انواع و اجزاى منابع تغذيه سوئيچينگ

یک منبع تغذیه سوئیچینگ که روش کارکرد آن باز یا بسته شدن یک سوئیچ الکترونیکی است می توانند به صورت تئوری صد درصد بازدهی داشته باشند و در عمل نیز می توانند تا حدودا ٩٧درصد راندمان داشته باشند. منابع تغذیه سوییچینگ شامل قطعاتی مانند سلف، خازن و سوییچ می شوند و فقط انرژی را در خود ذخیره و یا انتقال می دهند و شامل اجزای مقاومتی که انرژی را بصورت گرما اتلاف می کنند نمی شوند. یک سوئیچ الکترونیکی می تواند یک دیود، ترانزیستور، ماسفت باشد که در ناحیه غیر خطی کار میکنند . منابع تغذيه سوئيچينگ می توانند در حالت باز بودن با اختلاف ولتاژ تقريبا نزدیک به صفر جریان را عبور دهند یا در صورت بسته بودن هیچ جریانی را از خود عبور ندهند. در هر دو صورت بر خلاف کارايى یک منبع تغذيه خطی، منابع تغذيه سوئيچينگ هیچ توانی را تلف نمی کنند. جهت فیلتر کردن چنین ولتاژ خروجی از یک فیلتر پایین گذر استفاده می کنیم به اين دليل كه بتوانیم یک مقدار DC با تغییرات خیلی کم به مصرف کننده ارائه بدهیم. با افزايش فرکانس سوئیچینگ می توانید مقادیر سلف و خازن فیلتر پایین گذر را کاهش دهید بنابراين این کار باعث کوچک تر شدن قطعات می شود

تصور كنيد می خواهید یک منبع تغذیه با ولتاژ ۱۵ ولت ۳ آمپر طراحی کنید با توجه به بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوییچینگ اجزای زیر را نیاز دارید.

وظيفه فیلتر ورودی حذف نوسانات فركانس بالا و نويز هايى كه توسط سوئيچهاى قدرت توليد شده است و نگذارد كه این نویزهاى توليد شده به شبکه قدرت ورودی برگردند.

وظيفه پل دیود تبديل موج سینوسی ورودی به یک ولتاژ DC البته با ریپل بالا است. پیک این ولتاژ DC برابر با ۳۱۰ ولت خواهد بود زيرا ولتاژ ورودی آن سینوسی ۲۲۰ ولت است بنابراين پیک آن برابر ۲۲۰*۱.۴۱ است. جریان عبوری از پل دیود در این مثال حدودا برابر ۰.۲ آمپر است که در مقايسه با مبدل مشابه خطی بسیار کمتر است.

این مدل خازن ریپل ولتاژ بعد از پل دیود را کاهش میدهد اصولا طوری خازن را قرار میدهیم که ولتاژ توليد شده بعد از پل دیود مقدارى کمتر از ۱۰ درصد ریپل داشته باشد . در این نمونه خازن باید ولتاژ ۳۱۰ ولت را تحمل کند به همین دلیل در منبع تغذیه سوییچینگ خازن کوچکتری نياز داریم تا همان انرژی را ذخیره کند.

سوئيچ قدرت میتواند ماسفت یا IGBT باشند که با سرعتی تقريبا معادل چند ده کیلوهرتز قطع و وصل میشوند و ولتاژ مربعی فرکانس بالایی تولید میکنند . در این نمونه سوییچ قدرت باید ولتاژ تقريبى ۴۵۰ ولت و پیک جریان ۱ آمپر را تحمل کند.

این ترانس ها که معمولا روی هسته فریت یا پودر آهن پیچیده میشوند نسبت به ترانس های فرکانس پایین خطی،ارزان،سبك، بسیار کوچک و با راندمان بالا هستند.

این مدل دیودها ولتاژ فرکانس بالای بعد از ترانس را دوباره به شکل DC تبدیل میکنند و این دیودها باید سریع باشند و زمان بازیابی معکوس کوچکی داشته باشند زيرا در غير اين صورت موجب آسیب دیدن کل مدار میشوند. در این مثال این دیودها باید جریانى تقريبا معادل ۳ آمپر را تحمل کنند.

فیلترهاى خروجی در مبدل هاى سوئيچينگ میتوانند از یک خازن یا سلف-خازن تشکیل شوند و در مقايسه با فیلتر های منابع تغذیه خطی بسیار کوچکترهستند چون كه قرار است یک فرکانس بالای چند ده کیلوهرتز را حذف کند نه يك فرکانس ۱۰۰ هرتزی که در منبع تغذیه خطی است.

منابع تغذیه سوییچینگ بايد دارای یک واحد کنترلی باشند که وظیفه آنها تثبیت ولتاژ خروجی در برابر تغییرات دما، بار،ولتاژ ورودی و… است. این واحدهاى كنترل میتوانند به صورت آنالوگ و يا ديجيتال باشد و زمان روشن و خاموش شدن سوییچ های قدرت را تعیین میکنند.

منابع تغذیه سوئیچینگ به طور کلی به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند

عناصر اصلی این منابع عبارتند از

١. منبع سوئیچ جهت تهیه موج PWM
٢.القاگر (در منابع پیشرفته القاگر جای خود را به ترانس می‌دهد)
٣.ترانزیستور قدرت
٤.خازن ذخیره کننده‌ی انرژی در خروجی
٥.شبکه‌های حس کننده و عمل کننده بازخورد

نماى کلی یک منبع سوئیچینگ forward درشکل زیرترسيم شده است. زمانى که سوئيچ باز است، با برقراری جریان از به وسيله دیود، انرژی از سوی القاگر تامین می‌شود و در مرحله بعدی با بسته شدن سوئيچ، انرژی دوباره به وسيله منبع ورودی وارد القاگر مى گردد.

 منبع سوئيچينگ فلاى بك 

نماى كلى یک منبع سوئیچینگ flyback در شکل زیر ترسيم شده است. با بسته شدن كليد، جریان در القاگر برقرار شده و در این وضعيت دیود قطع می‌شود. با باز شدن كليد، خازن شارژ شده و بار تغذیه می‌گردد

منابع تغذیه سوییچینگ بازده بالایی دارند اما از اجزای بیشتر و پیچیده تری نسبت به منابع تغذیه خطی تشکیل شده اند بنابراين ممکن است در توان های پایین مزیت زیادی نسبت به منابع تغذیه خطی نداشته باشند. اما در توان های بالا قاعدتا نسبت به منابع تغذیه خطی برتری چشم گیری دارند. سبکی،حجم كوچك ، قیمت مناسب و ارزان و تثبیت عالی ولتاژ خروجی مهمترین مزیت منابع تغذیه سوییجینگ در توان های بالا مى باشد.