منبع تغذیه سوئیچینگ چیست

عامل حیات دستگاه های الکترونیکی منبع تغذیه موجود در آنهاست. منبع تغذیه یا power supply دستگاهی است که برای تامین ولتاژ مناسب درون محصولات الکترونیکی قرار میگیرد، قدرت آن بسته به ولتاژ مورد نیاز لوازم برقی است و تا ۱۵۰ آمپر را پشتیبانی میکند.

منبع تغذیه ولتاژ را تبدیل میکند، اما نقصی در کارکرد این محصول وجود دارد که باعث شده منبع تغذیه سوئیچینگ جایگزین آن شود. منبع تغذیه ساده، نمیتواند در زمان افت ولتاژ جریان را متوقف کند و هرچیزی که دریافت شود را به همان شکل خارج میکند. همین عیب باعث برتری منبع تغذیه سوئیچینگ شده است.

منبع تغذیه معمولی با اتلاف جریان به شکل گرما، میتواند ولتاژ خروجی را تنظیم کند. حداکثر توان این منبع میزان ولتاژ ورودی است و بازدهی ولتاژ خروجی برابر است با ولتاژی که وارد دستگاه میشود. منبع تغذیه سوئیچینگ یا (Switched-mode power supply) با استفاده از یک عنصر اشباع کننده انرژی، مانند خازن یا سلف جریان ولتاژ را تنظیم میکند.

عناصر سوئیچینگ مدار که در خارج از ناحیه فعال کار میکنند، در حالت وصل مقاومتی ندارند و در حالت قطع هیچ جریانی در این قطعات عبور و مرور ندارد. منابع تغذیه سوئیچینگ در بالاترین رده بازدهی قرار دارند و به لحاظ تئوری میزان بازدهی آنها ۱۰۰% است.

قطعه سازنده بازدهی، ماسفت است. ماسفت یا ترانزیسور میدانی نیم رسانا، معروف ترین ترانزیسور برای کنترل جریان و سوئیچینگ است. جریان از میدان نیم رسانا عبور میکند و پس از ان به خروجی فرستاده میشود.

حجم کم ماسفت باعث کوچک تر شدن مدارها شده، در نتیجه منبع تغذیه سوئیچینگ محیط کمتری را اشغال میکند و سبک تر است.

نحوه کارکرد منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه چگونه کار میکند؟ سوالی جالب است که برای پاسخ به آن باید اطلاعات کاملی از شیوه کار منبع تغذیه داشته باشید. جواب تمام سوالات راجب روش عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ، در تیترهای زیر است. در منبع تغذیه سوئیچینگ سه مبدل وجود دارد که با استفاده از آنها جریان ورودی و خروجی کنترل میشوند.

مبدل باک

این مبدل نوعی کاهنده جریان است که ولتاژ DC وارد شونده را به ولتاژ DC کوچک تری تبدیل میکند و برای خروج آماده میکند. کلید نیمه رسانای به کار رفته در مبدل باک، یک دیود است. کلید و دیود، به یک پایین گذر متصل شده اند که نوعی فیلتر LC است و این فیلتر ریپل ولتاژ و جریان را کاهش میدهد. باک دو مود کلی دارد؛ مود اول کلید روشن و دیود خاموش است، مود دوم کلید خاموش و دیود روشن است.

در مود اول ولتاژ خازن مقیم و برابر ولتاژ خروجی است. در مود دوم انرژی اشباع شده در سلف آزاد میشود و بدون چارچوب بار جمع شده تلف میشود. این اتفاق پایداری را در عبور و مرور جریان میسازد.

مبدل بوست

بوست افزاینده جریان است و ولتاژ ورودی را در ابعاد بزرگتری به خروجی میفرستد. منبع ولتاژ به یک سلف وصل شده است که یک قطعه جامد موازی با آن قرار گرفته است. این مبدل dc به dc است و معمولا در تریستورها از مبدل های dc استفاده نمیشود. برای خاموش کردن یک تریستور در مدار dc/dc نیازمند یک کموتاسیون است که خود آن احتیاج به تریستور دیگری دارد.

در حالی که به سادگی میتوان ماسفت را به پایه های گیت و سورس متصل کرد و برای خاموش، IGBT را به پایه های گیت و کلکتور اعمال کرد. بوست مانند یک منبع با جریان ورودی ثابت است که اتصال سلف به منبع ورودی سازنده این جریان است. مود های مبدل بوست مانند باک است و تفاوتی بین آنها دیده نمیشود.

مبدل باک بوست

مدار باک بوست به نوعی طراحی شده است که توانایی دو مبدل باک و بوست را در خود جای دهد. باک کاهنده ولتاژ بوده و بوست نقطه مقابل آن، یعنی افزاینده ولتاژ است. مبدل باک بوست که از نوع DC به DC است به عنوان یک مبدل کاهنده یا یک مبدل افزاینده وابسته به چرخه d کار میکند.

کلید اول که منبع ولتاژ ورودی قرار گرفته است، به یک کلید حالت جامد (رله المان سوئیچینگ) متصل شده و یک دیود به عنوان کلید دوم بعد از آن نصب شده است. دیود در جهت مخالف جریان منبع به خازن جای‌گذاری شده است و در مسیر معکوس نتیجه بار است. کلید تحت کنترل با کمک مدولاسیون پهنای پالس روشن و خاموش میشود و پهنای پالس براساس زمان یا فرکانس است. پالس مبنی بر فرکانس، محدوده بسامدی برای دست گرفتن کنترل ولتاژ مطلوب خروجی دارد.

اکثرا برای مبدل های DC /DC از مدلاسیونی استفاده میشود که مبتنی بر زمان است؛ زیرا پیاده سازی این مدل ساده تر است و فرکانس پایدار است.

کاربرد های منبع تغذیه سوئیچینگ

در مکان هایی که گرما عنصری مخرب محسوب شود، منبع تغذیه سوئیچینگ حرفی برای گفتن دارد. این منبع تولید گرما را به حداقل میرساند و در زمانی که کم کم داغ شود، فن روشن شده و قطعات را خنک نگه میدارد.

بازدهی ۱۰۰% منبع تغذیه سوئیچینگ در مقابل دیگر منابع تغذیه که اتلاف انرژی دارند، باعث شده تا این محصول گزینه بهتری برای خرید به شمار آید. قطعات مفید و کاربردی که در تولید این مدار مصرف شده اند، حجم کوچکتری نسبت به بقیه قطعات دارند و به دنبال آن سایز مدار کوچک تر میشود. در نتیجه منبع تغذیه سوئیچینگ محصولی کوچک و پرفایده است که میتوان به راحتی آن را تهیه کرد و از مزایای آن بهره‌مند شد.

قیمت منبع تغذیه سوئیچینگ در برابر دیگر منابع تغذیه مناسب تر است و در عین حال کارایی گسترده تری دارد. قیمت مناسب این دستگاه در مقابل شایستگی های آن هیچ است و در خرید آن ریسک وجود ندارد. در تلویزیون، انواع تقویت کننده، رادیوها، موتورهای DC منبع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد. البته نمیتوان نقش آن را در بهینه سازی شارژر لپ تاپ ها نادیده گرفت. برای آگاهی از تاثیر آن، مقاله آداپتور سوئیچینگ چیست را بخوانید.

فرکانس مدار سوئیچینگ

اصطلاح فرکانس به معنای تعداد تکرار یک واقعه در واحد زمان است. اسم دیگر این تعریف، فرکانس زمانی است که بر روی تلاقی فرکانس زاویه‌ای و مکانی اصرار دارد. دوره تناوب مدت زمانی است که یک واقعه روند کاملی را دوره میکند و ۱ دور آن را طی میکند. به عنوان مثال، نرخ تصویر ۱۲۰ هرتز به معنای ۱۲۰ فریم در یک ثانیه است. هر ۶۰ دور در دقیقه ۱ هرتز است. فرکانس منبع تغذیه سوئیچینگ امری کلیدی و بسیار مهم است. فرکانس مدار سوئیچینگ باید بین ۵۰ تا ۶۰ هرتز باشد.

پایین تر از ۵۰ هرتز در ثانیه کاکرد صحیح دستگاه سوئیچینگ را مختل کرده و توان ولتاژ را به شدت پایین می آورد. بهترین محدوده برای فرکانس و میانگین آن ۵۵ هرتز است که تمام اجزای منبع تغذیه سوئیچینگ را هماهنگ نگهمیدارد.

فرکانس منبع تغذیه سوئیچینگ بالاتر از ۶۰، باعث افزایش جریان ولتاژ و ایجاد ناپایداری در مدار برد میشود. بهتر است در هنگام خرید فرکانس دستگاه را چک کرده و میزان آمپر را درخور دستگاه الکتریکی در نظر بگیرید.

تشریح مدار سوئیچینگ

• VIN: ورودی منبع تغذیه سوئیچینگ
• MOV: ویستور فلزی که وظیفه محافظت از مدار در برابر ضربه‌های ولتاژ را دارد.
• D3:این قطعه موج پل را یکسو میکند و خروجی جریان dc به خازن c2 عرضه میشود.
• D2: دیود سرکوب کننده، گذرا است و به صورت دائمی کار نمیکند.
• TNY 267: یک رله هفت پایه است که جریان برق از وسط آن رد شده و به مرحله بعدی میرود.
• دیودD1: اصلاح کننده جریان متناوب و صاف کننده ریپل خازن c1.
• دیود D5: از قطعات سازنده مدار بازخوردی.
• خازن C1 ، C2: کاهش دهنده پیک های جریان در زمان افت ولتاژ.
• خازنC3: خازن بای پس، در حالت DC کار میکند و در حالت AC خاموش میشود.
• D5: قطعه دیود است که بود و نبود آن عملکرد تاثیری ندارد، اما وظیفه محافظت از رگولاتور با به عهده دارد. زمانی که اختلالی در مدار ایجاد شود و ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر شود، این دیود روشن شده و جریان را محدود میکند.
• مقاومت ها: R1 و R2 قطعات به کار رفته در این مدار هستند و برای کم کردن جریان، تنظیم سیگنال و موارد دیگری نصب میشوند. زمانی که جریان از مقاومت عبور کند، قانون اهم اختلاف ولتاژی در بین پایه ها میسازد.
  قطعات مقاومت در تمامی مدارها ثابت نیستند، به نسبت ولتاژ و آمپر دستگاه تعویض میشوند.
• ترانزیسور: برای قطع، وصل یا تقویت سیگنال ها به کار میرود.
• ترانسفورماتور: تقسیم کننده جریان الکتریکی.

انواع منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ دو نوع کلی و شناخته شده دارد. فلای بک و فوروارد، شباهت های زیادی به یکدیگر دارند و در عین حال نقاط متمایز کننده‌ای در بین این دو منبع تغذیه سوئیچینگ مشاهده میشود. شباهت دو مدار بین قطعات دیده میشود. برای شناخت این قطعات به قسمت ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ بروید.

فلای بک

مدار منبع فلای بک بسیار ساده میباشد و پیچیدگی خاصی در آن دیده نمیشود. زمانی که سوئیچ بسته شود، جریان باقی مانده در القاگر برقرار میشود و به در این موقعیت دیود قطع خواهد شد. با باز شدن مجدد سوئیچ خازن شارژ شده و بار اشباع میگردد. فلای بک در منبع تغذیه سوئیچینگ وظیفه تقویت ولتاژ را بر عهده دارد و به دلیل تلفات زیاد در هسته، از فلای بک برای مبدل های توان پایین استفاده میشود.

فوروارد

دیود نقش اصلی در منبع تغدیه سوئیچینگ فوروارد را دارد. زمانی که کلید باز است از طریق دیود جریان برقرار میشود و القاگر انرژی را تامین میکند. پس از بسته شدن کلید انرژیف منبع ورودی ازنو انرژی را وارد القاگر میکند.

توپولوژی و نقش آن در منبع تغذیه سوئیچینگ

توپولوژی در ریاضیات به معنای فضای بین قطعات و جامدات است. در دنیای الکتریکی این تعریف فرق میکند و به معنای شکلی است که از شبکه اتصال اجزای مدار ساخته میشود.

تعریف توپولوژی در مدار به ارتباطات بین قطعات و نوع ارتباطات آنان محدود است. با تعویض قطعه یا تعمیر مدار، شکل توپولوژی عوض نمیشود؛ برای مثال زمانی که خازن و القاگر را جابه‌جا کنیم و فیلتر پایین گذر با به فیلتر بالا گذر تغییر بدهیم، توپولوژی شبکه همچنان یکسان و بدون تغییر باقی میماند.

توپولوژی هایی که برای منبع تغذیه سوئیچینگ مصرف میشوند، زیاد در مرکز توجه نبودند. معارفه ترانزیسور های دو قطبی باعث محبوبیت توپولوژی های این منبع تغذیه شدند و تغییرات زیادی برای تکامل به خود دیده‌اند.

در مدار فلای بک، سقف توان ۱۵۰ وات است و بیشتر از آن منبع تغذیه را میسوزاند. توپولوژی مناسب برای منبع تغذیه سوئیچینگ از نوع فلای بک، نیم پل است.

توپولوژی نیم پل:

توپولوژی نیم پل برای توان های ۱۰۰ تا ۴۰۰ ولت است و جریان پیک آن یک سوم فلای بک است. در جریان های بالاتر از ۴۰۰ ولت، جریان پیک نیم پل بیشتر میشود و احتمال آسیب به مدار بالا است.

علت پایین بودن جریان این است که توپولوژی به طور اثر گذار از ظرفیت ورودی بهره نمیگیرد.

توپولوژی تمام پل:

برای توان های بیش از ۴۰۰ ولت که حجم ورودی بالایی دارند، توپولوژی تمام پل استفاده میشود. توپولوژی تمام پل قیمت بالاتری دارد، اما توان توپولوژی قیمت را پوشش میدهد و دیگر به چشم نمی‌آید. این توپولوژی از تمام ظرفیت ورودی بهره میبرد و از آن استفاده میکند.

توپولوژِی پوش پول:

توپولوژی پوش پول در کنار تمام پل قرار میگیرد و گزینه دیگری است که میتوان برای جریان بالای ۱۵۰ ولت استفاده کرد. پوش پول بسیار ظریف میباشد و برای استفاده از آن باید دقت کافی را داشته باشید. اشتباهی کوچک در این توپولوژی ممکن است هزینه های سنگینی را بتراشد!

ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ و قطعات آن

برای ساخت یک منبع تغذیه، نیاز است قطعات مورد نیاز خود را بشناسید و درک کاملی از وظیفه هرکدام داشته باشید.

منبع سوئیچ برای تهیه موج PWM

مدولاسیون پهنای باند یا مدولاسیون پهنای عرض، شیوه ای برای تنظیم توان الکتریکی است که به بار داده میشود و با تغییر زمان یا قطع و وصل شدن، منبع توان با بار در هر سیکل عوض میشود. تصویر زیر نشان دهنده فرکانس موج pwm است.

القاگر

نام دیگر این قطعه سلف است و به آن سیم پیچ یا پیچه نیز میگویند. القاگر در برابر تغییرات جریان مقاومت میکند و سعی بر ثابت نگهداشتن آن دارد.

زمانی جریان برق از القاگر عبور کند، درون این قطعه یک میدان مغناطیسی ساخته میشود که انرژی را به طور موقت در خود ذخیره میکند.

ترانزیستور قدرت

ترانزیسور مهم ترین قطع در مدار سوئیچینگ است که برای قطع و وصل سیگنالها به کار میرود. ترانزیسور در دسته قطعات حالت جامد است و از مواد نیم رسانای سیلیسیم و ژرمانیم ساخته میشود.

ترانزیسور انواع مختلفی دارد اما تمامی آنها سه پایه هستند و اعمال جریان در ولتاژ و بین ورودی هارا افزایش میدهند.

خازن جمع کننده انرژی در زمان خروج جریان ac

خارن جمع کننده انرژی بر خلاف حجم و اندازه خود، کارایی و مسئولیت زیادی دارند. خازن جمع کننده انرژی بجز مدار، در دستگاه شوک بیمارستانی، تامین انرژی فلش دوربین و ماشین حساب های دستی کاربرد دارد. در منبع تغذیه سوئیچینگ، خازن جمع کننده انرژی وظیفه دارد مقداری از جریان یکسو شده برد را در خود ذخیره کند و در زمان لازم انرژی را مصرف کند.

شبکه های حس کننده و سازنده عمل بازخورد

این شبکه از ترکیب دو مقاومت و یک دیود ساخته شده است. مقاومت های R1 و R2 به همراه دیود D5 عوامل تشکیل دهنده مدار بازخوردی هستند.

مدار بازخوردی مانع خروج جریان در مرحله اول میشود، با کمک شبکه ساخته شده جریان را به سمت ورودی هدایت میکند تا دوباره یکسو و غربال شود. پس از این اقدام، جریان به خروجی فرستاده میشود و از منبع تغذیه سوئیچینگ خارج میشود. در تصویر زیر نحوه کار مدار بازخوردی به ساده ترین شکل ترسیم شده است.

• مدار متناسب با نیاز خود را تهیه کنید.
• قطعات مورد نیاز مانند خازن، مقاومت، دیودها و قطعات گفته شده را تهیه کنید و با هویه به مدار متصل کنید. دقت کنید هر قطعه در مکان مناسب خود قرار گیرد.
• مدار را شستشو دهید تا از چربی و گرد و غبار پاک شود.
• با دستگاه فرکانس متر میزان فرکانس مدار را اندازه بگیرید. این عدد باید بین ۵۰ تا ۶۰ هرتز باشد.
• پس از آن پورت ورودی و خروجی را متصل کنید و بار دیگر فرکانس را اندازه گیری کنید.
• دستگاه را به برق متصل کنید.

اگر تمام مراحل را دقیقا طی کرده اید و منبع تغذیه سوئیچینگ شما کار نمیکند، با توجه به ایرادی که مشاهده میکنید راهکارهایی که در ادامه داده میشود را دنبال کنید.

آموزش تعمیر منبع سوئیچینگ

مدارات منبع تغذیه سوئیچینگ از قسمت های مختلفی تشکیل شده اند، در صورت بروز مشکل، نمیتوانید مستقیما سراغ یک قطعه احتمالی بروید و انتظار داشته باشید با تعمیر آن مشکل حل شود. باید طی چندین مرحله تمام قطعات را تست کنید و پس از هویدا شدن آن، مشکل را حل کنید.

تست تمام قطعات

برای تست قطعات منبع تغذیه سوئیچینگ نیاز به مولتی متر دارید، البته بعضی قطعات در صورت خرابی باد کرده و تغییر شکل ظاهری آنها قابل مشاهده است.

1. تست خازن
   خازن بشکه ای در صورت خرابی باد میکند و واضح است که اشکالی در آن است.
2. تست دیود
   برای سلامت دیود، مولتی متر را بر روی حالت دیود قرار دهید و بسته به میزان اهم مقاومت سلامتی آن را بسنجید.
3. تست فیوز
   مولتی متر باید روی حالت بوق قرار گیرد و در صورت سالم بودن فیوز هر دو سر دستگاه بوق بزنند.
4. تست رگولاتور
   مولتی متر برای این تست باید روی ولتاژ قرار گیرد. دو رقم آخری که نشان داده میشود، ولتاژ نهایی و خروجی رگولاتور است.
5. تست ترانسفورمر
   نوک مولتی متر را بر روی پایه های ورودی ترانسفورمر قرار دهید و یک بار هم روی پایه های خروجی امتحان کنید. در صورت قرار گیری روی پایه ها دستگاه باید بوق بزند.
6. تست ترانزیسور
   ترانزیسور را از مدار جدا کنید تا بتوانید آن را تست کنید. پس از جدا سازی کامل، هر دو مدل pnp و npn را تست کنید.

تست خازن عدسی و پلاستیکی

مولتی آنالوگ را در رنج r و بر روی ۱۰k و از لحاظ اهمی آن را تست کنید. اگر در خازن اتصال کوتاه مشاهده شد، ابتدا پل دیودها و سپس ترانزیسور را بررسی کنید. ایراد در ترانزیسور میتواند مدار را بسوزاند و باعث آسیب جدی به همه قطعات وارد کند.

زمانی که منبع روشن نمیشود چه کنیم؟

ابتدا از اتصال بین کابل و پریز اطمینان حاصل کنید. سپس خازن ها را بررسی کنید و در صورت سوختگی آنها را تعویض کنید. در آخر باید فیوز را تست کنید و اگر علائم سوختگی داشت آن را جایگزین کنید.

منبع اتصالی دارد؟

احتمالا قسمت هایی از لحیم سردی کرده یا اتصال کوتاه وجود دارد.

باید چندین بار دکمه خاموش روشن را فشار دهید؟

خازن های ثانویه را بررسی کنید و در صورت سوختگی قطعات را تعویض کنید.

در خروجی ولتاژی مشاهده نمیشود؟

باید در ابتدا فیوز را تست کنید و آن را کلا تعویض کنید. مدار پل دیودی را تست کنید و در صورت ایراد تعویض کنید.

در صورت قطع فیوز چه اقداماتی انجام دهیم

ابتدا ptc را از لحاظ ظاهری بررسی میکنیم و کوچک ترین اثری روی آن نباید نادیده گرفته شود و باید تعویض گردد.

خازن صافی را تخلیه کنید و بوسیله اهم متر سلامت آن را بررسی میکنیم.

اگر ایرادی در خازن مشاهده نشد، احتمال اینکه پل دیود و خازن یا ptc ایراد داشته باشد زیاد است.

سپس پی تی سی را از مدار خارج کنید و در کنار گوش خود تکان دهید. اگر صدای برخورد ریزی شنیدید خرابی از این قطعه است.