منبع تغذیه (Power supply)و کاربرد منبع تغذیه

 منبع تغذیه (Power Supply) چیست ؟

منبع تغذیه (Power Supply) دستگاهی است که به عنوان منبع انرژی الکتریکی ، برای تأمین انرژی الکتریکی ِ یک یا چند بار الکتریکی بکار می رودبه عبارتی عملکرد اولیه تمام منبع تغذیه ها تبدیل انرژی الکتریکی می باشد که خروجی آن برای تغذیه و راه اندازی مدارات الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد . اصطلاح منبع تغذیه اغلب برای وسایلی که حالتی از انرژی الکتریکی را به حالتی دیگر تبدیل می کنند بکار می رود که البته می تواند برای دستگاه هایی که یک فرم دیگر انرژی (نظیر: مکانیکی، شیمیایی، خورشیدی) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، نیز بکار رود. منبع تغذیه قابل کنترل (regulated power supply) می تواند ولتاژ یا جریان خروجی را در یک مقدار مشخص تنظیم نماید، یک منبع تغذیه تنظیم شده، برای کنترل ولتاژ خروجی یا جریان تا یک مقدار خاص است.

ویژگی ‌های منبع تغذیه :

• مقدار ولتاژ و جریانی که منبع تغذیه می‌تواند برای بار خود تامین کند.
• چگونگی پایداری ولتاژ خروجی و یا جریان منبع تغذیه زیر خط‌های مختلف و شرایط بار متفاوت.
• منبع تغذیه چه مدت می‌تواند انرژی را بدون سوخت گیری و یا شارژ تامین کند 

ویژگی هایی مانند: ولتاژ خروجی، حداکثر جریان خروجی، شکل موج خروجی، دقت و در عین حال پایداری مشخصات خروجی و… در منابع تغذیه نیاز بار اعمالی (همان وسیله ای که توسط منبع تغذیه، تغذیه می شود) را تامین می کند.

هر منبع تغذیه باید انرژی ای که برای تغذیه ی بار فراهم می آورد به همراه انرژی مورد نیاز دیگر برای انجام کار خود را از یک منبع انرژی تامین کند. برحسب طراحی ، منبع تغذیه باید انرژی را از یکی از راه های زیر تامین کند:

• سیستم های انتقال انرژی الکتریکی : مثال معمول آن شامل منابع تغذیه ای است که ولتاژ خطوط AC را به ولتاژ DC تبدیل می کنند.
• دستگاه های ذخیره انرژی مانند باتری (battery) و پیل های سوختی (fuel cell)
• سیستم های الکترومکانیکی مانند ژنراتور ها (generator) و آلترناتورها (alternator)
• انرژی خورشیدی(solar energy)

منبع تغذیه می تواند به صورت یک واحد متصل به یک سیستم الکتریکی باشد و یا می تواند به صورت یک سیستم جداگانه انرژی الکتریکی سیستم دیگر را تامین نماید. منبع تغذیه الکتریکی به دو دسته منبع تغذیه جریان مستقیم DC و منابع تغذیه جریان متناوب AC تقسیم می شوند . منبع تغذیه DC می تواند باتری و یا یک مدار الکتریکی باشد که ولتاژ متناوب برق شهر را به ولتاژ مستقیم DC تبدیل می نماید .

منبع تغذیه DC نوع دوم که برق شهر را به ولتاژ DC تبدیل می کنند از پرکاربرد ترین منابع موجود در جهان می باشند که بر روی بیشتر وسایل الکتریکی چه به صورت یک واحد یکپارجه و چه به صورت یک واحد مستقل دیده می شود. در مثال اول می توان به POWER کامپیوتر های رومیزی اشاره نمود که یک منبع تغذیه یکپارچه با سیستم کامپیوتر است و در مثال دوم می توان به شارژر لپ تاپ ها اشاره کرد که در اصل یک منبع تغذیه مستقل و جدا از سیستم است .

انواع منبع تغذیه

منبع تغذیه را با توجه به نوع نمایش مقادیر ولتاژ و جریان می توان به دو دسته منبع تغذیه آنالوگ و منبع تغذیه دیجیتال تقسیم نمود که در منبع تغذیه نوع آنالوگ مقادیر ولتاژ و جریان توسط دو عقربه قرار گرفته بر روی صفحه مدرج نمایش داده می شود و در منبع تغذیه دیجیتال مقادیر ولتاژ و جریان توسط Seven Segment و یا LCD نمایش داده می شود . به طور معمول خروجی این منابع تغذیه دارای سیستم حفاظتی است و در صورتی که خروجی اتصال کوتاه شود، در بعضی منبع تغذیه ها قابلیت جریان دهی وجود دارد و در برخی جریان خروجی صفر می شود.

منبع تغذیه DC

برخی از منبع تغذیه DC از برق اصلی به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند.چنین منبع تغذیه ای گاهی از یک ترانسفورماتور برای تبدیل ولتاژ ورودی به یک ولتاژAC بالاتر یا پایین تر استفاده می کنند. برای تبدیل ولتاژ متناوب به ولتاژ مستقیم ضربانی از یکسوساز (rectifier) استفاده می شود و به دنبال آن یک فیلتر (filter) متشکل از یک یا چند خازن (capacitors), مقاومت (resistors) و گاهی القاگر (inductors)برای فیلتر کردن بیش تر ضربان قرار می گیرد. باقی مانده ولتاژ متناوب کوچک ناخواسته در فرکانس برق اصلی یا دو برابر آن (بسته به این که از یکسو سازی نیم موج یا تمام موج استفاده شود) به ناچار در ولتاز خروجی مستقیم سوار می شود.

برای اهدافی مانند شارژ باتری ، این موج مشکلی ایجاد نمی کند و ساده ترین مدار منبع تغذیه غیر تنظیمی DC شامل یک ترانسفورماتور که یک دیود (diode)سری شده با یک مقاومت را تغذیه می کند ، کافی خواهد بود. منبع تغذیه DC دارای خروجی متغیر یا ثابت می باشند. بدین معنی که در منبع تغذیه DC خروجی ثابت سیگنال DC با دامنه و جریان ثابت (مثلا 53V/A) بدست می آید اما در منبع تغذیه DC خروجی متغیر میزان جریان یا ولتاژ در بازه ای متغیر بوده و توسط پیچی مقدار مطلوب حاصل میگردد. بسته به تعداد کانال های خروجی به منبع تغذیه های DC آزمایشگاهی، تک کانال و دوبل تراکینگ (دو کانال متغیر) می گویند.

جهت تنظیم ولتاژ با استفاده از پیچ یا کیبورد مقدار مورد نظر را ست نموده و برای محدود کردن جریان دو سر پراب قرمز مشکی که به سر مثبت منفی پاور وصل شده، را اتصال کوتاه کنید و با پیچ جریان مقدار مطلوب را مشخص کنید. جریان بعد از قطع اتصال پراپ یا در مدار قراردادن منبع تغذیه، نشان داده نمی شود. فقط زمانی که منبع تغذیه جریانی بیش از حد تعریف شده بکشد، مقدار نشان داده شده به این معناست که جریانی که تعیین کرده بودید کم بوده است که یا باید جریان را بیشتر کنید یا در طراحی مدار  اشتباهی رخ داده. البته از  زیاد کردن جریان بدون در نظر گرفتن شرایط مدار خودداری کنید که باعث صدمه زدن به بخشی از مدار نشود.

منبع تغذیه AC

منبع تغذیه AC، به طور معمول ولتاژ را از یک پریز برق می‌گیرد و آن را به ولتاژ مورد نظر کاهش می‌دهد. ممکن است مقداری فیلترینگ نیز انجام شود.

منبع تغذیه تنظیمی خطی

ولتاژ تولید شده توسط یک منبع تغذیه غیر تنظیمی، بسته به بار و تغییرات در ولتاژ تغذیه AC تغییر می‌کند. برای کاربردهای حساس الکترونیکی، برای تنظیم دقیق ولتاژ می‌توان از یک رگولاتور خطی (linear regulator) استفاده کرد و در مقابل نوسانات ولتاژ ورودی و بار آن را ثابت نگه داشت. همچنین رگولاتور تا حد زیادی نوسان و نویز جریان مستقیم خروجی را کاهش می‌دهد. رگولاتور خطی اغلب یک محدودیت جریان (current limiting) ایجاد می‌کند که از منبع تغذیه و مدار متصل به آن در برابر اضافه جریان حفاظت می‌کند.

یک منبع تغذیه سویچینگ

در یک منبع تغذیه سویچینگ (switched-mode power supply) یا SMPS، ورودی برق AC به طور مستقیم یکسو و سپس فیلتر می‌شود تا یک ولتاژ DC به دست آید. سپس ولتاژ DC به دست آمده توسط مدارات سویچینگ الکترونیکی با یک فرکانس بالا روشن و خاموش روشن می‌شود و در نتیجه یک جریان AC تولید می‌کند که از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا و یا القاگر عبور می‌کند. سویچینگ در فرکانس بسیار بالا (معمولا 10 کیلو هرتز تا 1 مگاهرتز) انجام می‌شود و بدین وسیله امکان استفاده از ترانسفورماتور و فیلتر خازن‌های بسیار کوچک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر از آن‌هایی که در منبع تغذیه خطی که با فرکانس برق کار می‌کنند، فراهم می‌شود. پس از سلف و یا سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور، برق AC فرکانس بالا یکسو و فیلتر می‌شود تا ولتاژ خروجی DC تولید شود. اگر SMPS از ترانسفورماتور فرکانس بالا با عایق کافی استفاده کند، خروجی آن از نظر الکتریکی از برق اصلی جدا می‌شود و این ویژگی اغلب برای ایمنی ضروری است.
منابع تغذیه سویچی معمولا تنظیمی هستند و برای ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی، منبع تغذیه از یک کنترلر فیدبکی (feedback controller) استفاده می‌کند که جریان کشیده شده توسط بار را پایش می‌کند.

SMPS ها برای کمک به حفاظت دستگاه و کاربر در برابر آسیب ، اغلب شامل ویژگی های ایمنی مانند محدودکننده جریان ( crowbar circuit) هستند. در صورتی که خروجی توان بالای غیرطبیعی شناسایی شود، منبع تغذیه سویچینگ آن را به عنوان یک اتصال کوتاه فرض می کند و قبل از آسیب دیدن خود را خاموش می کند. منبع تغذیه کامپیوترها اغلب یک سیگنال برق خوب (Power good) به مادربرد ارسال می کنند.

SMPSها دارای یک حد مطلق در حداقل خروجی جریان خود هستند. SMPSها تنها می توانند با خروجی بالاتر از یک سطح توان مشخص کار کنند. در شرایط بدون بار ، فرکانس مدار بسیار بالا می شود و باعث می شود که ترانسفورماتور به عنوان یک سیم پیچ تسلا (Tesla coil) عمل کند و باعث آسیب های ناشی از پرش ولتاژ بسیار بالا شود. منبع تغذیه سویچی با مدارهای حفاظتی ممکن است در زمان کوتاهی روشن شوند اما بعد از آن زمانی که هیچ باری تشخیص داده نشود خاموش گردند. می توان یک بار ساختگی خیلی کوچک مانند یک مقاومت سرامیکی یا لامپ 10 وات را به منبع تغذیه متصل کرد تا بتواند بدون اتصال بار اولیه کار کند.

ضریب توان (Power factor ) به یک موضوع نگرانی برای سازندگان کامپیوتر تبدیل شده است. منبع تغذیه سویچی به طور سنتی یک منبع هارمونیک توان خط بوده اند و ضریب توان بسیار ضعیفی دارند. مرحله ورودی یکسوساز، شکل موج جریان کشیده شده از برق را مختل می کند که این می تواند اثرات بدی بر بارهای دیگر داشته باشد. جریان تغییر شکل یافته باعث گرمایش اضافی در سیم و تجهیزات توزیع می شود. منبع تغذیه سویچی در یک ساختمان می توانند باعث کیفیت پایین توان برای دیگر مصرف کنندگان برق شود. ممکن است مصرف کنندگان با قبض های برق بالاتری برای یک بار ضریب توان کمتر مواجه شوند. برخی از منبع تغذیه سویچی برای بهبود شکل موج جریان گرفته شده از خط AC ، در مدارهای یکسوساز ورودی از فیلتر ها یا مراحل سویچینگ اضافی استفاده می کنند. این باعث افزایش پیچیدگی مدار می شود . بسیاری از منبع تغذیه کامپیوتر ساخته شده در چند سال اخیر ، دارای اصلاح ضریب توان هستند که در منبع تغذیه سویچی قرار دارد و در تبلیغات آن ها گفته شده که دارای ضریب توان 1 هستند.

منبع تغذیه ولتاژ بالا

یک منبع تغذیه ولتاژ بالا (high voltage power supply) دستگاهی است که خروجی آن صدها یا هزاران ولت است. برای جلوگیری از ایجاد قوس، خرابی عایق و یا تماس تصادفی انسان از اتصالات ویژه‌ای استفاده می‌شود. ویژگی‌های اضافی موجود در منبع ولتاژ بالا ، توانایی معکوس کردن قطب خروجی همراه با استفاده از بریکرهای مدار (circuitbreakers) و اتصالات ویژه (special connectors) برای به حداقل رساندن قوس و تماس تصادفی با دست انسان می‌باشد. برخی از منبع تغذیه برای کنترل ولتاژ خروجی، یک ورودی آنالوگ فراهم می‌کنند که باعث تبدیل آن‌ها به آمپلی‌فایرهای ولتاژ بالا و البته با پهنای باند بسیار محدود می‌شود.

منبع تغذیه قابل برنامه‌ریزی

منبع تغذیه قابل برنامه‌ریزی (programmable power supplies) امکان کنترل از راه دور ولتاژ خروجی را به وسیله یک سیگنال ورودی آنالوگ یا یک واسط کامپیوتری مانند RS232 یا GPIB فراهم می‌کنند. خواص متغیر شامل ولتاژ، جریان و فرکانس (برای دستگاه‌های با خروجی AC) هستند. این منابع تغذیه دارای مدارهای پردازنده، مدارهای برنامه‌ریزی ولتاژ/جریان، شنت جریان و خوانش مجدد ولتاژ/جریان هستند. ویژگی‌های اضافی می‌تواند شامل اضافه جریان، اضافه ولتاژ، حفاظت اتصال کوتاه و جبران دما باشد. منبع تغذیه قابل برنامه‌ریزی در شکل‌های از جمله ماژولار (modular)، بوردی (board-mounted)، دیواری (wall-mounted)، زمینی (floor-mounted) و یا چهارپایه‌ای (bench top) موجود هستند.
منبع تغذیه قابل برنامه‌ریزی می‌توانند DC، AC و یا AC با آفست DC را پوشش دهند. خروجی AC می‌تواند تک فاز یا سه فاز باشد. تک فاز معمولا برای ولتاژ کم استفاده می‌شود در حالی که سه فاز برای ولتاژهای بالاتر معمول است .
منابع تغذیه قابل برنامه‌ریزی در حال حاضر در کاربردهای بسیاری استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌ها عبارت‌اند از تست خودکار تجهیزات، پایش رشد بلور و آنالیز گرمایی تفاضلی.

منبع تغذیه اضطراری

منبع تغذیه اضطراری (uninterruptible power supply) یا UPS توان خود را از دو یا چند منبع به طور همزمان میگیرد. معمولا UPS به طور مستقیم از برق AC تغذیه می شود، در حالی که به طور همزمان یک باتری ذخیره سازی را شارژ می کند. در صورت افت یا قطعی برق اصلی ، باتری فوراً وارد مدار می شود و بنابراین بار هرگز دچار وقفه نمی شود. در مورد کامپیوتر ها ، UPS به کاربر زمان کافی را برای خاموش کردن مناسب سیستم می دهد.

سایر طرح های UPS ممکن است برای تغذیه پیوسته سیستم به صورت موازی با برق AC، از یک موتور احتراق داخلی (internal combustion engine) و یا توربین (turbine ) استفاده کنند. زنراتورهای متصل به موتور به طور معمول خلاص کار می کنند، اما به منظور حفظ کارکرد بدون وقفه تجهیزات حیاتی ، می توانند در عرض چند ثانیه به توان کامل برسند. چنین طرح هایی ممکن است در بیمارستان ها و یا مخابرات مرکزی یافت شوند.

مزایا منبع تغذیه DC:

•  قابلیت تنظیم ولتاژ و جریان خروجی
• تنظیم مقدار ولتاژ/جریان از طریق کیبورد یا پیچ تنظیم
• دارای نمایشگر مجزا
• قابل برنامه ریزی بودن : امکان افزایش/کاهش ولتاژ (طبق هر تابع دلخواه) در فواصل زمانی مختلف بصورت اتوماتیک. البته این مزیت شامل پاور سوپلای هایی می شود که قابل برنامه ریزی یا پروگرامبل هستند.
• قابلیت استفاده از هر کانال بصورت کاملا مجزا ، سری نمودن منابع(جهت افزایش دامنه ولتاژ)، موازی کردن ( افزایش محدوده جریان) و منفی-مثبت ( تولید سیگنال منفی

معایب منبع تغذیه:

• سنگین و بزرگ
• راندمان پایین نسبت به SMPS

کاربرد منبع تغذیه

در کار های آزمایشگاهی و مهندسی برق و الکترونیک همیشه نیاز به وجود منبع تغذیه احساس می شود تا مهندسین بتوانند توسط آن تغذیه مدارات الکتریکی و الکترونیکی را تامین و با تغییر پارامتر های منبع تغذیه، مدارات خود را تست نمایند. منابع تغذیه مورد نیاز در چنین محیط هایی ، همان منبع تغذیه DC با استفاده از برق شهر است که قابلیت تغییر پارامتر های منبع تغذیه مانند ولتاژ و جریان را دارا می باشد. به این منابع، منبع تغذیه DC متغیر گفته می شود. از این منابع در تمامی محیط های آزمایشگاهی و تعمیراتی استفاده می شود. برای مثال یک تعمیر کار موبایل به صورت مداوم از این منابع برای تست و روشن کردن مدارات موبایل استفاده می کند .

برای خرید منبع تغذیه و مشاهده قیمت منبع تغذیه به لینک های زیر مراجعه کنید: