منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه، یک عبارت عمومی برای توصیف مدارهایی است که از یک منبع ولتاژ در دسترس، ولتاژ DC با اندازه ثابت یا کنترل شده تولید می‌کنند. این ولتاژ DC خروجی در بسیاری از مدارها کاربرد دارد و تأمین آن ضروری است. برای مثال، تراشه‌های مدار مجتمع (ICها) که در مدارهای الکترونیکی به کار می‌روند، به یک ولتاژ DC استاندارد با دامنه ثابت نیاز دارند. در این آموزش با منبع تغذیه سوئیچینگ و انواع آن آشنا خواهیم شد.

در حالت کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد:

• منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply)
• منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا SMPS

محبوب‌ترین انواع رگولاتورهای ولتاژ ثابت و خطی در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ خروجی منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ مکمل، دقیق و پایدار بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود.

استفاده از تنظیم کننده‌ها یا رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به استفاده از مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شده‌اند عموماً کارامدتر و ساده‌تر است.

طیف گسترده‌ای از این رگولاتورهای ولتاژِ سه ترمیناله وجود دارند که درون آن‌ها مدارهای تنظیم ولتاژ و محدود کننده جریان تعبیه شده است. رگولاتورهای خطی متغیری نیز در دسترس هستند که ولتاژ خروجی آن‌ها از صفر تا یک مقدار ماکزیمم مشخص قابل تغییر است.

اینورتر منبع امپدانس

در الکترونیک قدرت، مبدل‌ها یا اینورترها دو نوع رایج و سنتی دارند: مبدل یا اینورتر منبع ولتاژ (یا تغذیه شده با ولتاژ) و مبدل یا اینورتر منبع جریان (یا تغذیه شده با جریان). این دو نوع مبدل معایبی دارند که منجر به معرفی یک پیکربندی جدید به نام مبدل یا اینورتر منبع امپدانس شده است. در این آموزش، اینورتر منبع امپدانس را معرفی خواهیم کرد.

اینورترهای منبع ولتاژ و جریان

شکل ۱ اینورتر منبع ولتاژ (V-Source Inverter) سه فاز را نشان می‌دهد. یک منبع ولتاژ DC با یک خازن نسبتاً بزرگ موازی شده که مدار مبدل اصلی (پل سه فاز) را تغذیه می‌کند. منبع ولتاژ DC می‌تواند باتری، پیل سوختی، یکسوساز دیودی و یا خازن باشد.

۱

در مدار اصلی از شش سوئیچ یا کلید استفاده شده است که هر کدام معمولاً از ترانزیستورهای قدرت و دیودهای هرزگرد تشکیل شده‌اند. اینورتر منبع ولتاژ در کاربردهای فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته این مبدل معایب و محدودیت‌هایی نیز دارد:

• ولتاژ AC خروجی کمتر از ولتاژ لینک DC است و نمی‌تواند از آن بیشتر شود. به عبارت دیگر، ولتاژ‌ DC ورودی باید بزرگتر از ولتاژ‌ خروجی AC باشد. بنابراین می‌توان گفت که اینورتر منبع ولتاژ در تبدیل DC به AC یک اینورتر کاهنده و در تبدیل AC به DC یک یکسوساز افزاینده است. در صورت لزوم، معمولاً قبل از اینورتر یک مبدل افزاینده یا بوست قرار داده می‌شود و به این ترتیب مقدار خروجی مطلوب AC به دست می‌آید. البته این مبدل هزینه سیستم را افزایش داده و بازده آن را کم می‌کند.
• قطعات سوئیچینگ بالا و پایین هر یک ساق (Leg) فاز نمی‌توانند با هم یک عمل (روشن یا خاموش) را انجام دهند. زیرا اتصال کوتاه رخ خواهد داد و ممکن است به قطعات آسیب جدی وارد شود. همین زمان مرده برای جلوگیری از اتصال کوتاه، سبب مواردی چون اعوجاج شکل موج می‌شود.
• لازم است از یک فیلتر LC در خروجی استفاده کرد تا شکل موج خروجی سینوسی باشد. این مورد سبب تلفات توان و کنترل پیچیده‌تر سیستم می‌شود.

منبع ولتاژ

همان‌طور که می‌دانیم، اجزای مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی دو نوع هستند: اجزای پسیو یا غیرفعال و اجزای اکتیو یا فعال. یک عنصر اکتیو، قادر است مدار را به صورت پیوسته تغذیه کند (مانند باتری، ژنراتور،  تقویت کننده و غیره). عناصر پسیو، قطعاتی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها و غیره هستند که نمی‌توانند انرژی الکتریکی تولید کنند و فقط آن را مصرف می‌کنند.

اجزای اکتیو، مهمترین اجزای مدار هستند که از آن‌ها برای تامین انرژی سایر اجزای متصل به مدار استفاده می‌کنیم. این عناصر، «منابع الکتریکی» نامیده می‌شوند که متشکل از دو نوع جریان و ولتاژ هستند. منبع ولتاژ، معمولاً رایج‌تر از منبع جریان است، اما هر کدام دوگان یا مکمل دیگری است.

یک منبع الکتریکی یا به اختصار «منبع»، دستگاهی است که توان الکتریکی مدار را به فرم منبع ولتاژ یا منبع جریان تامین می‌کند. هر دو نوع منابع ولتاژ و جریان را می‌توان در دسته منابع جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) قرار داد. برای مثال، باتری‌ یک منبع DC و پریز 230 ولتی روی دیوار خانه، یک منبع AC است.

گفتیم که منابع الکتریکی، انرژی الکتریکی مدار را تامین می‌کنند. اما یکی از مشخصه‌های جذاب منابع این است که انرژی غیرالکتریکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌کنند. برای مثال، یک باتری، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، در حالی که یک ماشین الکتریکی مانند ژنراتور DC یا AC، انرژی مکانیکی را به فرم انرژی الکتریکی تحویل می‌دهد.

با به کارگیری انرژی‌های تجدیدپذیر، می توان انرژی خورشید، باد و امواج را به انرژی الکتریکی یا گرمایی تبدیل کرد. همان‌طور که منابع، انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کنند، می‌توانند انرژی مصرف کنند یا تحویل دهند (جهت مبادله توان آن‌ها دوطرفه است).

منابع الکتریکی

منابع ولتاژ یا جریان را می‌توان در دو دسته مستقل یا نابسته (ایده‌آل) یا وابسته (کنترل شده)‌ نیز قرار داد.

وقتی درباره قوانین و تحلیل مدار صحبت می‌کنیم، معمولاً منابع را ایده‌آل در نظر می‌گیریم. به همین دلیل، منابع از نظر تئوری می‌توانند انرژی بی‌نهایت بدون تلفات به مدار تزریق کنند. مشخصه منابع ایده‌آل، یک خط راست است. در عمل، منابع چه جریان و چه ولتاژ باشند، یک مقاومت درونی دارند.