منبع تغذیه چیست و چه انواعی دارد؟

یکی از اصلی ترین بخش های یک سیستم الکترونیکی، بخش تغذیه آن است. انتخاب یک منبع تغذیه مناسب برای سیستم بر روی بهینه کار کردن سیستم و افزایش بهره وری آن تاثیر زیادی دارد.

علاوه بر مبدل های AC به DC، مبدل های DC به DC نیز می تواند برای تغذیه مدار به کار گرفته شود. برای مثال، اگر در یک سیستم ولتاژ DC در دسترس باشد، مبدل DC به DC انتخاب بهتری نسبت به مبدل AC است. به طور کلی، مبدل های AC به دو دسته رگوله شده (regulated) و رگوله نشده (unregulated) تقسیم می شوند و مبدل های رگوله شده شامل مبدل های خطی، سوئیچینگ و باتری می باشد. 

مبدل AC به DC

همان طور که از اسم این مبدل مشخص است، ولتاژ AC را می گیرد و توسط ترانسفورماتور آن را تا ولتاژ موردنیاز بار کاهش می دهد و به ولتاژ DC تبدیل می کند. یکی از دلایل وجود ترانسفورماتور جداسازی و ایزوله کردن خروجی از ورودی است. ولتاژ ورودی مبدل فرم سینوسی دارد که در شکل هم دیده می شود.

ولتاژ AC بعد از وارد شدن به مبدل توسط دیود یکسو می شود. به این معنا که قسمت های منفی سیگنال سینوسی به بالای محور منتقل و سیگنالی با قله های مثبت در خروجی یکسوساز دیده می شود.

پس از یکسوسازی، شکل موج ولتاژ هنوز دارای نوسان است که باید حذف شود. با گذاشتن خازن سر راه ولتاژ AC یکسو شده، نوسانات سیگنال کاهش پیدا می کند. مقدار خازنی که برای این کار در نظر گرفته می شود، معمولا بزرگ است. به همین دلیل در زمان افت ولتاژ AC می تواند تغذیه بار را تامین کند و اجازه افت ولتاژ به دو سر بار نمی دهد. در واقع هنگام افزایش ولتاژ ورودی انرژی در خازن ذخیره می شود و هنگام کاهش آن انرژی ذخیره شده در خازن مصرف می شود. بنابراین، در خروجی ولتاژ تا حد زیادی صاف شده و به ولتاژ DC نزدیک شده است. شکل زیر ولتاژ یکسوشده و ولتاژ بعد از خازن را نشان می دهد.

همچنان در ولتاژ بعد از خازن تغییراتی مشاهده می شود که به این تغییرات ریپل می گویند. در مبدل های رگوله شده، در این مرحله برای دستیابی به یک ولتاژ صاف و تمیز از رگولاتور استفاده می شود. با عبور ولتاژ از یک رگولاتور ولتاژ DC با ریپل خیلی کم به دست می آید.

مقایسه انواع منبع تغذیه

همانطور که گفته شده منبع تغذیه به دو دسته رگوله شده و رگوله نشده تقسیم می شوند. منابع رگوله نشده اساسی ترین نوع منابع تغذیه هستند ولی ولتاژی که به دو سر بار می دهند دارای ریپل زیادی است. در حالی که منابع رگوله شده می توانند بار را با ولتاژ ثابت تغذیه کنند و گزینه های زیادی برای طراحی آنها وجود دارد. مبدل های خطی در مقایسه با مبدل های سوئیچینگ پیچیدگی و نویز کمتری دارند اما از طرفی حرارت بیشتری را تولید می کنند. به طور کلی هر کدام از این مبدل ها مزایا و معایب خود را دارند و بنا به کاربرد مناسب ترین منبع تغذیه انتخاب می شود.

	رگوله نشده	رگوله شده
مزایا	• مدار ساده • دوام زیاد	• ولتاژ ثابت • در منبع تغذیه با کیفیت به کار برده می‌شود • بدون نویز • قابل تنظیم بودن ولتاژ و جریان خروجی • قابلیت تنظیم دقیق
معایب	• تغییر ولتاژ خروجی بسته به جریان بار	• پیچیدگی زیاد • هزینه زیاد

منابع ولتاژ رگوله شده :	خطی	سوئچینگ	باتری
مزایا	• قابل اعتماد • ریپل کم • نویز کم • پایدار	• اندازه کم و سبک • بازده بالا • قیمت کم در مقایسه با رگولاتور خطی • گستره ی زیاد ولتاژ ورودی	• قابل حمل • بی نیاز بودن به منبع توان
معایب	• بازده پایین • دارای هیت سینک بزرگ • اندازه بزرگ و سنگین • قیمت بالا	• مدار پیچیده • نویز زیاد	• دارای ولتاژ مشخص • عمر کوتاه • اتمام شارژ و افت ولتاژ خروجی

منابع ولتاژ رگوله نشده

در این نوع از منبع تغذیه از رگولاتور ولتاژ استفاده نمی شود و ولتاژ خروجی آن به ترانسفورماتوری که ولتاژ ورودی را کاهش می دهد بستگی دارد. ولتاژ منبع بدون رگولاتور باید با توجه به جریان مورد نیاز بار تعیین شود و معمولا ولتاژ خروجی با افزایش جریان مصرفی بار کاهش می یابد.

با وجود اینکه در این منابع دیود یکسوساز و خازن برای کم کردن ریپل استفاده می شود، خروجی همچنان دارای ریپل است. به همین دلیل بهتر است در سیستم هایی که به ریپل کم و دقت زیاد نیاز است، استفاده نشود. از مزیت های این دسته از منابع میتوان به دوام زیاد و قیمت پایین آن اشاره کرد. شکل زیر بلوک دیاگرام و روند تبدیل ولتاژ در منابع بدون رگولاتور را نشان می دهد.

منابع ولتاژ رگوله شده

اگر به منبع ولتاژ رگوله نشده یک رگولاتور ولتاژ اضافه شود، منبع ولتاژ رگوله شده ساخته می شود. در این نوع از منابع، ولتاژ خروجی به میزان جریان مصرفی بار وابسته نیست و مقدار ثابت و پایداری دارد. روند تشکیل ولتاژ بدون ریپل و رگوله شده در شکل زیر آمده است. یک مدار در نقش فیدبک از ولتاژ خروجی نمونه برداری می کند و به ثابت ماندن ولتاژ خروجی در یک مقدار مشخص کمک می کند. در بیشتر مواقع در کنار مدارات اصلی، مداراتی برای محدود کردن ولتاژ و جریان، حذف نویز و تنظیم خروجی وجود دارد.

منبع تغذیه خطی، سوئیچینگ، باتری

منابع ولتاژ رگوله شده به سه دسته خطی، سوئیچینگ و باتری تقسیم می شوند که از بین آنها منبع ولتاژ خطی پیچیدگی کمتر دارد اما با این حال هر کدام مزیت های خاص خود را دارد.

منبع ولتاژ خطی

منبع ولتاژ خطی در سیستم هایی که داشتن دقت بالا و نداشتن نویز اهمیت دارد، استفاده می شود. این منابع بهترین و پربازده ترین منبع نیستند اما عملکرد خوبی دارند و به دلیل اینکه در آنها از سوئیچ برای تنظیم ولتاژ خروجی استفاده نشده است به آنها خطی می گویند.

سال های زیادی است که منابع ولتاژ خطی به طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می شود. این منابع بدون نویز و به راحتی در دسترس هستند. از معایب آن ها می توان به حجیم بودن، تولید گرمای بیشتر و بازدهی پایین (گاهی اوقات 50 درصد)  در مقایسه با منبع ولتاژ سوئیچینگ و باتری اشاره کرد.

منبع ولتاژ سوئیچینگ

منابع ولتاژ سوئیچینگ دارای پیچیدگی زیادی هستند اما اگر به درستی طراحی شوند می توانند بازدهی برابر با 80 درصد داشته باشند. هر چند که از قطعات بیشتری نسبت به دیگر منابع تشکیل شده اند، اما اندازه آن ها کوچکتر و قیمت آنها پایین تر است. به دلیل اینکه این منابع در فرکانس های بالا کار می کنند، دارای نویز هستند و این نویز می تواند روی عملکرد مدارات دیگر تاثیر بگذارد. به همین دلیل در طراحی آنها باید اقداماتی برای کاهش نویز انجام گیرد. در این منابع ولتاژ خروجی و ورودی رنج گسترده ای را شامل می شود و همانطور که گفته شد نسبت به منابع خطی دارای بهره وری بیشتری هستند.

باتری

باتری یک واحد ذخیره انرژی است. با وجود اینکه نداشتن نویز یکی از مزیت های باتری است اما در بیشتر کاربردها به عنوان منبع تغذیه پیشنهاد نمی شود.

انتخاب منبع تغذیه

هنگام انتخاب نوع منبع تغذیه نیاز است که به چند مورد توجه شود. یکی از این موارد توان مصرفی بار یا مدار است که شامل ولتاژ و جریان مصرفی نیز می شود. علاوه بر آن محدوده های ولتاژ و جریان برای حفاظت از بار نیز اهمیت دارد. اندازه ی فیزیکی و میزان بازدهی مدار یکی دیگر از مواردی است که باید به آن توجه کرد. میزان نویزپذیری مدار نیز در انتخاب منبع تغذیه اهمیت دارد.

به طور کلی باید به این نکته توجه کرد که میزان جریانی که از منبع تغذیه کشیده می شود باید کمتر از بیشترین مقدار نامی آن باشد. در غیر این صورت منبع تغذیه بیش از اندازه گرم و دچار آسیب می شود.

مشخصات مهم یک منبع تغذیه

منابع تغذیه دارای مشخصات زیادی هستند که در اینجا به چند مورد از مهم ترین آنها پرداخته می شود.

جریان خروجی: بیشترین جریانی که می تواند به بار بدهد.

تنظیم بار: به میزان توانایی رگولاتور در ثابت نگه داشتن خروجی در هنگام تغییر جریان بار گفته می شود. این مقدار معمولا بر حسب میلی ولت اندازه گیری می شود و یا به عنوان بیشترین ولتاژ خروجی بیان می شود.

نویز و ریپل: اختلالات ناخواسته ای که به ولتاژ خروجی اضافه می شود، نویز گفته می شود و ریپل به صورت تغییرات کوچک ولتاژ خروجی تعریف می شود. این دو معمولا با هم اندازه گیری می شوند. در منابع ولتاژ سوئیچینگ با اندازه گیری پیک تا پیک (peak-to-peak) ولتاژ خروجی میزان نویز ناشی از سوئیچینگ به دست می آید.

محافظت در برابر اضافه ولتاژ: گاهی اوقات ولتاژ خروجی از مقدار نامی آن بیشتر می شود و به مدار آسیب می رساند. مدار محافظ در برابر اضافه ولتاژ به منبع تغذیه اجازه خروج از محدوده مجاز را نمی دهد و از بار در برابر اضافه ولتاژ محافظت می کند.

محافظت در برابر اضافه جریان: زمانی که اتصال کوتاهی رخ می دهد یا جریان بیش از اندازه از منبع کشیده می شود، این مدار از منبع و بار در مقابل اضافه جریان محافظت می کند.

بازده: به نسبت توان خروجی به ورودی منبع ولتاژ بازده گفته می شود. یک منبع ولتاژ سوئیچینگ با کیفیت دارای بازده 80 درصد است. سیستمی که بهره وری بالایی دارد، انرژی کمتری مصرف و هم چنین حرارت کمتری تولید می کند.

نویز و ریپل

هنگام تبدیل ولتاژ AC به DC به دلیل یکسوسازی و سوئیچینگ، نویز و ریپل به وجود می آیند و می توانند تاثیر مخربی روی عملکرد سیستم بگذارند. اگر میزان نویز و ریپل خیلی زیاد باشد، سیگنال های کوچک قابل تشخیص نخواهند بود و عمر مدار کاهش می یابد.

در زمان تبدیل ولتاژ AC به DC تغییرات سینوسی سیگنال به طور کامل حذف نمی شود و تغییرات کوچکی که در ولتاژ خروجی وجود دارد، ریپل نامیده می شود. در بیشتر مواقع میزان نوسان ولتاژ به میزان تطبیق منبع تغذیه با بار بستگی دارد.

نویز اختلالات ناخواسته ای است که به سیگنال اصلی اضافه می شود. نویز نسبت به ریپل غیرقابل پیش بینی تر و دارای تغییرات بیشتری است. نویز ناشی از سوئیچینگ معمولا در فرکانس های خیلی بالا اتفاق می افتد. شکل زیر نویز و ریپل را در یک منبع ولتاژ سوئیچینگ با کیفیت متوسط نشان می دهد.