مدارات منابع تغذیه خطی و سوییچینگ

منبع تغذیه خطی

مقدمه
انرژی الکتریکی معمولاً به صورتی که در نیروگاه تولید و توزیع شده، مورد استفاده واقع نمی شود. عملاً تمامی تجهیزات الکترونیکی جهت استفاده از انرژی الکتریکی به نوعی تبدیل نیازمندند. منبع تغذیه یا پاور ساپلای وسیله ای است که با استفاده از مدارات الکترونیکی، انرژی الکتریکی منبع ورودی را به شکل مناسب به بار (مصرف کننده) انتقال داده و یا تبدیل می کند. منبع تغذیه، جریان AC را به جریان DC تبدیل میکند. در تمامی مصارف، مدارات الکترونیک بنا به طراحی خاص خود، جهت راه اندازی به ولتاژ و جریان در سطوح معین نیاز دارند. به همین دلیل نیاز به استفاده از منبع تغذیه می باشد. در نگاه محدودتر، منبع تغذیه دس..تگاهی است که قادر است از یک ورودی ولتاژ متناوب یا مستقیم در محدوده معین، ولتاژهای مستقیم مختلف (قابل تنظیم) با سطوح جریان مختلفی تولید نماید. بعضی از تجهیزات الکترونیکی نیاز به منابع تغذیه با ولتاژ و جریان بالا دارند. بدین منظور باید ولتاژ AC شهر توسط ترانسفورماتور کاهنده به ولتاژ پایینتر تبدیل و سپس یک سوسازی شده و به وسیله خازن و سلف صاف و DC شود.
منبع تغذیه یکی از عناصر حیاتی در کامپیوتر نیز می باشد. فعالیت سایر عناصر به عملکرد منبع تغذیه بستگی دارد. منبع فوق تأمین کننده جریان الکتریسیته مورد نیاز هر یک از عناصر سخت افزاری است. بدون وجود منبع تغذیه، کامپیوتر مشابه جعبه ای مملو از فلز و پلاستیک خواهد بود. در کامپیوترهای شخصی، منبع تغذیه یک جعبه فلزی است که در گوشه Case قرار میگیرد. در اغلب سیستم ها در صورتی که در پشت سیستم قرار گرفته باشید، میتوان منبع تغذیه را مشاهده کرد. شکل زیر یک منبع تغذیه کامپیوتر را نشان می دهد.

تا سال 1972 ، منابع تغذیه خطی برای بیشتر دستگاه های الکترونیکی مناسب بودند. اما با توسعه کاربرد مدارهای مجتمع، لازم شد که خروجی این مدارها در برابر تغییرات جریان و یا ولتاژ شبکه برق بیش‌تر تثبیت گردد. آی سی‌های خانواده TTL به ولتاژ کاملاً تثبیت شده 5V احتیاج دارند. به منظور به دست آوردن ولتاژ ثابت‌تر، یک سیستم کنترل فیدبک در آی سی‌های تثبیت کننده به کار برده می شود. تا سال 1975 ، آی سی‌های موجود مثل 723 و CA3085 قادر به تثبیت ولتاژ ثابت توسط نمونه برداری از ولتاژ بودند. این منابع، منابع تغذیه تثبیت شده خطی نامیده می شدند.
امروزه تراشه‌های یکپارچه تنظیم ولتاژ برای جریان های تا 5 A در دسترس می باشند. این تراشه‌ها مناسب هستند، اما راندمانی زیر 50 % دارند اما تلفات حرارتی آنها در بار کامل زیاد است. منابع تغذیه خطی بر اساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی به وسیله یک نیمه هادی قدرت که در حالت خطی به کار گرفته شده است کار می کند که حاصل ضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان می باشد.دلیل این امر هم، عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوئیچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است. منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-Mode Power Supply) یا SMPS یک واحد تغذیه توان (PSU) است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهد. با استفاده از تکنولوژی سوئیچینگ میتوان ورودی AC را به ولتاژهای پایین تر DC تبدیل کرد. ولتاژهای 3/ 3، 5 و 12 ولتاژهای رایج می باشند. ولتاژهای 3/ 3 و پنج ولت عمدتاً توسط مدارات دیجیتال استفاده شده و ولتاژ دوازده ولت برای حرکت موتورهایی نظیر درایو دیسک ها و یا خنک کننده ها استفاده می گردد.
در یک منبع از نوع سوئیچینگ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است. دلیل نام گذاری این منابع به نام های خطی و سوئیچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.
استانداردهای مربوط به منبع تغذیه
بحث در مورد استانداردهای مربوط به منبع تغذیه بسیار گسترده می باشد که نمی توان به طور کامل به آنها اشاره نمود. هر یک از کشورهای صنعتی برای خود استانداردهایی به منظور کسب اطمینان از ایمنی کامل در هنگام کارکرد منبع تغذیه دارند. واژه ایمنی برای تجهیزات الکترونیکی به معنای آن است که محصولات تولید شده، ایجاد شوک نکند، آتش نگیرد و یا حالات ناخواسته را به کاربر تحمیل ننماید.
در مورد منبع تغذیه موارد ایمنی مضاعفی در نظر گرفته شده است، چرا که منبع تغذیه نه تنها نیازهای ایمنی خود، بلکه نیازهای ایمنی کلیه قطعاتی که از آن تغذیه می شوند را نیز تأمین می نماید. تعدادی از این استانداردها عبارتند از:
CUL ,D ,N ,S, FI,VDE ,NKO ,EMI ,BSI ,CSA ,FCC ,TUV ,CB ,UL ,CE,…
شرکت های معتبری مانند MeanWell دارای آزمایشگاه‌های بسیار پیشرفته ای می باشند که قادرند شرایط بسیار دشواری را جهت تست کیفیت کارکرد و راندمان یک پاور به وجود آورند و در صورت احراز این شرایط، تأییدیه خاص خود را صادر نمایند. به طور مثال نویز و ریپل خروجی پاور تأثیر مستقیم بر روی بازدهی و سرعت پردازشگرهای کامپیوتری دارند. همچنین مسئله تخلیه حرارت داخلی پاور بسیار مهم است، چرا که بعضی از دستگاه‌ها حرارت بسیار بالایی تولید می نمایند و تخلیه این حرارت به جهت افزایش راندمان کلی، بسیار حائز اهمیت می باشد.
همچنین تاکنون شش استاندارد متفاوت برای منبع تغذیه‌های استفاده شده در کامپیوتر مطرح شده است. اخیراً استاندارد ATX مطرح شده است. ATX یک استاندارد صنعتی است که مشخص می کند منبع تغذیه دارای خصایص فیزیکی به منظور مطابقت و استفاده در یک Case استاندارد ATX و همچنین دارای خصایص الکتریکی لازم برای کار و استفاده توسط یک برد اصلی ATX است. کابل های منابع تغذیه استاندارد بوده و به گونه‌ای طراحی می گردنند که احتمال نصب اشتباه آنان کاهش یابد. اغلب تولیدکنندگان نیز از کانکتورهای مشابه برای محصولات تولیدی خود نظیر دیسک درایوها، خنک کننده ها (تأمین 12 ولت) استفاده می نمایند.
نحوه انتخاب منبع تغذیه
شاخص اصلی یک منبع تغذیه «وات» است. وات معادل حاصل ضرب ولتاژ (بر حسب ولت) در جریان(بر حسب آمپر) است. برای انتخاب نوع منبع تغذیه می بایست مشخص گردد که بر روی سیستم چه امکانات سخت افزاری نصب میگردد. با توجه به عناصر سخت افزاری نصب شده و میزان مصرف هر یک می توان به عدد واقعی (وات منبع تغذیه) دست پیدا کرد. جدول 1- 1 برخی از عناصر سخت افزاری کامپیوتر را به همراه میزان مصرف مربوطه نشان می دهد. هر یک از قطعات به کار رفته در مدارات الکترونیک، مقدار توان مصرفی مشخصی دارند و میتوان با جمع کردن مقدار توان ها، توان مصرفی کل را محاسبه نمود. تولیدکنندگان منبع تغذیه در سراسر جهان توصیه می کنند پاوری را انتخاب نمایید که حداقل 10 درصد بالاتر از توان حداکثر مصرفی قدرت داشته باشد. با رعایت این نکته در دراز مدت راندمان و کارآیی یک پاور، به طور چشم گیری افزایش یافته و از بروز مشکلات جلوگیری می شود.

تکنولوژی سوئیچ کننده

تا قبل از سال 1980 منبع تغذیه ها سنگین و در آنها از ترانزیستور و خازن های بزرگ و سنگین استفاده می گردید. این نوع از منبع تغذیه ها ولتاژ ورودی 120 ولت و 60 هرتز را به جریان DC با 12 و 5 ولت تبدیل می کردند. امروزه از تکنولوژی سوئیچ کننده‌ها استفاده می گردد. به کمک تکنولوژی فوق، جریان با فرکانس 60 هرتز (هرتز معادل تعداد سیکل در ثانیه است) به یک جریان با فرکانس بالاتر تبدیل می گردد. با استفاده از تبدیل فوق این امکان به وجود خواهد آمد که یک ترانسفورمر کوچک قادر به کاهش ولتاژ ورودی از 220 (برخی کشورها 110) ولت به ولتاژ مورد نیاز در یک عنصر خاص در کامپیوتر باشد. در شکل زیر سه ترانسفورماتور کوچک (زرد رنگ) در قسمت وسط و دو خازن سیلندری در سمت چپ نشان داده شده است.
ولتاژ و جریانی را که یک منبع تغذیه ارائه می نماید معمولاً به صورت یک «برچسب» بر روی آن چسبانده می شود.