شرح SMPS: ما هو مزود الطاقة التحويلية حقاً؟

إن ضمان تزويد الأجهزة الإلكترونية بالطاقة بكفاءة عالية هو أولوية قصوى في العالم الذي نعيش فيه اليوم بسبب طبيعته المدمجة. فقط ألقِ نظرة من حولك: شواحن الهواتف المحمولة، ومحولات الكمبيوتر المحمول، وحتى مصادر الطاقة الداخلية للتيار المستمر داخل أجهزة التلفزيون والكمبيوتر أصبحت أكثر أناقة وسرعة وكفاءة من المحولات الضخمة التي كانت موجودة في الماضي. ما الذي أدى إلى هذا التغيير؟ وحدات إمداد الطاقة ذات الوضع التبديلي (SMPS). دون أن تلاحظ، تقوم هذه التقنية بالكثير من أعمال “النخر” في الإلكترونيات الحديثة، وتحقق الاكتناز وخفة الوزن إلى جانب تحسين الكفاءة مقارنةً بالإمدادات الخطية. ولكن ما هو smps (تبديل الإمداد بالطاقة) بالضبط؟ وكيف يحقق ذلك؟ في هذه المقالة، سوف نستكشف لماذا أصبحت تقنية SMPS التقنية الرائدة لتحويل إمدادات الطاقة في الإلكترونيات حيث سنشرح مفاهيمها وعملياتها ومكوناتها وتطبيقاتها.

فهم المفهوم الأساسي

يدير مزود الطاقة التبديلي طاقة الدخل الكهربائي للتيار المستمر كتيار مباشر من خلال التبديل السريع، وليس التبديد المستمر. فكّر في تدفق المياه - يشبه مزود الطاقة الخطي صنبور المياه المفتوح بالكامل، مما يسمح للماء بالتدفق دون تحكم. يمكن بعد ذلك التحكم في ضغط الماء باستخدام الصمامات التي تخلق احتكاكًا ومقاومة، مما يؤدي إلى تبديد الطاقة باستمرار كحرارة. وبدلاً من ذلك، يمكن تنظيم الماء عن طريق تشغيل الصنبور وإيقاف تشغيله، وهذه هي الطريقة التي يعمل بها مزود الطاقة بالتبديل. تحدد المدة التي يتم فيها تشغيل الصنبور مقابل إيقاف تشغيله متوسط تدفق المياه - فالطاقة المهدرة التي يتم إنفاقها في عملية التدوير نفسها تكون ضئيلة. يختلف مزود الطاقة بالتبديل SMPS عن مزود الطاقة الخطي في تحقيق كفاءة طاقة أكبر من مزودات الطاقة الخطية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في تحويل الطاقة الكهربائية المسحوبة من مصدر تيار متردد خام أو مصدر تيار مستمر إلى جهد أو تيار خرج ثابت مع الحمل المطلوب، والقيام بذلك دون جهد دون فقدان الطاقة. تقلل التحويلات المحسّنة من توليد الحرارة وتتيح تحكماً أعلى في تنظيم طاقة الخرج.

مزودات الطاقة الصغيرة والمتوسطة مقابل مزودات الطاقة الخطية: المقارنة

لفهم قيمة مزود الطاقة التبديلي بشكل كامل، من المفيد معرفة البديل الرئيسي له، وسابقه: مزود الطاقة الخطي. إن بساطة مزود الطاقة الخطي في جهد الخرج النظيف يجعل تصميم مزود الطاقة أسهل. ومع ذلك، فإن مبدأه التشغيلي يفرض قيودًا شديدة في العديد من التطبيقات الحديثة. سيتم إجراء مقارنة بناءً على الخصائص الرئيسية.

الكفاءة وتبديد الطاقة

تحقق إمدادات الطاقة الخطية تنظيم الجهد عن طريق إسقاط الجهد الزائد عبر مكون تمرير متسلسل مثل الترانزستور. تتحول هذه الطاقة إلى حرارة مما يتسبب في فقدان الطاقة وكذلك توليد الحرارة، وبالتالي تكون الكفاءة ضعيفة. وعلاوة على ذلك، يزداد هذا الأمر سوءًا عندما يكون هناك فجوة كبيرة بين جهد الدخل وجهد الخرج، أو عندما يكون هناك سحب تيار عالٍ. أيضًا، قد لا يعطي المنظم الخطي سوى كفاءة 40-60% وهي منخفضة بشكل ملحوظ.

من ناحية أخرى، تستخدم إمدادات الطاقة التحويلية بشكل حصري تقريبًا مكونات تعمل عند تشغيلها أو إيقاف تشغيلها بالكامل. وهذا يقلل من فقدان الطاقة، وبالتالي يحسن كثيراً من الكفاءة التي تتجاوز في كثير من الأحيان 85-95% في التصاميم العملية. وهذا يقلل إلى حد كبير من الطاقة المهدرة ويزيد من فعالية خافضات الحرارة الأصغر مما يساهم في انخفاض درجة الحرارة.

الحجم والوزن والتكلفة

إن توليد الحرارة لمزودات الطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم أقل من مزودات الطاقة الخطية ذات طاقة خرج مكافئة. كما أنها تتطلب خافضات حرارة أصغر. والأهم من ذلك، تعمل SMPS بترددات أعلى من خط الطاقة (50/60 هرتز). في بعض الأحيان تعمل SMPS عند مئات الكيلو هرتز أو حتى ميغاهيرتز. ومن ثم يمكن أن تستخدم SMPS محولات أصغر ومكونات ترشيح أصغر (المكثفات تحتاج إلى محاثات) لأن حجم المحول وكذلك الأجزاء المغناطيسية الأخرى يتناسب عكسيًا مع تردد التشغيل. ويساهم ذلك في تقليل حجم ووزن مزودات الطاقة إلى حد كبير، مما يؤدي إلى صغر الحجم الذي نشهده في وحدات إمداد الطاقة الإلكترونية المعاصرة. وعلى الرغم من أن عدد المكونات في وحدات الإمداد بالطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم عادة ما يكون أعلى، إلا أن تكلفة المكونات الكبيرة المصنعة بكميات كبيرة في الإنتاج بكميات كبيرة، تتطلب محولات ومبددات حرارة ضخمة ومبددات حرارة أبسط، وتصبح وحدات الإمداد بالطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم مزودات طاقة خطية عند الانحدار إلى مستويات طاقة خرج عالية. وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى استخدام قلب حديدي ثقيل في محول الإمداد الخطي 50/60 هرتز ويزيد من الوزن.

الضوضاء والتموج والتعقيد

وبقدر ما يتعلق الأمر بكفاءة إمدادات الطاقة، فإن تشغيلها المستمر ينتج عنه جهد تموج خرج منخفض الضوضاء للغاية وأقل قدر من التداخل الكهرومغناطيسي المتبادل EMI مقارنة بنظيراتها الخطية. في هذه الفئة من إمدادات الطاقة التبديلية، تؤدي طبيعتها إلى توليد نبضات الجهد والتيار مما يؤدي إلى زيادة جهد تموج الخرج الأعلى والتداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي الكبير. في محاولة لحل هذه المشكلات، يجب على المصمم إضافة دوائر تنعيم أكثر تعقيدًا تزيد من تعقيد مصدر الطاقة. مع إمدادات الطاقة التبديلية، هناك أيضًا حاجة إلى الترشيح المعقد والوقاية التي تضاعف من التعقيد الذي يمثله تنعيم مصدر الطاقة. على عكس إمدادات الطاقة الخطية الأساسية التي تعتمد على دوائر بسيطة، تتطلب مصادر الطاقة الخطية الأساسية دارات معقدة أكثر تقدمًا، وغالبًا ما تكون مصنوعة من دوائر متكاملة متخصصة.

كيفية عمل مزودات الطاقة التحويلية: دليل مبسط

تتميز مزودات الطاقة التحويلية (SMPS) بخصائص مميزة لمكونات تحويل الطاقة وتنظيمها، على الرغم من أنها تبسط الأنظمة أكثر من المحولات الخطية. لعرض العمليات الأساسية على شكل خطوات، ضع في اعتبارك المخطط التالي:

الخطوة 1: الإدخال والتصحيح

تتميز مدخلات التيار المتردد بمستوى جهد معين. يتم تعديل هذا الجهد أولاً عن طريق الثنائيات لتحويله من تيار متردد إلى تيار مستمر، أو بعبارة أخرى، يتم تقويمه. ويكون الخرج في شكل تيار مستمر نابض يقوم مكثف مرشح بتهدئته، على الرغم من أنه يظل غير مستقر وعرضة للتقلبات طالما تغير دخل التيار المتردد. في عدد من التصميمات الحديثة، يحدث التصحيح عند تزويد التيار المتردد ولا حاجة إلى محول.

الخطوة 2: التبديل عبر PWM

تستخدم SMPS مفتاح عالي السرعة باعتباره المكون الأساسي لأنظمة تعديل عرض النبض (PWM). تحدد دورة التشغيل نسبة وقت التشغيل إلى الوقت الإجمالي للمفتاح عالي السرعة. يتم تطبيق مدخلات التيار المستمر على المفتاح بحيث يمكن لمزود طاقة وضع التبديل (SMPS) إخراج نبضات الجهد. يُطلق على مزود طاقة وضع التبديل (SMPS) على هذا النحو لتمييز النوع المحدد لمصدر طاقة التيار المستمر، والذي يطبق ترددًا عاليًا مع ترانزستورات MOSFET. السمة الرئيسية لتطبيق SMPS هي تطبيق التحكم في تعديل عرض النبض.

الخطوة 3: نقل الطاقة وتخزينها

يتم توصيل نبضات من الطاقة ذات الجهد المنخفض إلى جهاز تخزين الطاقة - في معظم الحالات، محث أو محول. عند إغلاق المفتاح، يتم التقاط كمية معينة من الطاقة في المجال المغناطيسي. كما تساعد المحولات أيضًا في زيادة أو خفض مستوى الجهد، مع الحفاظ على العزل الكهربائي بين المدخلات والمخرجات.

الخطوة 4: تصحيح المخرجات وتصفيتها

لا يزال خرج جهاز تخزين الطاقة يتطلب معالجة لتحويله إلى جهد تيار مباشر سلس ومستقر (DC). يتم تقويم النبضات من خلال ثنائيات التبديل عالية السرعة (ثنائيات شوتكي)، بينما تقوم المكثفات بإزالة التذبذبات المتبقية. ويكون الخرج الآن عبارة عن جهد تيار مستمر ثابت وقابل للاستخدام.

الخطوة 5: حلقة التحكم في التغذية الراجعة

تتم مراقبة جهد الخرج باستمرار ومقارنته بجهد محدد مسبقًا. في حالة وجود اختلاف، يقوم التحكم في PWM بتعديل وقت تشغيل المفتاح من أجل الحفاظ على الخرج. يتم ذلك مثل منظم الحرارة الذي يتحكم في درجة حرارة الغرفة - يتتبع جهد الخرج - الجهد الناتج التغيرات المختلفة في المدخلات أو الحمل دون جهد مستمر.

المكوّنات الرئيسية داخل وحدة الطاقة الشمسية الصغيرة والمتوسطة

إن فهم دور المكونات الرئيسية يساعد في إزالة الغموض عن مصدر طاقة إلكتروني:

• ترانزستور التحويل (MOSFET/BJT): قلب حركة التبديل، حيث يتم تشغيل التيار وإيقاف تشغيله بسرعة تحت قيادة وحدة التحكم.
• وحدة التحكم IC: دائرة متكاملة متخصصة تقوم بتوليد إشارة PWM بناءً على التغذية الراجعة، وإدارة ترانزستور التحويل وتحقيق تنظيم الجهد.
• المحول أو المحرِّض: عنصر تخزين الطاقة ونقلها. محول الطاقةتوفر العزل وتوسيع نطاق الجهد، وتخزن المحاثات الطاقة في التصميمات غير المعزولة، وغالبًا ما تستخدم قلب حديدي عند الترددات العالية.
• ثنائيات المقوم: تحويل نبضات التيار المتردد إلى تيار مباشر بعد مرحلة التحويل/المحول. تُستخدم ثنائيات الاسترداد السريع أو ثنائيات شوتكي للتعامل مع ترددات التبديل العالية.
• مكثفات الترشيح: تعمل المكثفات الكبيرة الحجم (المدخلات والمخرجات) على تنعيم جهد التيار المستمر المتذبذب. تعتبر مكثفات الخرج ضرورية في تقليل تموج الخرج، وهي جزء من دائرة التنعيم.
• محاثات الترشيح: تُستخدم مع المكثفات في مرشحات الإخراج لزيادة سلاسة جهد التيار المستمر.

استكشاف طوبولوجيات SMPS الشائعة

في حين أن الخطوات الأساسية متشابهة, مزود طاقة التحويل يمكن تهيئة الدوائر بطرق مختلفة، تُعرف باسم الطوبولوجيات، وكل منها يناسب تطبيقات مختلفة، ونسب تحويل الجهد، و طاقة الخرج المستويات. إنها مثل الأدوات المختلفة المصممة لمهام محددة.

الطوبولوجيات غير المعزولة

وتفتقر هذه الطوبولوجيا إلى العزل الكهربائي بين المدخلات والمخرجات مما يعني أن المخرجات والمدخلات تشترك في نفس المرجع الأرضي. وغالباً ما تكون تصميمات إمدادات الطاقة الخاصة بها أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

• محول باك (ستيب داون): يخفض جهد تيار مستمر أعلى إلى جهد تيار مستمر أقل. يعمل كمحول لجهد التيار المستمر، على الرغم من أنه يعمل بكفاءة أكبر بكثير.
• محول التعزيز (Step-Up): يزيد جهد تيار مستمر منخفض إلى جهد تيار مستمر أعلى. وهو مفيد عندما يكون جهد المصدر المتاح غير كافٍ.
• محول باك-بوست: يمكن توليد جهد خرج أعلى أو أقل من الدخل مع قطبية خرج معكوسة بالنسبة للدخل.

الطوبولوجيات المعزولة

تستخدم هذه الطوبولوجيات محول الطاقة لتوفير عزل كهربائي بين المدخلات والمخرجات، مما يوفر مزايا السلامة والقدرة على إنشاء جهد خرج متعدد بجهدين مختلفين الخصائص الحالية.

• محول الارتداد الطائر: هذه واحدة من أبسط الطوبولوجيات المعزولة، وتوجد عادة في تطبيقات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة الخرج (مثل شواحن الهواتف المحمولة أو الطاقة الاحتياطية للتلفزيون). عندما يكون المفتاح في وضع التشغيل، يتم تخزين الطاقة في قلب المحول وعندما يكون في وضع إيقاف التشغيل، يتم نقل الطاقة إلى الخرج.
• المحول الأمامي: ينقل الطاقة إلى الخرج أثناء وقت التبديل ON. إنه أقل بساطة من Flyback ولكنه قد يكون أكثر كفاءة في مستويات خرج الطاقة الأعلى.
• المحولات نصف الجسر والمحولات كاملة الجسر: بالنسبة لتطبيقات طاقة الخرج الأعلى، تتضمن هذه الطوبولوجيات عدة ترانزستورات تبديلية مرتبطة معًا في شكل جسر في الجانب الأساسي من المحول.

مزايا وعيوب SMPS ومساوئها

استنادًا إلى المقارنة والشرح الذي أجريناه، يمكننا تلخيص المفاضلات الرئيسية لـ وحدات إمداد الطاقة في الوضع:

المزايا:

• كفاءة عالية: التشغيل بأعلى كفاءة يقلل بشكل كبير من الطاقة الحرارية المهدرة.
• حجم صغير الحجم وخفيف الوزن: توفر زيادة الحجم الصغير قيمة إضافية في التطبيقات الحساسة للوزن والمحمولة.
• نطاق جهد الإدخال الواسع: هناك عدد من التصميمات المتوافقة مع مجموعة كبيرة من فولتية التيار المتردد ومدخلات التيار المستمر (على سبيل المثال، مدخلات طاقة تيار متردد عالمية).
• فعالة من حيث التكلفة: غالبًا ما تكون أكثر اقتصادًا من نظيراتها الخطية لطاقة الخرج الكبيرة والحجم المادي.
• يمكن تصعيده لأعلى أو لأسفل: يوفر تغييرًا متعدد الاستخدامات للجهد (بما في ذلك العزل) مع الحفاظ على دقة جهد الخرج.

العيوب:

• التعقيد العالي: الحاجة إلى المزيد من الأجزاء وتكوين مصدر طاقة معقد.
• الضوضاء الكهربائية (EMI/RFI): تنتج دارات الطاقة درجة من الضوضاء المرتبطة بالتبديل والتي تتطلب الترشيح بواسطة دائرة تنعيم معقدة.
• تموج الإخراج: وتتطلب التباينات في جهد الخرج أجهزة دقيقة للحد من التذبذبات القابلة للتحديد ومخرجات منخفضة الضوضاء.
• استجابة عابرة: على عكس إمدادات الطاقة الخطية، قد لا تكون السرعة التي تستجيب بها بعض هذه الإمدادات لتغيرات الحمل فورية.
• الحد الأدنى من متطلبات الحمولة: لن تعمل بعض الطوبولوجيات بشكل صحيح دون تطبيق حمولة تفي بالحد الأدنى لقيمة التنظيم.

أين يتم استخدام SMPS؟ (التطبيقات)

يبدو أن فوائد مزود الطاقة التبديلي تتوسع في استخدامه في الإلكترونيات الحديثة. يمكنك العثور على وحدات الإمداد بالطاقة في هذا الوضع في:

• المعدات الصناعية: أجهزة التحكم المنطق المنطقية القابلة للبرمجة، ومحركات المحركات، وأنظمة التحكم، ومعدات الاختبار والقياس، التي تحتاج إلى إمدادات طاقة تيار مستمر موثوقة.
• الإلكترونيات الاستهلاكية: أجهزة الكمبيوتر (أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة)، وأجهزة التلفزيون، وأجهزة الألعاب، وأجهزة الشحن (شواحن الهواتف المحمولة)، وأنظمة الصوت.
• إضاءة LED: تحويل طاقة التيار المتردد بكفاءة إلى متطلبات الجهد/التيار المستمر الدقيقة لمصابيح LED.
• الاتصالات السلكية واللاسلكية: تشغيل المحطات القاعدية ومفاتيح الشبكة وأجهزة المودم والهواتف.
• المعدات الطبية: حيث التصغير، والكفاءة، ومتطلبات العزل المحددة أمر بالغ الأهمية.

SMPS في الأتمتة الصناعية: لماذا تعتبر الجودة مهمة (قيمة OMCH)

انقطاع الطاقة ليس خياراً عندما يتعلق الأمر بأنظمة الأتمتة التي تعتمد عليها شركتك. نحن في شركة OMCH، نضمن لك كشركة أتمتة صناعية كاملة النطاق، أن موثوقية الطاقة المتعلقة بالمكونات أو الأنظمة التي نقدمها أمر بالغ الأهمية. إن نجاحنا الكبير في حل أصعب المهام التي تفرض متطلبات على موثوقية النظام وأدائه وقدرته على التحمل هو بمثابة شهادة على نهجنا الاستراتيجي. وعلاوة على ذلك، يشير هذا إلى تركيزنا على تصميم المنتجات والمكونات المتكاملة المصممة خصيصًا في طول عمر المكونات الصناعية وميزات الأداء الأساسية:.

• بنية متينة: تلتزم بأكثر المعايير الصناعية صرامة وشهادات السلامة صرامة.
• موثوقية عالية: تضمن الاختبارات المكثفة والتحكم في الأعطال على نطاق واسع عمراً طويلاً (فترة تشغيل متوسطة الأجل عالية).
• أداء EMC ممتاز: مصممة لعدم توليد وتقييد التداخل الكهرومغناطيسي وهو أمر مهم للغاية في البيئات الصناعية.
• إخراج مستقر ونظيف: قادرة على توفير جهد ثابت يتم التحكم فيه بإحكام مع تموج منخفض حتى عندما يتغير الحمل.
• السلامة والامتثال: الامتثال للوائح وشهادات السلامة الصناعية المتطلبة للغاية.

عندما تختار حلول التشغيل الآلي من شركة OMCH، فإنك تكتسب ميزة الحصول على مكونات مصممة خصيصًا لتناسب العمود الفقري الصناعي لأنظمة التشغيل الآلي ووظائف إدارة الطاقة الحرجة التي تضمن الموثوقية باعتبارها العمود الفقري للتصميم. إن الأساس الصناعي الذي ترتكز عليه الاعتمادية التشغيلية لعملياتك هو ما نقدمه لك.

إذا كنت تبحث عن مكونات الأتمتة الصناعية التي يمكنك الوثوق في أدائها الموثوق به، فاستكشف حلول الطاقة مصممة وموردة من قبل شركة OMCH. قم بزيارة موقعنا الإلكتروني لمعرفة المزيد حول كيفية بناء الموثوقية في كل جزء من أجزاء نظام التشغيل الآلي الخاص بك: https://www.omch.com/

الخاتمة

باختصار، يعتبر مزود الطاقة التبديلي أو SMPS تقنية متقدمة لها العديد من التطبيقات في الإلكترونيات الحديثة. إن قدرتها على التبديل بوتيرة سريعة تجعلها أكثر كفاءة من إمدادات الطاقة الخطية التقليدية، مما يساهم في صغر الحجم وخفة الوزن التي تتطلبها الأجهزة التي نستخدمها بشكل يومي. كما أن التعقيد الإضافي لتصميم مزود الطاقة وإدارة الضوضاء المطلوبة لتحقيق ضوضاء منخفضة وتموج الخرج يجعل الأمر أكثر صعوبة. لكن المزايا تفوق بكثير العيوب. تبرز SMPS أكثر من غيرها كحل موثوق به لتحويل إمدادات الطاقة الإلكترونية الفعالة، من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى الأنظمة الصناعية الحرجة التي تعتمد على طاقة تيار مستمر مستقرة. إن فهم الوظائف يكشف عن الهندسة المتطورة التي تزود العالم بالطاقة، مما يجسد أهمية استخدام مكونات عالية الجودة، خاصة في سيناريوهات التطبيقات الصعبة حيث تكون الموثوقية ضرورة وليست خيارًا.