ما هو مصدر الطاقة؟
مزود الطاقة هو جهاز كهربائي يقوم بتحويل التيار من مصدر طاقة (مثل شبكة الطاقة) إلى الجهد الذي يتطلبه الحمل (مثل محرك أو جهاز إلكتروني).
هناك تصميمان رئيسيان لمصادر الطاقة: مصادر الطاقة الخطية ومصادر الطاقة التحويلية.
مزود الطاقة الخطي: تستخدم تصميمات إمدادات الطاقة الخطية محولًا لخفض جهد الدخل، ثم تصحيح الجهد وتحويله إلى جهد تيار مستمر، ثم يتم ترشيحه لتحسين جودة شكل الموجة. تستخدم مصادر الطاقة الخطية منظمات خطية للحفاظ على جهد الخرج ثابتًا. تقوم المنظمات الخطية بتبديد أي طاقة زائدة على شكل حرارة.
تبديل مزود الطاقة: يعد تصميم إمداد الطاقة التبديلي نهجاً أحدث يحل العديد من المشاكل الموجودة في تصميم إمداد الطاقة الخطي، بما في ذلك حجم المحول ومشاكل تنظيم الجهد. في تصميم إمداد الطاقة التبديلي، لا يتم تخفيض جهد الدخل، بل يتم تصحيحه وتصفيته عند المدخل؛ ثم يتم تحويله إلى تسلسل نبضي عالي التردد بواسطة مروحية؛ ثم يتم تصفيته وتصحيحه مرة أخرى قبل أن يصل الجهد إلى الخرج.
جدول المحتويات
مبدأ عمل مزود الطاقة التبديلي
تُستخدم إمدادات الطاقة الخطية AC/DC منذ فترة طويلة لتحويل التيار المتردد من شبكة المرافق إلى تيار مباشر للاستخدام في الأجهزة المنزلية أو الإضاءة. لكن التطبيقات عالية الطاقة تتطلب بشكل متزايد إمدادات طاقة أصغر. وقد انحصرت إمدادات الطاقة الخطية في استخدامات صناعية وطبية محددة، حيث لا يزال التشويش المنخفض يجعلها مفيدة؛ وقد حلت إمدادات الطاقة التحويلية محلها إلى حد كبير بسبب صغر حجمها وكفاءتها العالية وقدرتها على التعامل مع الطاقة العالية. يوضح الشكل 1 عملية التحويل العامة من التيار المتردد (AC) إلى التيار المباشر (DC) في مصدر إمداد الطاقة التبادلي.
الشكل 1: مزود طاقة تبديل التيار المتردد/ التيار المستمر المعزول
تصحيح المدخلات
التقويم هو عملية تحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر. ويعد تقويم إشارة الدخل الخطوة الأولى في إمدادات طاقة التيار المتردد/ التيار المستمر ذات الوضع التبديلي.
عادةً ما يُنظر إلى جهد التيار المستمر على أنه جهد ثابت في خط مستقيم، مثل الجهد الذي توفره البطارية. لكن في الواقع، يُعرَّف التيار المستمر (DC) بأنه تدفق أحادي الاتجاه للشحنة. وهذا يعني أن جهد التيار المستمر يتدفق في نفس الاتجاه، لكنه ليس ثابتًا بالضرورة.
الموجة الجيبية للتيار المتردد (AC) الموجة الجيبية هي أكثر أشكال موجات الجهد نموذجية، حيث يكون النصف الأول من الدورة موجبًا والنصف الثاني من الدورة سالبًا. إذا تم عكس نصف الدورة السالبة أو التخلص منها، سيتوقف التيار عن التردد ويصبح تيارًا مستمرًا. ويمكن تحقيق عملية التحويل هذه من خلال التقويم.
يتم تحقيق التصحيح باستخدام الثنائيات في مقوم نصف الجسر السلبي لإزالة النصف السالب من الموجة الجيبية (انظر الشكل 2). يسمح الصمام الثنائي بمرور التيار خلال نصف الدورة الموجبة للموجة ويمنع التيار عندما يتدفق في الاتجاه المعاكس.
الشكل 2: مقوم نصف الجسر
سيكون للموجة الجيبية المعدَّلة طاقة متوسطة منخفضة ولن تكون قادرة على تشغيل جهاز بفعالية. هناك طريقة أخرى أكثر فعالية وهي تغيير قطبية نصف الموجة السالبة وتحويلها إلى موجة موجبة. تسمى هذه الطريقة تصحيح الموجة الكاملة، وهي لا تتطلب سوى أربعة صمامات ثنائية في تكوين جسر كامل (انظر الشكل 3). يضمن هذا التكوين استقرار اتجاه التيار بغض النظر عن قطبية جهد الدخل.
الشكل 3: مقوم الجسر الكامل
بالمقارنة مع التصحيح بنصف الجسر، يكون متوسط جهد الخرج لشكل الموجة المعدل بالموجة الكاملة أعلى، ولكنه لا يزال بعيدًا عن شكل موجة التيار المستمر الثابت المطلوب لتشغيل المعدات الإلكترونية. وعلى الرغم من أنه بالفعل شكل موجي للتيار المستمر، إلا أنه يمكن أن نرى من شكل موجة الجهد أن الجهد يتغير بسرعة كبيرة وبشكل متكرر، واستخدام مثل هذا التيار المستمر لتشغيل المعدات لن يكون فعالاً. ويسمى هذا التباين الدوري في جهد التيار المستمر بالتموج، ويعد تقليل التموج أو التخلص منه أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق كفاءة إمداد الطاقة.
إن الطريقة الأبسط والأكثر شيوعًا لتقليل التموج هي إضافة مكثف كبير، يسمى مكثف التخزين أو مرشح التنعيم، إلى خرج المقوم (انظر الشكل 4).
يخزن هذا المكثف الجهد أثناء ذروة الموجة ثم يمد الحمل بالتيار حتى يصبح جهده أقل من موجة الجهد المعدل الصاعد. سيكون شكل الموجة الذي ينتجه أقرب إلى الشكل المطلوب ويمكن اعتباره أيضًا جهد تيار مستمر بدون مكون تيار متردد. يمكن لشكل موجة الجهد النهائي هذا أن يزود معدات التيار المستمر بالطاقة.
الشكل 4: مقوّم كامل الجسر مع مرشح تنعيم
تستخدم المقومات السلبية ثنائيات أشباه الموصلات كمفاتيح تبديل غير متحكم فيها، وهي أبسط طريقة لتصحيح موجات التيار المتردد، ولكنها ليست الأكثر كفاءة.
الثنائيات هي مفاتيح تبديل فعالة نسبياً. فهي تعمل وتنطفئ بسرعة بأقل استهلاك للطاقة. لكن المشكلة الوحيدة فيها هي وجود انخفاض في جهد التحيز الأمامي من 0.5 فولت إلى 1 فولت، مما يقلل من الكفاءة.
تستبدل المقومات النشطة الثنائيات بمفاتيح تبديل يمكن التحكم بها، مثل ترانزستورات MOSFET أو ترانزستورات BJT (انظر الشكل 5). وتتمتع بميزتين: أولاً، مقومات الترانزستور ليس لديها انخفاض الجهد من 0.5 فولت إلى 1 فولت المتأصل في الثنائيات شبه الموصلة لأن مقاومتها يمكن أن تكون صغيرة بشكل اعتباطي وبالتالي فإن انخفاض الجهد يكون صغيراً أيضاً؛ ثانياً، الترانزستور هو مفتاح يمكن التحكم فيه، مما يعني أنه يمكن ضبط تردد التبديل وتحسينه.
العيب هو أن المقومات النشطة تتطلب دارات تحكم أكثر تعقيدًا لتحقيق أهدافها، والتي تتطلب مكونات إضافية وبالتالي تكلف أكثر.
الشكل 5: مقوم نشط كامل الجسر
تصحيح معامل القدرة (PFC)
الخطوة الثانية في تصميم مزود الطاقة بالتبديل هي تصحيح معامل القدرة (PFC).
لا تساهم دوائر PFC إلا قليلاً في التحويل الفعلي للتيار المتردد إلى تيار مستمر، ولكنها جزء مهم من معظم مصادر الطاقة التجارية.
الشكل 6: الأشكال الموجية للجهد والتيار عند خرج المقوم
وبالنظر إلى الشكل الموجي الحالي لمكثف تخزين المقوم (انظر الشكل 6)، سترى أن تيار الشحن يتدفق عبر المكثف في فترة زمنية قصيرة جداً؛ وتحديداً، من النقطة التي يكون فيها الجهد عند مدخل المكثف أكبر من شحنة المكثف، إلى النقطة التي تكون فيها الإشارة المقومة بين القمم. يتسبب هذا في سلسلة من طفرات التيار القصيرة في المكثف، مما يسبب مشاكل خطيرة ليس فقط لمصدر الطاقة ولكن أيضًا للشبكة بأكملها. لأن هذه الطفرات الحالية يتم حقنها في الشبكة وتولد عددًا كبيرًا من التوافقيات. تخلق التوافقيات تشوهات يمكن أن تؤثر على مصادر الطاقة الأخرى والمعدات المتصلة بالشبكة.
في تصميم إمداد الطاقة بالتبديل، يكون الغرض من دائرة تصحيح معامل القدرة هو تصفية هذه التوافقيات وتقليلها. هناك نوعان من دوائر تصحيح معامل القدرة: النشطة والسلبية.
تتكون دوائر PFC السلبية من مرشحات تمرير منخفضة سلبية تحاول التخلص من التوافقيات عالية التردد. ومع ذلك، فإن PFC السلبي وحده لا يسمح لإمدادات الطاقة، خاصة في التطبيقات عالية الطاقة، بالتوافق مع المواصفات الدولية للضوضاء التوافقية. يجب استخدام تصحيح معامل القدرة النشط.
يمكن أن يغير PFC النشط شكل شكل موجة التيار بحيث يتبع شكل موجة الجهد. يتم تحويل التوافقيات إلى ترددات أعلى وبالتالي يسهل ترشيحها. في هذه الحالة، تكون الدائرة الأكثر استخدامًا هي محول التعزيز (أو محول التصعيد).
العزل: إمدادات الطاقة التحويلية المعزولة وغير المعزولة
بغض النظر عن وجود دارة PFC، فإن الخطوة الأخيرة في تحويل الطاقة هي تقليل جهد التيار المستمر المعدل إلى مقدار مناسب للتطبيق المقصود.
نظرًا لأنه يتم تصحيح شكل موجة التيار المتردد الوارد عند الدخل، يكون خرج جهد التيار المستمر مرتفعًا جدًا: بدون PFC، سيكون جهد التيار المستمر الناتج من المقوم 320 فولت تقريبًا؛ ومع وجود دائرة PFC النشطة، سيكون خرج محول التعزيز 400 فولت أو أكثر من جهد التيار المستمر المستقر العالي.
تعد الفولتية العالية في كلتا الحالتين خطيرة للغاية وغير ضرورية لمعظم التطبيقات التي تتطلب جهدًا منخفضًا جدًا. يسرد الجدول 1 العديد من الجوانب التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار طوبولوجيا العزل الصحيحة، بما في ذلك المحول والتطبيق.
الجدول 1: مزودات الطاقة المعزولة وغير المعزولة AC/DC
يرتبط اختيار طريقة خفض ضغط الدم بشكل أساسي بالسلامة.
يتم توصيل جانب الإدخال لمصدر الطاقة بالتيار المتردد، مما يعني أنه في حالة وجود تسرب في الخرج، فإن صدمة بهذا الحجم يمكن أن تسبب إصابة خطيرة أو حتى الموت، ويمكن أن تتلف أي معدات متصلة بالخرج.
يتم ضمان السلامة عن طريق العزل المغناطيسي لدوائر مدخلات ومخرجات التيار المتردد/ التيار المستمر المتصلة بالتيار الكهربائي. والدوائر الأكثر استخدامًا في دوائر التيار المتردد/ التيار المستمر المعزولة هي المحولات المرتدة المرتدة الطائرة والمحولات الرنانة ذات المسؤولية المحدودة لأن كلاهما يتمتعان بعزل كهربائي أو مغناطيسي (انظر الشكل 7).
الشكل 7: المحول المرتد الطيَّار (يسار) والمحول الرنيني LLC (يمين)
يعني استخدام المحول أن الإشارة لا يمكن أن تكون جهد تيار مستمر ثابت. وبدلاً من ذلك، يجب أن يتغير الجهد، وبالتالي يجب أن يتغير التيار، بحيث يمكن نقل الطاقة من أحد جانبي المحول إلى الجانب الآخر عبر اقتران حثي. ولذلك، يقوم كل من محولات الارتداد المتطاير ومحولات LLC "بتقطيع" جهد التيار المستمر المدخل إلى موجة مربعة، ثم يتم تصعيدها من خلال محول. وأخيرًا، يتم تصحيح شكل الموجة مرة أخرى قبل الخرج.
يُستخدم المحول المرتد الطائر بشكل أساسي في التطبيقات منخفضة الطاقة، وهو أيضًا محول معزول، يمكن أن يكون جهد الخرج أعلى أو أقل من جهد الدخل، اعتمادًا على العلاقة بين اللفات الأولية والثانوية للمحول.
يشبه تشغيل محول الارتداد الطائر إلى حد كبير تشغيل محول التعزيز.
عندما يكون المفتاح مغلقًا، يتم شحن الملف الابتدائي بواسطة المدخلات ويشكل مجالًا مغناطيسيًا؛ وعندما يتم فتح المفتاح، تنتقل الشحنة في المحرِّض الابتدائي إلى الملف الثانوي، الذي يضخ التيار في الدائرة، وبالتالي تشغيل الحمل.
من السهل نسبيًا تصميم محول الارتداد المتطاير ويتطلب مكونات أقل من المحولات الأخرى، ولكنه ليس فعالاً لأنه يجبر الترانزستور على التشغيل والإيقاف حسب الرغبة، وهذا التبديل الصعب يسبب خسائر فادحة (انظر الشكل 8). ويؤدي ذلك إلى تقصير عمر الترانزستور ويؤدي إلى تبديد طاقة هائل، خاصة في التطبيقات عالية الطاقة. لذلك، يعد محول الارتداد المتطاير أكثر ملاءمة للتطبيقات منخفضة الطاقة حيث تصل الطاقة عادةً إلى 100 وات.
يشيع استخدام المحولات الرنانة ذات المسؤولية المحدودة في تطبيقات الطاقة العالية. كما أن دائرتها معزولة مغناطيسيًا عبر محول. وتعتمد محولات LLC على ظاهرة الرنين، مما يعني أنه عندما يتطابق تردد التشغيل مع التردد الطبيعي للمرشح، يتم تضخيم هذا التردد. في هذه الحالة، يتم تحديد تردد الرنين لمحول LLC بواسطة الحث المتسلسل والمكثف (مرشح LC) ويتأثر أيضًا بالتأثير الإضافي للحث الأساسي (L) للمحول ومن هنا جاءت تسمية محول LLC.
ويفضل استخدام المحولات الرنانة ذات المسؤولية المحدودة للتطبيقات عالية الطاقة لأنها يمكن أن تنتج تبديل التيار الصفري، والمعروف أيضًا باسم التبديل الناعم (انظر الشكل 8). عندما يكون التيار في الدائرة قريبًا من الصفر، يمكن تشغيل المفتاح وإيقاف تشغيله، مما يقلل من خسائر التبديل في الترانزستور، وبالتالي يقلل من التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي ويحسن الكفاءة. ومع ذلك، فإن هذا التحسين في الأداء له ثمن: من الصعب جدًا تصميم محول رنيني LLC يمكنه تحقيق تبديل ناعم في ظل ظروف تحميل مختلفة. ولتحقيق هذه الغاية، طورت MPS أداة تصميم خاصة للمحول الرنيني ذي المسؤولية المحدودة تضمن تشغيل المحول في حالة الرنين الصحيحة، وبالتالي تحقيق كفاءة تبديل أفضل.
الشكل 8: خسائر التبديل الصلب (يسار) والتبديل اللين (يمين)
كما ذكرنا سابقًا، فإن أحد قيود إمدادات الطاقة AC/DC هو حجم ووزن محول الإدخال. ويرجع ذلك إلى أن تردد التشغيل المنخفض لمحول الإدخال (50 هرتز) يتطلب محثًا وقلبًا أكبر لتجنب التشبع.
في إمدادات الطاقة بالتبديل، يكون تردد تذبذب الجهد أعلى بكثير (على الأقل أعلى من 20 كيلو هرتز). وهذا يعني أن محول التنحي يمكن أن يكون أصغر لأن الإشارات عالية التردد تخلق خسائر مغناطيسية أقل في المحول الخطي. وبما أن حجم محول الإدخال يصبح أصغر، يمكن تصغير حجم النظام، مما يجعل من الممكن وضع مصدر الطاقة بالكامل في شاحن الهاتف المحمول، مثل ما نستخدمه الآن.
بعض معدات التيار المستمر لا تتطلب محولاً لتوفير العزل. وهذا أمر شائع في الأجهزة التي لا تتطلب لمس المستخدم المباشر (مثل الأضواء وأجهزة الاستشعار وإنترنت الأشياء وغيرها) لأن أي معالجة لمعلمات الجهاز تتم على جهاز منفصل (مثل الهاتف أو الجهاز اللوحي أو الكمبيوتر).
وهذا له فوائد كبيرة بالنسبة لوزن الجهاز وحجمه وأدائه. تقلل هذه المحولات مستوى جهد الخرج باستخدام محول باك عالي الجهد. ويمكن اعتبار دائرته بمثابة الدائرة العكسية لمحول التعزيز المذكور من قبل. في هذه الحالة، عندما يكون مفتاح الترانزستور مغلقًا، فإن التيار المتدفق عبر المحث يولد جهدًا عبر المحث، مما يلغي الجهد من الإمداد، وبالتالي يقلل الجهد عند الخرج. وعندما يتم فتح المفتاح، يقوم المحث بتوصيل التيار إلى الحمل، مما يحافظ على الجهد عبر الحمل عند فصل الدائرة عن مصدر الطاقة.
تستخدم إمدادات الطاقة التحويلية للتيار المتردد/ التيار المستمر محولات باك عالية الجهد لأن ترانزستورات MOSFET التي تعمل كمفاتيح تبديل يجب أن تكون قادرة على تحمل التغيرات الكبيرة في الجهد (انظر الشكل 9). عندما يكون المفتاح مغلقًا، يكون الجهد عبر ترانزستورات MOSFET قريبًا من 0 فولت، ولكن عندما يكون المفتاح مفتوحًا، يرتفع هذا الجهد إلى 400 فولت في تطبيق أحادي الطور وإلى 800 فولت في محول ثلاثي الطور. يمكن أن تتسبب هذه التغيرات المفاجئة في الجهد العالي المفاجئ في تلف الترانزستورات العادية بسهولة، لذلك يتم استخدام ترانزستورات MOSFET ذات الجهد العالي الخاصة.
الشكل 9: مزود طاقة تبديلي غير معزول للتيار المتردد/ التيار المستمر مع PFC نشط
محول باك أسهل في الدمج من المحول لأنه يتطلب محثًا واحدًا فقط. كما أن كفاءته في خفض الجهد أعلى، حيث تصل كفاءته إلى 95% في الظروف العادية. وتتحقق هذه الكفاءة العالية لأن الترانزستورات والثنائيات لا تستهلك أي طاقة تبديل تقريبًا، حيث تأتي الخسائر الوحيدة من المحرِّض.
تلخيص
تعد إمدادات الطاقة التحويلية AC/DC حاليًا الطريقة الأكثر كفاءة لتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر. وينقسم تحويل الطاقة إلى ثلاث مراحل:
1. تصحيح المدخلات: يتم تحويل جهد التيار المتردد الرئيسي للمدخلات إلى موجة مقومة للتيار المستمر من خلال جسر الصمام الثنائي. يمكن أن تؤدي إضافة مكثف إلى خرج الجسر إلى تقليل جهد التموج.
2. تصحيح معامل القدرة (PFC): نظرًا لوجود تيار غير خطي في المقوم، يكون المحتوى التوافقي للتيار كبيرًا جدًا. وهناك طريقتان لحل هذه المشكلة: الأولى هي استخدام PFC السلبي، الذي يستخدم مرشحات لقمع التأثيرات التوافقية، ولكن هذه الطريقة ليست فعالة؛ والطريقة الثانية تسمى PFC النشط، والتي تستخدم مفاتيح تحويل الجهد بحيث يتبع شكل موجة التيار شكل موجة جهد الدخل. PFC النشط هو الطريقة الوحيدة لتمكين محولات الطاقة من تلبية معايير حجم التيار والكفاءة.
3. العزل: يمكن أن يكون مزود الطاقة التبديلي معزولاً أو غير معزول. ويكون الجهاز معزولاً عندما لا يكون مدخلات ومخرجات مصدر إمداد الطاقة غير متصلة فعلياً. يمكن تحقيق العزل من خلال محول، والذي يعزل كهربائياً نصفي الدائرة. ولكن لا يمكن للمحولات أن تنقل الطاقة إلا عندما يتغير التيار، لذلك يتم تقطيع جهد التيار المستمر المعدل إلى موجة مربعة عالية التردد ثم يتم نقله إلى الدائرة الثانوية؛ ثم يتم تقويمه مرة أخرى ويمرر في النهاية إلى الخرج.
يتطلب تصميم مصدر إمداد الطاقة التبديلي مراعاة جميع الجوانب، وخاصة السلامة والأداء والحجم والوزن. كما أن دارات التحكم في إمدادات الطاقة التحويلية أكثر تعقيدًا من تلك الخاصة بإمدادات الطاقة الخطية، ويجد العديد من المصممين أنه من المفيد استخدام وحدات متكاملة في مزود الطاقة.
