تفاوت بین منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ

تفاوت بین منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ

با توجه به اصل تبدیل، منابع تغذیه را می توان به منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ طبقه بندی کرد. وقتی منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ را طبقه بندی می کنیم، در واقع باید روشن کنیم که آیا AC/DC یا DC/DC است. اگرچه این طبقه بندی با هدف تشخیص اصول تبدیل است. اما آیا منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ که به عملکردهای AC/DC دست می یابند، فرآیند کاملی برای تبدیل AC به DC هستند و برخی از مدارها از DC/DC تشکیل شده اند.

منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ برای AC/DC
کتاب‌ها، کتاب‌ها و مقالات زیادی وجود دارند که مستقیماً به منابع برق خطی با عنوان «منابع برق خطی برای AC/DC» اشاره می‌کنند. منبع تغذیه خطی چیست؟ منبع تغذیه خطی ابتدا دامنه ولتاژ برق متناوب را از طریق یک ترانسفورماتور کاهش می دهد، سپس آن را از طریق یک مدار یکسو کننده برای به دست آوردن توان DC پالسی یکسو می کند و سپس آن را فیلتر می کند تا ولتاژ DC با ولتاژ ریپلی کوچک به دست آید.

مشخصات منبع تغذیه خطی AC/DC و منبع تغذیه سوئیچینگ به شرح زیر متفاوت است:
منبع تغذیه خطی AC/DC ابتدا با ولتاژ AC با استفاده از ترانسفورماتور فرکانس قدرت کاهش می یابد و سپس اصلاح می شود. پس از کاهش ولتاژ از طریق ترانسفورماتور، ولتاژ نسبتاً کم شده است و از تراشه های قدرت مانند تنظیم کننده ولتاژ سه ترمینال می توان برای تثبیت ولتاژ استفاده کرد. لوله تنظیم منبع تغذیه خطی در حالت تقویت‌شده کار می‌کند و در نتیجه تولید گرما بالا و راندمان پایین (مربوط به افت ولتاژ) ایجاد می‌کند که نیاز به افزودن یک هیت سینک حجیم دارد. حجم ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت نیز نسبتاً زیاد است و هنگام تولید چندین مجموعه خروجی ولتاژ، حجم ترانسفورماتور بزرگتر خواهد بود.
لوله تنظیم منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC در حالت های اشباع و قطع کار می کند و در نتیجه تولید حرارت کم و راندمان بالا را به همراه دارد. منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC نیاز به ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت حجیم را از بین می برد. با این حال، خروجی DC منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC دارای امواج بزرگتری خواهد بود که ممکن است با اتصال یک دیود تنظیم کننده ولتاژ در انتهای خروجی بهبود یابد. علاوه بر این، به دلیل تداخل پالس پیک بالا که در حین کار لوله سوئیچ ایجاد می شود، برای بهبود، باید مهره های مغناطیسی به صورت سری در مدار متصل شوند. به طور نسبی، ریپل منبع تغذیه خطی را می توان بسیار کوچک کرد. منابع تغذیه سوئیچینگ را می توان از طریق ساختارهای توپولوژیکی مختلف مانند کاهش ولتاژ، تقویت و تقویت به دست آورد، در حالی که منابع تغذیه خطی فقط می توانند به کاهش ولتاژ دست یابند.

بسیاری از آداپتورهای برق اولیه نسبتاً سنگین بودند و اصل تبدیل آنها منبع تغذیه خطی AC/DC بود که از ترانسفورماتور فرکانس برق در داخل استفاده می کرد. منبع تغذیه خطی AC/DC ابتدا از یک ترانسفورماتور برای کاهش ولتاژ AC استفاده می کند. این نوع ترانسفورماتور که مستقیماً ولتاژ را در شبکه کاهش می دهد، ترانسفورماتور فرکانس قدرت نامیده می شود، همانطور که در شکل 1.9 نشان داده شده است. ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت که به عنوان ترانسفورماتورهای فرکانس پایین نیز شناخته می شوند، آنها را از ترانسفورماتورهای فرکانس بالا که در منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شوند متمایز می کند. ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت در گذشته به طور گسترده در منابع برق سنتی استفاده می شدند. فرکانس استاندارد برق اصلی در صنعت برق که به عنوان برق اصلی نیز شناخته می شود ("برق اصلی" به منبع تغذیه ای که عمدتاً توسط ساکنان شهرها استفاده می شود اشاره دارد) در چین 50 هرتز و در سایر کشورها 60 هرتز است. ترانسفورماتوری که بتواند ولتاژ جریان متناوب را در این فرکانس تغییر دهد، ترانسفورماتور فرکانس قدرت نامیده می شود. ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت عموماً در مقایسه با ترانسفورماتورهای فرکانس بالا از نظر اندازه بزرگتر هستند. بنابراین حجم منبع تغذیه خطی AC/DC اجرا شده با ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت نسبتاً زیاد است.

منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC ابتدا نیاز به یکسوسازی و فیلتر کردن منبع تغذیه AC برای تشکیل یک ولتاژ بالا DC تقریبی دارد و سپس کلید را برای تولید پالس‌های فرکانس بالا که از طریق ترانسفورماتور تبدیل می‌شوند، کنترل کنید. منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC دارای راندمان بالاتر و اندازه کوچکتر است. یکی از دلایل مهم اندازه کوچک آن این است که ترانسفورماتورهای فرکانس بالا بسیار کوچکتر از ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت هستند. چرا هرچه فرکانس بیشتر باشد حجم ترانسفورماتور کمتر است؟

مواد هسته ترانسفورماتور دارای محدودیت های اشباع هستند، بنابراین محدودیت هایی برای حداکثر قدرت میدان مغناطیسی وجود دارد. جریان، شدت میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی جریان متناوب همگی سیگنال های سینوسی هستند. می دانیم که برای سیگنال های سینوسی با دامنه یکسان، فرکانس بالاتر، پیک "نرخ تغییر" سیگنال بیشتر است (لحظه ای که سیگنال سینوسی از صفر عبور می کند اوج "نرخ تغییر" است، در حالی که نرخ تغییر در اوج سیگنال 0 است). در همین حال، ولتاژ القایی با نرخ تغییر شار مغناطیسی تعیین می شود. بنابراین، برای ولتاژ یکسان در هر نوبت، هرچه فرکانس بالاتر باشد، اوج شار مغناطیسی مورد نیاز کمتر است. اما همانطور که در بالا ذکر شد، مقدار پیک شدت میدان مغناطیسی محدود است. بنابراین، اگر نیاز شار مغناطیسی کاهش یابد، سطح مقطع هسته آهنی را می توان کاهش داد. تحلیل فوق ولتاژ یکسانی را در هر دور فرض می کند. و ولتاژ در هر دور به توان مربوط می شود. بنابراین با فرض همان قدرت. اگر توان کمتر باشد، جریان نیز کوچکتر است، و سیم مجاز نازکتر است، و مقاومت کمی بیشتر است، مجاز است تعداد چرخش ها را افزایش دهد. به این ترتیب ولتاژ در هر دور نیز کاهش می یابد که می تواند شار مغناطیسی مورد نیاز را نیز کاهش دهد. سپس صدا را کم کنید. همچنین، در تحلیل فوق فرض می شود که ماده ثابت است، یعنی قدرت میدان مغناطیسی اشباع ثابت است. البته اگر از موادی با قدرت میدان مغناطیسی اشباع بالاتر استفاده شود، می توان حجم را نیز کاهش داد. ما می دانیم که در مقایسه با ترانسفورماتورهای هم اندازه در دهه های قبل، ترانسفورماتورهای امروزی حجم بسیار کمتری دارند زیرا اکنون از مواد هسته آهنی جدید استفاده می کنند.

بر اساس معادله ماکسول، نیروی الکتروموتور القایی E در سیم پیچ ترانسفورماتور است

یعنی انتگرال نرخ تغییر چگالی شار مغناطیسی B در طول زمان بر روی سیم N با مساحت Ac می چرخد.

برای ترانسفورماتورها، نیروی الکتروموتور القایی E در سمت اولیه ترانسفورماتور و ولتاژ U اعمال شده در سمت ورودی را می توان به عنوان یک رابطه خطی در نظر گرفت. با این فرض که دامنه U در سمت ورودی ترانسفورماتور بدون تغییر باقی می ماند، می توان در نظر گرفت که دامنه E نیز بدون تغییر باقی می ماند.

علاوه بر این، حد بالایی برای چگالی شار مغناطیسی B هر نوع هسته مغناطیسی وجود دارد. فریت مورد استفاده برای کاربردهای فرکانس بالا حدود چند دهم تسلا است، در حالی که هسته آهنی مورد استفاده برای کاربردهای فرکانس قدرت حدود یک سطح کمی بیشتر از یک است، با یک تفاوت کوچک.

بنابراین، هنگامی که فرکانس افزایش می‌یابد، نرخ تغییر چگالی شار مغناطیسی dB/dt در طول هر چرخه به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد، مشروط بر اینکه تغییر پیک در چگالی شار مغناطیسی B معنی‌دار نباشد. بنابراین، می توان از Ac یا N کوچکتر برای دستیابی به نیروی محرکه الکتریکی القایی یکسان E استفاده کرد. کاهش Ac به معنای کاهش سطح مقطع هسته مغناطیسی است. کاهش N به این معنی است که مساحت پنجره خالی هسته مغناطیسی را می توان کاهش داد، که هر دو می توانند به دستیابی به حجم کمتری از هسته مغناطیسی کمک کنند. سطح مقطع ترانسفورماتور فرکانس بالا کمتر است و تعداد چرخش در سیم پیچ کاهش می یابد و در نتیجه حجم کمتری ایجاد می شود.

لوله تنظیم منبع تغذیه سوئیچینگ در حالت های اشباع و قطع کار می کند و در نتیجه تولید حرارت کم و راندمان بالا را به همراه دارد. منابع تغذیه سوئیچینگ AC/DC نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس قدرت بزرگ ندارند. با این حال، خروجی DC منبع تغذیه سوئیچینگ دارای امواج بزرگی است که روی آن قرار گرفته است. علاوه بر این، به دلیل تداخل پالس پیک زیادی که در حین کار ترانزیستور سوئیچینگ ایجاد می شود، لازم است منبع تغذیه در مدار نیز فیلتر شود تا کیفیت منبع تغذیه بهبود یابد. به طور نسبی، منابع برق خطی عیوب فوق را ندارند و ریپل آنها می تواند بسیار کم باشد.