أساسيات إمدادات الطاقة AC / DC

ما هو مصدر طاقة AC / DC؟

إن قلب أي جهاز إلكتروني هو مصدر الطاقة الخاص به. تقدم هذه المقالة شرحًا أساسيًا لمصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر وكيف تعمل.

مصدر طاقة AC / DC هو جهاز يحول التيار المتردد (AC) إلى تيار مباشر (DC). يتم توفير التيار المتردد عادةً من خلال منفذ طاقة في المنزل أو المكتب ، بينما يتم استخدام التيار المستمر بواسطة معظم الأجهزة الإلكترونية.

تُستخدم مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية ، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة (أي شواحن الحائط) وأجهزة التلفزيون. كما أنها تستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية.

اليوم ، جهد مستمر ثابت (على سبيل المثال ، 3.3 فولت_{العاصمة}، 5 فولت_{العاصمة}، 12 فولت_{العاصمة}) مطلوب من قبل معظم الأنظمة والأجهزة الإلكترونية. ومع ذلك ، فإن جهد التيار المتردد (100-120 فولت_{تيار متردد} أو 200-240 فولت_{تيار متردد}، حسب البلد) هو أساس شبكة الكهرباء. يتم تحويل أنابيب التيار المتردد المزودة على المدخلات إلى جهد التيار المستمر الضروري على جانب الإخراج بواسطة مصدر طاقة تيار متردد / تيار مستمر.

لذلك ، تتمثل المهمة الأساسية لمصدر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر (المعروف أيضًا باسم محول التيار المتردد / التيار المتردد) في تحويل جهد التيار المتردد الأعلى ، والخطير إلى حد ما ، إلى جهد التيار المستمر المنخفض والآمن الذي يحتاجه الجهاز.

كيف تعمل مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر؟

على الرغم من وجود أنواع مختلفة من مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر ، ولكل منها خصائصها الخاصة وأوضاع التشغيل ، يمكننا تتبع مبدأ التشغيل العام إلى مخطط الكتلة في الشكل 1.

إذا نظرنا إلى مخطط التيار المتردد في الشكل 1 (أعلى اليسار) ، فإننا نرى موجة جيبية. هذا يعني أن جهد التيار المتردد يغير قطبيته باستمرار. قيم التردد النموذجية هي 50 أو 60 هرتز ، حسب البلد.

في الخطوة الأولى ، يتم تحويل جهد التيار المتردد العالي إلى جهد تيار متردد منخفض بواسطة محول. من خلال فصل الدائرة الأولية (الجهد العالي) عن الدائرة الثانوية (الجهد المنخفض) ، يضمن المحول أيضًا عزلًا كلفانيًا ، وبالتالي زيادة السلامة.

نظرًا لأن معظم الأجهزة تتطلب جهد تيار مستمر على جانب الإدخال ، يجب تصحيح جهد التيار المتردد في الخطوة التالية. تظهر نتيجة هذه العملية في مخطط DC في الشكل 1 (أعلى الوسط). بعد عملية التصحيح نرى قطبية موجبة. يتم تحقيق ذلك من خلال مقوم الجسر ، المكون من أربعة ثنائيات متطابقة.

للحصول على مصدر ثابت للتيار المستمر ، فإن عملية التصحيح ليست كافية. يجب تنعيم القمم الثقيلة في منحنى التيار المستمر. يتم ذلك عن طريق مكثف الإخراج في مزود الطاقة. يمكن للمكثف تخزين الطاقة بسرعة كبيرة ، والتي تزودها بين قمتين. تملأ هذه العملية القطرات بكمية معينة وتنعيم المنحنى. والنتيجة هي جهد ثابت للتيار المستمر على الخرج في الشكل 1 (أعلى اليمين) ، والذي يتم توفيره للحمل.

أنواع وتطبيقات

يمكن تجميع مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر في فئتين رئيسيتين:

• مزود الطاقة الخطي: يوفر واحدًا أو أكثر من جهد تيار مستمر ثابت ومستقر ، بغض النظر عن تقلبات جهد الدخل أو الحمل. باتباع نفس المبدأ الموضح في الشكل 1 ، يتكون مصدر الطاقة الخطي من محول ومعدل ومرشح ومنظم. يقلل المحول من سعة جهد شبكة الطاقة ، ويقوم المقوم بتحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر ، ويقوم المرشح بتخزين الطاقة لتنعيم جهد الخرج للمقوم ويقوم المنظم باستقرار وتنظيم جهد الخرج. يستخدم هذا النوع من إمدادات الطاقة في معدات المختبرات والأجهزة الطبية وأنظمة الصوت.
• مصدر طاقة وضع التبديل (SMPS): يسمح ترانزستور الطاقة ، بالتناوب بين حالتي التشغيل والإيقاف ، بتخزين الطاقة ثم تحريرها للحمل ، عادةً باستخدام محث كعنصر تخزين للطاقة. على عكس مصادر الطاقة الخطية ، فإن SMPSes تنقل الطاقة على الفور إلى الحمل. لتبديل الترانزستور ، يتم تطبيق إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). يعدل التردد ودورة العمل لإشارة PWM قيمة جهد الخرج. يستخدم هذا النوع من إمدادات الطاقة على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة والآلات الصناعية.

إيجابيات – سلبيات

تشمل مزايا إمدادات الطاقة الخطية AC / DC قدرتها على تحمل التكاليف وبساطتها وموثوقيتها. بالمقارنة مع SMPSes ، تكون مصادر الطاقة الخطية أقل تعقيدًا بسبب تصميمها وبنيتها المباشرة. إنها أكثر موثوقية بسبب هيكلها البسيط للغاية ، مما يقلل من احتمالية الفشل. نظرًا لمقاومتها للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ونقص تداخل التردد اللاسلكي مع الأجهزة الأخرى ، فإن مصادر الطاقة الخطية مثالية للأنشطة عالية التردد.

ومع ذلك ، هناك أيضًا بعض العيوب بالمقارنة مع SMPSes ، مثل الحجم وفقدان الحرارة المفرط ومستويات الكفاءة الضعيفة. نظرًا لأن تواتر التشغيل منخفض ، تحتاج وحدات الإمداد بالطاقة الخطية إلى محول كبير ومكونات أساسية أخرى للتعامل مع الطاقة عند استخدامها في تطبيق عالي الطاقة. العملية غير فعالة لأن خسائر الحرارة الكبيرة تحدث أثناء تنظيم طلب الطاقة العالية بواسطة الحمل.

على النقيض من مصادر الطاقة الخطية ، تتناوب SMPS باستمرار بين حالات التشغيل والإيقاف مع قضاء وقت قصير جدًا في حالة التبديد العالية بين التحولات ، مما يقلل من الطاقة الضائعة. هذا يحسن الكفاءة عن طريق خفض الحرارة الناتجة عن نفايات الطاقة. نظرًا لصغر حجم المحول ، هناك فائدة أخرى مهمة لـ SMPSes وهي حجمها الصغير.

على عكس مصادر الطاقة الخطية ، فإن SMPSs أكثر صعوبة في التصميم والتصنيع ، مما يجعل التصحيح والصيانة أكثر صعوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يقدم مصدر الطاقة هذا التوافقيات في النظام ، والتي قد يكون لها تأثير سلبي على الأجهزة الأخرى المتصلة. نظرًا للتأثير الهائل للتداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء ، فإن فلاتر التداخل الكهرومغناطيسي ضرورية لهذه الأجهزة لتعمل بشكل صحيح.

كيف يمكن استخدام مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر في بيئات مختلفة؟

تُستخدم مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر على نطاق واسع في سياقات وبيئات مختلفة ، مع كون الإلكترونيات الاستهلاكية أحد المجالات الرئيسية للتطبيق. في مثل هذه التطبيقات ، أصبح من الممكن الآن تحقيق مستويات عالية جدًا من الكفاءة ، وفقًا لما تتطلبه أحدث اللوائح الدولية للحد من هدر الطاقة الكهربائية. علاوة على ذلك ، فإن استخدام المواد ذات فجوة النطاق العريضة (خاصة نيتريد الغاليوم) يحصل على أجهزة فعالة ومضغوطة وتبديد الحرارة المنخفضة.

تشمل التطبيقات الأخرى ذات الصلة ما يلي:

• صناعي: يتم استخدام كل من مصادر الطاقة AC / DC منخفضة الطاقة وعالية الطاقة ، مما يوفر تشغيلًا موثوقًا وآمنًا للغاية للآلات الصناعية.
• معدات تصنيع أشباه الموصلات: تتطلب تطبيقات مثل غرس الأيونات ، ومرابط الأسلاك ، ومحاكيات الأجهزة وغيرها ، مصادر طاقة عالية الطاقة AC / DC.
• الأجهزة الطبية: يجب أن تكون مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر المصممة للتطبيقات الطبية ، مثل معدات التشخيص أو أجهزة الصحة الشخصية أو غيرها من الآلات الطبية ، متوافقة مع معايير السلامة الصارمة.
• أتمتة المباني والمصانع: يلزم وجود إمدادات طاقة مدمجة وقوية تعمل بالتيار المتردد / التيار المستمر في قطاعات التطبيقات هذه. تستخدم على نطاق واسع لهذه التطبيقات أجهزة السكك الحديدية DIN (انظر الشكل 2) ، والتي يمكن تركيبها بسهولة على قضبان DIN rail TS-35 / 7.5 أو TS-35/15.

تلعب إلكترونيات الطاقة دورًا متزايد الأهمية في أسواق مختلفة مثل السيارات والصناعية والمستهلكين. إنها أيضًا تقنية تمكينية لمجموعة واسعة من الوظائف الجديدة والمحسّنة التي تعزز أداء السيارات والشبكات الذكية ، والسلامة ، والوظائف. تؤثر الطلبات الكهربائية والحرارية الصعبة بشدة على تصميم أنظمة الطاقة الإلكترونية. ستركز Power Electronics News على الموضوعات الرئيسية مثل محول الطاقة والتحكم في الحركة وأشباه الموصلات والإدارة الحرارية. يعد الكتاب الإلكتروني لأخبار Power Electronics نهجًا تفاعليًا للإبلاغ عن أحدث التقنيات والاتجاهات وابتكارات المنتجات في أسواق محددة.