۳۶ سیم پیچ های القایی از سوئیچ ها برای تولید ولتاژ بالا استفاده می کنند. کترینگ و شرکتش شرکت آزمایشگاه مهندسی دیتون دلکو(Delco) اختراع شده بود، برای کادیلاک تولید می شود.سیستم جرقه زنی Kettering یک نسخه سوئیچ مکانیکی از مبدل تقویت کننده فلای بک است که در آن ترانسفورماتور سیم پیچ جرقه زنی(کویل) می باشد . انواع این سیستم جرقه زنی تا دهه ۱۹۶۰ در تمام موتورهای احتراق داخلی غیر دیزلی مورد استفاده قرار گرفت، در این زمان ابتدا با نسخه های سوئیچ الکترونیکی حالت جامد و سپس سیستم های جرقه زنی تخلیه خازنی جایگزین شدند. ۱۹۲۶ در ۲۳ ژوئن، مخترع بریتانیایی فیلیپ ری کورسی برای ثبت اختراع در کشور خود و ایالات متحده برای "کندانسور الکتریکی" خود درخواست داد. این حق اختراع در میان کاربردهای دیگر به جوشکاری با فرکانس بالا و کوره‌ها، اشاره می‌کند. رجوع کنید به تنظیم کننده ولتاژ ۱۹۳۶ رادیوهای خودرو از ویبره‌های الکترومکانیکی برای تبدیل منبع باتری ۶ ولتی به ولتاژ B+ مناسب برای لوله‌های خلاء استفاده کردند. اختراع سیستم منبع تغذیه مبدل نوسان و یکسو کننده ترانزیستور در ایالات متحده توسط جوزف ای. ۱۹۶۷ باب ویدلر از شرکت فرچایلد سمیکانداکتر آی سی تنظیم کننده ولتاژ μA723 را طراحی می کند. ۱۹۷۰ تکترونیکس شروع به استفاده از منبع تغذیه با راندمان بالا در اسیلوسکوپ های سری ۷۰۰۰ خود می کند که از سال ۱۹۷۰ تا ۱۹۹۵ تولید می شدند. ۱۹۷۲ HP-35، اولین ماشین حساب جیبی هیولت پاکارد، با منبع تغذیه سوئیچینگ ترانزیستوری برای دیودهای ساطع نور (ال‌ئی‌دی )، ساعت ها، تایمر، حافظه فقط خواندنی ROM و رجیسترها معرفی شده است. منبع تغذیه سوئیچینگی را ایجاد کرد که به ما امکان ساخت یک کامپیوتر بسیار سبک را می داد". ۱۹۸۰ مولد سیگنال سنتز شده HP8662A با فرکانس ۱۰ کیلوهرتز – ۱.۲۸ گیگاهرتز با منبع تغذیه حالت سوئیچینگ عرضه شد. برد مدار چاپی (PCB): برد اصلی که قطعات بر روی آن لحیم می‌شوند و به یکدیگر متصل می‌شوند. این جریانات ناخواسته در زمان سوئیچینگ‌ها یا چرخش موتورهای الکتریکی به وجود می‌آیند. خازن ورودی (Input Capacitor): این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده‌است که وظیفه تنظیم و کنترل سطح ولتاژ ورودی و خروجی و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدارسوئیچینگ به هنگام وقفه‌های کوتاه انرژی را بر عهده دارد. دیودهای خروجی (Output Diodes): دیودهای زنر و شاتکی هستند که وظیفه یکسو سازی ولتاژ خروجی در حالت عادی و قطع کامل جریان خروجی در حالت خاص را بر عهده دارند. فیلتر خروجی (Output Filter): این قطعه در زمان روشن بودن سیستم به ذخیره انرژی می‌پردازد و زمانی که سیستم خاموش می‌شود، آن را به ترانزیستورها انتقال می‌دهد. | ## بخش 2: منبع تغذیه سوئیچینگ | گرماگیر از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می‌شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ، دیودهای زنر، شاتکی و فست به محیط اطراف را بر عهده دارد. هر کدام از قطعات دیگر رایانه مقدار مشخصی از انرژی را مصرف می‌کنند و منبع تغذیه با استفاده از ترنسفورماتور، ولتاژهای مختلفی را برای اجزای مختلف تولید می‌کند. مادربورد: بین ۵۰ تا ۱۵۰ وات (و در سرورها بیشتر)؛ پردازنده: ۱۰۰ وات؛ حافظه دسترسی تصادفی: بین ۱۰ تا ۱۵ وات؛ هارد دیسک: ۱۵ تا ۳۰ وات؛ کارت‌های توسعه: ۵ تا ۱۵۰ وات (البته بسته به نوع سخت‌افزار نصب شده در این اسلات‌ها دارد)؛ درایو نوری: ۲۰ تا ۳۰ وات؛ فن: ۱۰ وات. فرم فاکتور فرم فاکتور جنبه‌ای از طراحی سخت‌افزار است که اندازه، شکل و دیگر مشخصات فیزیکی قطعات به خصوص در لوازم الکترونیکی مصرفی و بسته‌بندی الکترونیکی را تعریف و تشریح می‌کند. اتصال الکتریکی ایجاد تماس بین دو رسانا معمولاً با یک وسیلهٔ الکترو-مکانیکی است که برای اتصال پایانه‌های برقی و ایجاد یک مدار الکتریکی بین دستگاه‌ها از آن‌ها استفاده می‌شود. پاورهای ویرایش ۱٫۳ از شاخه+12 V ضعیف تری برخوردار و کانکتور خروجی در این مدل‌ها دارای ۲۰ پین می‌باشد؛ ولی پاورهای ویرایش ۲٫۰ که از +12 V پرقدرت تری برخوردار می‌باشند دارای کانکتور ۲۴ پین می‌باشند. قابلیتی در کابل‌های P1 وجود دارد که می‌توانند از ۲۰ پین به ۲۴ یا عکس، تغییر کنند. نیمه ماژولار: نیمی از کابل‌های منبع تغذیه به آن متصل است و بقیه آن بر اساس نیاز کاربر به قسمت خروجی متصل میشوند. ماژولار: هیچ‌کدام از کابل‌ها به منبع تغذیه سیم کشی نشده‌اند بلکه بر روی منبع تغذیه درگاه‌های کابل‌ها قرار گرفته‌است تا کاربر بنا به نیاز خود از کابل مورد استفاده کند. در صورتی که خروجی توان بالای غیرطبیعی شناسایی شود، منبع تغذیه سوئیچینگ آن را به عنوان یک اتصال کوتاه فرض می‌کند و قبل از آسیب دیدن خود را خاموش می‌کند. سوئیچ ولتاژ سوئیچ ولتاژ دکمه‌ای معمولاً قرمز است که وظیفه تعیین ولتاژ ورودی را بر عهده دارد. این سوئیچ برای کشورهای قاره آمریکا بر روی ۱۱۰ ولت و برای کشورهای دیگر بر روی ۲۲۰ قرار می‌گیرد. تنظیم نامناسب این سوئیچ با ولتاژ ورودی باعث بروز مشکلات جدی در منبع تغذیه و سایر سخت‌افزارهای رایانه می‌شود. منبع تغذیهٔ مجهز به چند ریل، احتمالاً دو یا چند سیستم برای ارائهٔ خروجی ۱۲ ولت دارد. از آنجایی که ترانزیستور سوییچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می‌کند (در حالت قطع جریان عبوری از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روی آن کم است) بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می‌گردد. سایر مزایای آن عبارتند از حجم و وزن کمتر (به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد) و گرمای ایجاد شده کمتر (به دلیل بازده بالاتر). معایب آن عبارتند از پیچیدگی زیاد مدار و امکان تداخل الکترومغناطیسی و همچنین ایجاد موجک (ریپل) در فرکانس سوییچینگ و هارمونیک‌های آن. بازدهی بالاتر : بدون شک در دنیای امروزی نیاز ما به انرژی زیاد شده‌است و در نتیجه باید مدیریت بهتری روی مصرف انرژی الکتریکی داشته باشیم، پس اگر بخواهیم در طراحی مدار میزان مصرف انرژی را مد نظر قرار دهیم، باید در مدارمان جایی برای منبع تغذیه سوئیچینگ در نظر داشته باشیم. اندازه کوچکتر و وزن کمتر : برای تبدیل ولتاژ ۱۲ ولت DC به ۵ ولت DC با جریان حداکثر ۱ آمپر می‌توان از یک رگولاتور خطی استفاده کنیم که البته از اتلاف بسیار بیشتری نسبت به رگولاتورهای سوئیچینگ برخوردار است. | ## بخش 3: منبع تغذیه سوئیچینگ | اما برای مثال اگر بخواهیم برق شهر که دارای ولتاژ ۲۲۰ ولت AC هست را به ۵ ولت DC تبدیل کنیم ابتدا به یک ترانس با وزن و حجم نسبتاً زیاد و سپس یک یکسو ساز و خازن ظرفیت بالا نیاز داریم. روی هم رفته این مدار فضای زیادی را اشغال می‌کند ولی با طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ با همین مشخصات در یک فضای حداکثر ۲ در ۳ سانتیمتر با وزن بسیار کمتر قابل پیاده‌سازی است. قیمت ارزان‌تر: اگر بخواهیم از یک ترانس برای تبدیل AC به DC استفاده کنیم در شرایطی که جریان خروجی ترانس بیش از ۲ آمپر باشد ترانسفورماتور به تنهایی و بدون در نظر گرفتن مدار یکسوساز و تثبیت‌کننده علاوه بر وزن بسیار سنگین در بسیاری از موارد قیمت دو تا چند برابری نسبت به مدارات سوئیچینگ در برخواهد داشت. اگر یک مدار حساس به تداخل فرکانسی دارید بهتر است از یک منبع تغذیه خطی استفاده کنید. به عبارت دیگر فرکانس کاری بالاتر به معنای ابعاد کوچک‌تر است.ولتاژ خروجیدر صورت استفاده از ترانسفورمر، می‌توان در خروجی به هر ولتاژ دلخواهی دست یافت. ولتاژ خروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت، تنظیم می‌گردد که این سبب می‌شود بازده منبع تغذیه به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد محدود شود. ترانزیستورها یا کاملاً روشن (حالت اشباع) هستند یا کاملاً خاموش (حالت قطع) بنابراین تلفات اهمی بین ورودی و بار وجود ندارد. حرارت ایجاد شده ناشی از ویژگی‌های غیر آرمانی اجزای مدار و همچنین جریان حالت دایم مدار کنترل‌کننده می‌باشد.تلفات سوییچینگ در ترانزیستورها (به خصوص در بازه زمانی کوتاهی از هر دوره تناوب که ترانزیستور در حال‌گذار است)، مقاومت حالت روشن ترانزیستورها، مقاومت معادل سری در سلف‌ها و خازن‌ها، تلفات هسته در سلف‌ها و افت ولتاژ روی دیودها همه و همه سبب می‌گردند که کارایی یک منبع تغذیه سوییچینگ نوعاً بین ۶۰ تا ۷۰ درصد باشد. با وجود این با یک طراحی بهینه مثلاً استفاده از فرکانس سوییچینگ بهینه، اجتناب از اشباع سلف‌ها و یکسوسازی فعال، می‌توان به بازده ۹۵ درصد هم رسید.پیچیدگییک منبع تغذیه خطی تنظیم نشده می‌تواند صرفاً از یک دیود و یک خازن تشکیل شود. یکی از این ولتاژهای خروجی باید برای تثبیت ولتاژ حلقه بازخورد استفاده شود.تداخل فرکانس رادیوییدر بار زیاد، دیودهای یکسوساز ممکن است تداخل فرکانس بالای ناچیزی ایجاد کنند. در صورتی که خروجی فیلتر نشود می‌تواند در مدارات صوتی ایجاد نویز نموده و در مدارات دیجیتال نیز نوسانات ناخواسته ایجاد نماید.به کمک خازن‌ها و سایر مدارات پالاینده (فیلترینگ) می‌توان نویز را حذف نمود. چنانچه عایق بین سیم پیچی اولیه و ثانویه از بین برود، خطر برق گرفتگی وجود دارد که البته با طراحی صحیح می‌توان جلو آن را گرفت. دو خازن که یکی به فاز و دیگری به نول وصل است به هم سری شده‌اند سر وسط یرای اتصال به زمین در نظر گرفته شده‌است. این یک تقسیم ولتاژ خازنی ایجاد می‌کند که خط مرجع دستگاه را به ولتاژی برابر نصف برق شهر متصل می‌کند. امپدانس بالای این خط در کاربر یک حالت گزش خفیف ایجاد می‌کند و می‌توان از آن برای راه اندازی یک نمایشگر خطای زمین استفاده کرد.خطر آسیب به تجهیزاتبسیار پایین است مگر اینکه بین سیم پیچی اولیه و ثانویه اتصال کوتاه پیش بیاید یا اینکه رگولاتور خراب شود.ممکن است بعلت خرابی دستگاه، ولتاژ خروجی زیاد شود. در برخی موارد ولتاژ شناور می‌تواند به طبقه ورودی آمپلی‌فایرها آسیب برساند.ولتاژ شناور توسط خازن‌هایی ایجاد می‌شود که اولیه و ثانویه منبع تغذیه سوییچینگ را به هم وصل می‌کنند. نکته حائز اهمیتی که باید به آن توجه داشت نحوه برگشتن از حالت‌های اضطرای به حالت عادی است. پس از بر طرف شدن مشکل اتصال کوتاه برای بازگشت به حالت عادی باید ورودی منبع تغذیه قطع شده و مجدداً پس از چند ثانیه وصل گردد تا دستگاه روشن شود. +آیتمتوضیحاتمنبع تغذیه سوئیچنگ کف خواب (کفی) صنعتیمنبع تغذیه سوئیچنگ ریلی صنعتیمحدوده مورد قبول ولتاژ ورودی (Input Range Voltage)محدوده ولتاژی که دستگاه در آن می‌تواند به درستی کار کند۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت (با تلرانس ۱۵ درصد) که توسط کاربر انتخاب می‌شودبه‌طور معمول در بازه وسیعی از ۱۰۰ تا ۲۴۰ ولتحفاظت افت ولتاژ ورودی (Brownout Voltage Protection)حفاظت خود منبع تغذیه از افت ولتاژ ورودیممکن است در برخی مدل‌ها وجود داشته باشدوجود داردحفاظت اتصال کوتاه (Short Circuit Protection)در صورت اتصال کوتاه سیم‌های خروجی منبع تغذیه خاموش شوددر برخی مدل‌هاوجود داردحفاظت اضافه جریان خروجی (Over load Protection)وقتی که جریان خروجی به مقدار غیرمجاز خود برسد جریان خروجی به اندازه مجاز خود بر می‌گردد.در برخی مدل‌هادر برخی مدل‌هاحفاظت اضافه ولتاژ خروجی (Overload Protection)وقتی که ولتاژ خروجی به مقدار غیرمجاز خود رسید ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد.وجود داردوجود داردقابلیت شروع نرم (Soft Start)سافت استارتدر برخی مدل‌هادر برخی مدل‌ها و برندهاقابلیت شروع با وقفه (Delay Start)در لحظه شروع خروجی وقتی متصل می‌شود که ولتاژ ثابت شده باشددر برخی مدل‌هادر برخی مدل‌هامیزان ریپل خروجی (Ripple)میزان نوسانات ولتاژ خروجیکمتر از ۲۵۰ میلی ولتکمتر از ۲۵۰ میلی ولتنحوه بازگشت به حالت نرمالنحوه بازگشت منبع تغذیه به حالت عادی پس از رفع مشکل (در صورت وجود محاظت مورد نظر)باید برق ورودی قطع و مجدداً پس از چند ثانیه وصل شودبه‌طور خودکار انجام می‌شودایمنی نصب و راه اندازیاحتمال اتصال ورودی‌ها با خروجی هنگام نصب و استفادهایمنی پایین‌ترایمنی بالاترجایگاه ترمینال‌هامحل قرارگیری ترمینالهاترمینال‌های ورودی و خروجی در یک سمت دستگاهدر برخی مدل‌های به جهت ایمنی بیشتر ترمینال‌های ورودی و خروجی جدا از هم قرار داردتعداد ترمینال‌هاتعداد ترمینال‌های ورودی و خروجیبسته به مدل از ۵ ترمینال به بالا (فاز – نول – ارت – مثبت – منفی)بسته به مدل از ۵ ترمینال به بالا (فاز – نول – ارت – مثبت – منفی)ابعادمتوسط و بزرگکوچکراحتی نصب و کاربردسختراحتطول عمرکمزیادکاربردوسایل غیر حساس مانند تابلوهای LED،تجهیزات حساس مانند PLC, HMI، سنسور PFC فعال PFC فعال موجب می شود تا توان واقعی ایجاد شود. | ## جمع‌بندی | برای مثال ممکن است منبع تغذیه سوئیچینگی که 500 وات است 450 وات استفاده کند اما با PFC فعال، دقیقا همان مقدار ذکر شده مصرف می شود.