درباره سیگنال کالا
سوالات متداول
قوانین
سیگنال کالا با توجه به نیاز موجود به اطلاعات دقیق و به روز در حوزه الکترونیک و همچنین در جهت گسترش دانش و امکان به کارگیری آن در این حوزه، اقدام به جمع‌آوری مقالات معتبری در این زمینه کرده است. مقالات مذکور،جهت سهولت دسترسی به اطلاعات دست اول و افزایش نوآوری و سهولت در استفاده از ابزار الکترونیکی برای مخاطبان ، توسط سیگنال کالا ترجمه شده و در اختیار عموم قرار گرفته است.
در مقاله زیر که در مورد طراحی منبع تغذیه‌ی مبدل AC به DC آورده شده است، موارد زیر مورد بررسی قرار گرفته اند:
- اصول پایه‌ای
- ایزوله کردن منبع تغذیه
- یکسوسازی
- منبع تغذیه سوئیچینگ
- حفاظت در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ
- حفاظت در برابر اضافه جریان
- راه‌حل‌های موجود
- اخذ مجوز برای دستگاه
در کاربردهایی که اتصال دستگاه الکتریکی از طریق سیم رابط به پریز ایرادی نداشته باشد، منابع تغذیه‌ی AC خانگی و صنعتی مناسب‌ترین منبع انرژی برای تغذیه‌ی تجهیزات الکتریکی است. مشکلی که وجود دارد این است که بیشتر تجهیزات الکتریکی با ولتاژ DC پایین تغذیه می‌شوند و به همین دلیل، به تبدیل AC به DC نیاز داریم. راه‌های مختلفی برای این کار وجود دارد. هنگام طراحی منبع تغذیه AC به DC باید به چند نکته توجه داشته باشید.
اصول پایه‌ای در مبدل AC به DC
در مبدل AC به DC، جریان متناوب وارد یک عنصر با «امپدانس راکتیو»[1] می‌شود تا انرژی منبع متناوب را در خود ذخیره کند و انرژی را به صورت «حالت پایدار»[2] آزاد کند. سلف‌ها و خازن‌ها اجزای سازنده‌ی عنصر راکتیو هستند. علاوه بر این دو، از فیلترها نیز استفاده می‌شود تا سیگنال خروجی هموار شود و به صورت DC در آید.
[1] reactive impedance
[2] steady-state
همچنین خروجی باید رگوله[1] شود تا مطمئن باشیم با وصل شدن مدار دستگاه تغذیه شونده به منبع تغذیه، ولتاژ خروجی منبع تغذیه در تلرانسی معین، ثابت باقی می‌ماند. ولتاژ خروجی ممکن است بر اثر نوسان‌ها در ولتاژ AC ورودی و یا بر اثر بار [مداری دستگاه تغذیه شونده] اعمال شده به خروجی تغییر کند. عناصر راکتیو به تنهایی از عهده‌ی تنظیم ولتاژ خروجی برنمی‌آیند و به همین دلیل، باید مدارهایی برای تنظیم ولتاژ خروجی مبدل افزوده شود.
همچنین معمولاً سیگنال [متناوب] ورودی را فیلتر می‌کنند تا نویز و نوسانات خروجی پریز برق گرفته شود.
[1] regulation
ایزوله کردن منبع تغذیه
ایزوله کردن منبع تغذیه به معنای جداسازی الکتریکی ولتاژ بالای AC ورودی از ولتاژ پایین DC خروجی است. با این کار، سدی بین این دو [مدار برق شهری و مدار مبدل] قرار داده می‌شود تا ولتاژهای خطرناک در ورودی به خروجی مبدل منتقل نشود. معمولاً این جداسازی از طریق ترانسفورماتورها انجام می‌شود. با این کار، تجهیزات الکتریکی که به شبکه‌ی برق شهری متصل می‌شوند، از خطرات «حلقه‌ی زمین»[1] و افزایش ناگهانی ولتاژ حفاظت می‌شوند.
با این حال، منابع تغذیه‌ی ایزوله نشده نیز گزینه‌ای در دسترس است، چراکه معمولاً در مقایسه با منابع تغذیه‌ی ایزوله شده، از نظر فیزیکی فضای کمتری را اشغال می‌کنند و از نظر الکتریکی نیز کاراتر اند. نکته‌ی منفی استفاده از منابع تغذیه‌ی ایزوله نشده مربوط به مسائل ایمنی این منابع و آسیب‌پذیری‌شان در مقابل تغییر ناگهانی ولتاژ است. به همین دلیل، کاربرد این منابع محدود است و برای طراحی‌های خاص و محدود از چنین منابع تغذیه‌ای استفاده می‌شود.
[1] ground loops
یکسوسازی
تبدیل AC به DC را می‌توان با یکسوسازی از طریق انواع مختلفی از یکسوسازهای نیمه‌هادی موجود [در بازار] انجام داد. یکسوسازهای سنتی با استفاده از دیود ساخته می‌شدند، اما یکسوسازی فعال با استفاده از ماسفت‌های قدرت نیز امکان‌پذیر است که این نوع از یکسوسازی کاراتر از یکسوسازی با دیود است.
یکسوسازهای نیم‌موج به مراتب ساده‌تر اند اما در ولتاژ خروجی‌شان ریپل‌های قابل توجهی وجود دارد. یکسوسازهای تمام‌موج بسیار متداول اند و [در مقایسه با یکسوسازهای نیم‌موج] عملکرد بهتر و ولتاژ خروجی هموارتری دارند.
معمولاً از یکسوسازها برای تبدیل ولتاژ پایین AC خروجی ترانسفورماتور به ولتاژ DC معادل با آن استفاده می‌شود. به دلیل افت ولتاژ در مدارهای دیودی، ولتاژ DC خروجی یکسوسازهای دیودی [در مقایسه با یکسوسازهای ماسفت] پایین‌تر است. کارایی یکسوساز بر اساس نسبت تبدیل، یا همان نسبت توان خروجی DC به توان ورودی AC (که از منبع تغذیه دریافت می‌شود)، تعریف می‌شود. افت کارایی یکسوسازها ناشی از اتلاف توان در ترانسفورماتورها و اتلاف گرمایی در قطعات الکتریکی است.
منبع تغذیه‌ی سوئیچینگ
منابع تغذیه‌ی خطی، ولتاژ بالای AC را با ترانسفورماتور به ولتاژ پایین AC تبدیل می‌کنند و سپس این ولتاژ پایین AC را با یکسوساز به ولتاژ DC تبدیل می‌کنند. اما منابع تغذیه‌ی سوئیچینگ، ولتاژ بالای AC را به ولتاژ بالای DC تبدیل می‌کنند که با این کار، سیگنالی فرکانس بالا ایجاد می‌شود که سپس ولتاژ آن کاهش داده می‌شود و یکسوسازی می‌شود و ولتاژ خروجی DC ایجاد می‌شود.
منابع تغذیه‌ی سوئیچینگ (SMPS) از منابع تغذیه‌ی خطی پیچیده ترند، ولی بسیار کارآمدتر اند و کارآیی آن‌ها حدود 80 درصد است، حال آنکه کارآیی منابع خطی حدود 60 درصد است. همچنین اندازه‌ی منابع خطی سوئیچینگ کوچک‌تر است و اتلاف گرمایی کمتری دارند. ایراد SMPSها آن است که در مقایسه با منابع تغذیه‌ی خطی کمتر قابل اتکا هستند، پاسخ گذرای کندتری دارند و بیشتر تحت تأثیر نویز قرار می‌گیرند.
حفاظت در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ
هنگامی که دستگاه الکتریکی را به پریز برق می‌زنید باید توجه داشته باشد که ممکن است در شبکه‌ی برق شهری افزایش ناگهانی ولتاژ رخ دهد. این افزایش‌های ناگهانی ولتاژ ممکن است در اثر وقوع طوفان و رعد و برق، یا تداخل الکتریکی با دستگاه‌های مجاور رخ دهد. لزوم استفاده از مدار محافظ به حساسیت دستگاه‌هایی بستگی دارد که قرار است به منبع تغذیه وصل شوند. به مقاله‌ی زیر با عنوان محافظت دستگاه‌های الکترونیکی از افزایش ناگهانی ولتاژ ناشی از رعد و برق رجوع کنید.
حفاظت در برابر اضافه جریان
یکی از ویژگی‌های منابع تغذیه‌ی متصل به جریان برق AC آن است که می‌توانند در صورت لزوم، جریان‌های بزرگی را به دستگاه تغذیه شونده منتقل کنند. مشکل آنجاست که اگر نقصی در دستگاه متصل به منبع تغذیه پیش آید، ممکن است در اثر این نقص، جریان زیادی از منبع تغذیه کشیده شود و این اتفاق می‌تواند منجر به گسترده شدن خسارت و وقوع آتش‌سوزی شود. اگر در دستگاه‌هایی که قرار است به منبع تغذیه متصل شود، احتمال کشیده شدن جریان زیاد بر اثر نقص اتصال کوتاه در مدار وجود دارد، بهتر است مدار حفاظت در برابر اضافه جریان نیز در منبع تغذیه گنجانده شود.
راه حل‌های موجود برای مبدل AC به DC
گونه‌های بسیار متنوعی از مبدل‌های AC به DC در بازار وجود دارد. پس اگر دستگاه شما شرایط ویژه‌ای ندارد یا اینکه طراحی سفارشی ندارد، ساده‌ترین، سریع‌ترین، و ارزان‌ترین راه آن است که از منابع تغذیه‌ی موجود در بازار استفاده کنید. مقاله‌ی زیر با عنوان نرخ‌های کارآیی منابع تغذیه‌ی خارجی را بررسی کنید.
اخذ مجوز برای دستگاه
برای هر دستگاهی که به پریز برق وصل می‌شود باید بر اساس استانداردهای محلی کشور مقصد، مجوزهای استفاده از آن گرفته شود. برای اخذ مجوز معمولاً دستگاه به طور دقیق در یک آزمایشگاه بی‌طرف ارزیابی می‌شود که این کار، هزینه‌بر و زمان‌بر است. لزوم اخذ جواز برای دستگاه دو دلیل اساسی دارد. اول آنکه با این کار اثبات می‌شود دستگاه ایمن است و استفاده از آن خطر برق‌گرفتگی یا آتش‌سوزی ندارد. دوم آنکه بررسی می‌شود اتصال دستگاه مذکور به منبع تغذیه، به دیگر دستگاه‌هایی که به همان منبع تغذیه وصل هستند لطماتی را مانند ایجاد نویز الکتریکی یا سیگنال تداخلی وارد نمی‌کند.
برای پروژه‌های یک بار مصرف [مانند پروژه‌ی درسی برای گرفتن نمره،] یا پروژه‌های با زمان بهره‌برداری کوتاه، استفاده از منابع تغذیه‌ی آماده هزینه-فایده‌ی برتری بر اخذ جواز برای یک مبدل جدید AC به DC سفارشی دارد.
منبع: https://resources.altium.com/p/ac-dc-power-supply-design
