منبع تغذیه سوئیچینگ (پاور سوئیچینگ) یک منبع تغذیهٔ الکترونیکی است. که توان را از یک منبع به یک مقصد (مصرف‌کننده) هم‌زمان با تغییر مشخصه‌های ولتاژ و جریان تبدیل می‌کند. آنها معمولاً برای تأمین جریان و ولتاژی منظم به کار گرفته میشود. برخلاف منابع تغذیه خطی، در این منابع با تعداد سوئیچهایی (قطع و وصل جریان مدار) که توسط ترانزیستورها صورت می گیرد انجام می شود. در ادامه به معرفی اجزا و نحوه کارکرد همچنین عیب یابی و تعمیر پاور سوئیچینگ می پردازیم.
عیب یابی و تعمیر پاور سوئیچینگ
در ابتدا به نحوه کار این منابع تغذیه و سپس به مقایسه آنها با منابع خطی و در نهایت به بیشترین خرابی ها و نحوه تعمیر آنها می پردازیم.
منبع تغذیه های سوئیچینگ چگونه کار می کنند؟
این نوع پاور ها با سوئیچ و قطع و وصل سریع جریان ، ولتاژ را تغییر می دهد. و برای انتقال انرژی از یک طبقه به طبقه دیگر از فرکانس بالا و تغییرات پهنای باند موج (موج PWM) استفاده می شود.
با مثالی به تشریح این موضوع می پردازیم .
نحوه عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ
تصور کنید برای جابجایی ۱۰۰۰ کیلو گرم وزنه از قطعات ۱۰ کیلوی از یک نقطه به نقطه ای دیگر ، در صورتی که بخواهیم به یکباره همه را جابجا کنیم نیازمند ماشین آلات سنگین می باشیم تا بتوان این مجموعه را جابجا کرد. حال اگر بخواهیم با دست و یا تجهیز کوچکتری آنها را جابجا کنیم باید تک تک این قطعات جابجا شوند. در حالت اول نیاز به یک ماشین بزرگ داریم که به کندی نیز حرکت می کند و برای اتصال ، به نصب زنجیر و … احتیاج می باشد. اما در حالت دوم اگر از یک گروه نفرات که در کنار هم قرار دارند جهت جابجایی دست به دست استفاده کنیم با بالا بردن سرعت دست (زیاد کردن فرکانس مدار) می توان قطعات را با زمان کمتری نسبت به حالت اول جابجا کنیم .
نکته مهم :
اگر با همین سرعت در هر بار ۲ قطعه ۱۰ کیلویی جابجا شود. در نتیجه زمان انتقال ، دوباره کاهش می یابد و نصف می شود. و توان مدار دو برابر می شود.
مُدولاسیون پهنای پالس چیست ؟
PWM (مُدولاسیون پهنای پالس یا مُدولاسیون عرض پالس) :
به تغییرات زمان روشن و خاموش شدن (دیوتی سایکل) یک موج در یک فرکانس خاص که سبب تغییر مقدار توان در خروجی مدار شود موج pwm گویند.
همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده فرکانس هر 3 موج با هم برابر است(زمان بالا رفتن هر موج در یک زمان شروع می شود). اما زمان خاموش شدن آنها با هم متفاوت می باشد. که در موج اول 25% زمان هر سیکل روشن و 75% زمان خاموش می باشد. در موج دوم زمان روشن و خاموش با هم برابر می باشد. و در موج سوم 75% زمان سیکل روشن و 25% باقیمانده خاموش می باشد. با این حال توان منتقل شده در موج اول از همه کمتر و در موج سوم از همه بیشتر می باشد.
کاربرد موج PWM چیست و چگونه می توان آن را تولید کرد؟
با مثالی ادامه می دهیم .
در صورتی که بخواهیم سرعت موتوری (آرمیچر) را که بر روی یک اسباب بازی قرار دارد را کاهش دهیم می توانیم با قرار دادن یک مقاومت در مسیر اتصال به باتری (سری بستن مقاومت با موتور) با توجه به مقدار مقاومت سرعت موتور تغییر خواهد شد. در این مدار اتفاقی که می افتد افت ولتاژی است که بر روی دو سر مقاومت می افتد. مقاومت با اتلاف انرژی سبب می شود تا ولتاژ کمتری بر روی موتور وارد شود و دور آن پایین آید. در این نوع کاهش دور چه در زمانی که موتور با دور بالا کار می کرد و یا در زمانی که دور آن کمتر شده تقریبا به یک اندازه مصرف انرژی داریم .(مقاومت خود به عنوان مصرف کننده عمل می کند) اما در روش مدولاسیون پهنای پالس (pwm) با کم کردن دور موتور مقدار انرژی کمتری نیز تلف می شود.
چگونه می توان مدولایسیون عرض پالس را تولید کرد؟
تولید موج pwm بسیار ساده می باشد فقط کافیست با مفهوم Duty Cycle آشنا شویم .
هر فرکانسی از تعدادی نوساناتی در ثانیه تشکیل شده است .
برای مثال در برق شهری ایران فرکانس برق 50 هرتز می باشد. یعنی در هر ثانیه 50 دوره تناوب شکل می گیرد. ولتاژ مستقیم بر خلاف متناوب دوره تناوب ندارد . اما می توان با استفاده از مدارات نوسان ساز انواع فرکانسها را تولید کرد. در این مدارات ما دو سطح ولتاژ داریم یکی ولتاژ مثبت و دیگری ولتاژ صفر ولت می باشد . در صورتی که زمان قطع و وصل هر سیکل با هم برابر باشد . می گوییم Duty Cycle این موج 50% می باشد. حال اگر ما مقدار یکی از این دو وضعیت را کمتر و یا بیشتر کنیم به شرط آنکه فرکانس تغییر نکند جریان و توان به همان مقدار بیشتر و یا کمتر می شود. به این عمل تولید موج pwm می گویند.
تفاوت آداپتورهای خطی با منبع تغذیه سوئیچینگ
آداپتورهای خطی همانطور که از نامشان پیداست . به شکل خطی ولتاژ و جریان را کاهش می دهند. و همیشه در مدار جریان برقرار می باشد. در آنها برای ساخت یک ولتاژ رگوله از رگولاتورهای خطی استفاده می کنند . به عنوان مثال برای تهیه ولتاژ 5 ولت ثابت از ولتاژ 12 ولت مستقیم از رگولاتور 7805 استفاده می کنند. عملکرد این رگولاتور هدر دادن ولتاژ اضافه به شکل گرما در خود می باشد. اما در تغذیه های سوییچینگ که اسم آن نیز از نحوه عملکردش گرفته شده با سوئیچ و قطع و وصل جریان ، ولتاژ را تغییر می دهد. و برای انتقال انرژی از یک طبقه به طبقه دیگر از فرکانس بالا و تغییرات پهنای باند موج (موج PWM) استفاده می شود.
تعمیر منابع تغذیه خطی – آداپتور
آداپتور جریان متناوب ( AC Adapter) یک نوع مبدل الکتریکی میباشد، این وسیله جریان متناوب برق با ولتاژ بالا را به جریان مستقیم با ولتاژ پایین تبدیل می‌کند(یا بلعکس). آداپتورهای جریان متناوب برای تأمین انرژی دستگاههای الکترونیکی که منبع تغذیه داخلی ندارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. منبع تغذیه الکتریکی داخلی و آداپتورها دارای ساختاری مشابه هستند.
در تصویر زیر تمام قطعات تشکیل دهنده یک آداپتور کاهنده معرفی شده اند.
بیشترین خرابی آداپتورها :
- سوختن سیم پیچ اولیه ترانس (بر اثر اتصال طولانی مدت در برق )
- خرابی خازن الکترولیت
- خرابی دیودها
- و در بعضی مواقع سوختن سیم پیچ ثانویه ترانس
- در آداپتورهای آمپر بالا قطع شدن لایه مسی بر روی برد مدار چاپی .
- قلع سرد
بیشترین خرابی تغذیه سوئیچینگ :
- خرابی آی سی نوسان ساز
- سوختن ترانزیستورهای قدرت سوئیچ
- سوختن فیوز ورودی و یا خروجی مدار
- قطع شدن پد و تراک های برد مدار چاپی
- خرابی دیود و پل دیود ورودی
- خرابی یکسوسازهای خروجی
علت خرابی آی سی نوسان ساز در منابع تغذیه سوئیچینگ
مغز هر دستگاه منبع تغذیه سوئیچینگ را بخش نوسان ساز آن تشکیل می دهد. در مدلهای ساده این بخش از یک ترانزیستور و چند عدد خازن و مقاومت تشکیل می شود . و در مدلهای پیشرفته تر ، از مدارات مجتمع (آی سی) بهره می برند . به نحوی که جدای از مدار نوسان ساز حتی ترانزیستور های قدرت را نیز در یک مدار مجتمع می توان یافت . وظیفه قسمت نوسان ساز در تغذیه سوئیچینگ بر خلاف آداپتورها که با استفاده از ترانس هسته فلزی و رگولاتورهای خطی که در فرکانس کمتر از 100 هرتز کار می کند سبب اتلاف بالای انرژی می شوند. با ایجاد تحریک ترانزیستور های سوئیچ در فرکانسی خاص و PWM (مدولاسیون پهنای باند) می باشد. که به مراتب انرژی کمتری را تلف می کند.
مواردی که سبب سوختن آی سی نوسان ساز در منبع تغذیه سویچینگ می شوند
- نامرغوب بودن جنس آی سی
- خرابی دیود زنر یا رگولاتور تثبیت کننده ولتاژ ورودی آی سی
- خرابی قطعات قسمت ورودی منبع تغذیه (فیلتر EMI)
- نوسانات ورودی برق شبکه
- اتصالی مسیرهای مسی برد مدار چاپی در قسمت ورودی در اثر گرمای بیش از حد مدار
با خرابی آی سی نوسان ساز چه اتفاقی در مدار رخ می دهد ؟
با سوختن این آی سی ، نوسانات بخش سوئیچینگ قطع شده و حداکثر جریان مدار از یک و در بعضی مدارات از دو ترانزیستور قدرت عبور می کند که سبب سوختن آنها ، پل دیود ، فیوز مدار ، مقاومت های کم اهم قسمت نوسانساز و … می شود.
علت سوختن ترانزیستورهای قدرت سوئیچ در منبع تغذیه سوئیچینگ
قلب منبع تغذیه سوئیچینگ را ترانزیستورهای سوئیچ تشکیل می دهند. ترانزیستورهای پاور معمولا از نوع ماسفت N کانال می باشند. که از سرعت سوئیچ بالای برخوردار می باشند. حداکثر فشار جریانی مدار بر روی آنها وارد می شود از این رو آسیب پذیر ترین قسمت منبع تغذیه ، ترانزیستور های سوئیچ آن می باشند و در برابر مواردی که در ادامه به آنها می پردازیم آسیب پذیراند.
مواردی که سبب سوختن ترانزیستور سوئیچ در منبع تغذیه سویچینگ می شوند
- نامرغوب بودن جنس ترانزیستور
- خشک شدن خمیر سیلیکون بین ترانزیستور و هیتسینگ
- اتصال کوتاه دو سیم خروجی منبع تغذیه (برخورد 2 سیم خروجی منبع با همم)
- جریان کشی حداکثری برای مدت طولانی از تغذیه
- خرابی نوسان ساز مدار
- خرابی خازن های الکترولیتی بخش ورودی مدار
- خرابی و نشتی خازنهای الکترولیت قسمت خروجی که سبب افت ولتاژ در قسمت خروجی نیز می شود.
نحوه تست ترانزیستور های سوئیچ در منبع تغذیه سوئیچینگ
تست آنها همانند ترانزیستورهای معمولی می باشد . برای تست باید آن را از مدار خارج کنید. و بدلیل اینکه سوختن آنها در اکثر مواقع سبب اتصال کوتاه بین دو پایه آن می شود. مولتی متر را بر روی حالت بوق قرار دهید و پایه ها را دو به دو تست کنید در صورتی که صدای بوق شنیده شد ترانزیستور سوخته و باید تعویض شود. همین کار را می توان در حالت تست دیود نیز مشاهد کرد.
نکته مهم :
معمولا با سوختن ترانزیستور های سوئیچ در اثر ایجاد اتصال کوتاه در مدار قسمتهای قبل از آن نیز آسیب می بینند و باید پل دیود ، فیوز ورودی و … چک شود.
علت سوختن فیوز ورودی و یا خروجی مدار در منابع تغذیه سوئیچینگ
فیوز یک قطعه حفاظتی است که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی به شکل سری قرار می گیرد. و دیگر قطعات الکترونیکی بر روی برد و دستگاههای متصل به خروجی پاور را در برابر افزایش غیرمجاز جریان الکتریکی محافظت می‌کند. اگر جریانی بیش از جریان نامی از فیوز بگذرد واکنش فیوز قطع جریان الکتریکی خواهد بود تا به دیگر قسمتهای دستگاه آسیب وارد نشود. منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر از هر تجهیزی در برابر نوسانات برق قرار دارند زیرا بین دو اختلاف ولتاژ قرار دارند . از یک طرف نوسانات برق ورودی و از سمت دیگر خرابی دیگر قسمتهای دستگاه که از خروجی منبع تغذیه استفاده می کنند ، موجب می شوند فشارهای نا متعادلی بر این تجهیز وارد شود.
مواردی که سبب سوختن فیوز منبع تغذیه سوئیچینگ می شوند
- اتصال کوتاه دو سیم خروجی منبع تغذیه (به هم خوردن مثبت و منفی خروجی دستگاه) :
این خرابی منجر به سوختن فیوز خروجی منبع می شود.
- سوختن قطعات الکترونیکی در ماژول هایی (برد های الکترونیکی مجزا) که از خروجی منبع تغذیه استفاده می کنند.
این خرابی نیز منجر به سوختن فیوز خروجی می شود.
- جریان کشی زیاد در طولانی مدت از منبع
در این حالت احتمال سوختن ترانزیستور های سوئیچ وجود دارد که منجر به سوختن فیوز ورودی مدار می شود.
- خرابی و نشتی در خازن های الکترولیت ولتاژ بالا در قسمت ورودی تغذیه
سبب سوختن فیوز ورودی مدار میشود.
- قلع سرد پایه قطعات ورودی منبع
این امر سبب جریان کشی شده و موجب سوختن فیوز ورودی می شود.
- نوسانات ورودی برق شبکه (رعد برق ، دو فاز شدن و …)
سبب سوختن VDR مدار شده که در این حالت فیوز ورودی هم قطع می شود.
علت قطع شدن پد و تراک های برد مدار چاپی
قطع شدن مسیر های مسی زیر و یا روی برد الکترونیکی (پد و تراک ها) از مواردی می باشند که در اکثر بردهای الکترونیکی که در بخشهایی از آنها جریان عبوری بالاست اتفاق می افتد. و یا در بعضی مواقع بدلیل نوسانات در محل قرار گیری برد بر روی تجهیزات تولید و یا سنگینی بعضی قطعات الکترونیکی سوار بر روی برد ، سبب پارگی پد ها (محل لحیم کاری پایه قطعات الکترونیکی به برد الکترونیکی) می شوند. به همین خاطر در هنگام تعمیر در مرحله اول باید شکل ظاهری قطعات الکترونیکی و در مرحله دوم بازید محل اتصال قطعات الکترونیکی و پارگی مسیر های مسی چک شود.
نحوه تشخیص محل پارگی برد مدار چاپی
- بازدید چشمی مسیرهای مسی
- با استفاده از مولتی متر در حالت بوق ابتدا و انتهای مسیر ها چک شود.
- قطعات سنگین سوار بر روی برد را به آرامی از روی برد حرکت داده و محل اتصالات آنها به برد چک شود.
نحوه تعمیر قطع شدن پد ها و تراک های برد الکترونیکی
جهت تعمیر می توان به دو روش اقدام کرد.
- استفاده از لحیم کردن یک تکه سیم جهت اتصال در نزدیکترین نقاط پارگی به هم
- پاک کردن چاپ سبز در دو طرف پارگی و لحیم کاری آن دو به هم
علت خرابی دیود و پل دیود ورودی در منابع تغذیه سوئیچینگ
در منبع تغذیه سوئیچینگ بر خلاف آداپتورهای خطی در قسمت ورودی مدار ، ولتاژ متناوب بعد از گذشتن از فیلتر EMI توسط یکسوساز و خازن ریپل الکترولیت مستقیم می شود تا بتواند آی سی نوسان ساز و ترانزیستورهای سوئیچ را تحریک کند. و همچنین بتوان فرکانس مناسب مدار را ایجاد کرد. از نکات مهمی که باید در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ رعایت شود . انتخاب دیود یا پل دیود و خازن الکترولیت ورودی مناسب با وات خروجی تغذیه میباشد. در غیر این صورت در اثر نوسانات برق شبکه و یا جریان کشی زیاد پل دیود ورودی خراب می شود.
علت خرابی پل دیود ورودی پاور چیست ؟
- نامرغوب بودن جنس
- اتصال کوتاه در خروجی منبع
- خرابی و نشتی خازن الکترولیت بخش ورودی مدار
- خرابی بعد از سوختن و اتصال کوتاه ترانزیستور های سوئیچ
- ورود ولتاژ بالا به قسمت ورودی منبع (رعد و برق و …)
نحوه تست و تشخیص پل دیود خراب
پل دیود را می توان بر روی مدار نیز تست کرد و می توان مولتی متر را بر روی حالت بوق گذاشت و دو به دو پایه ها را تست کرد در صورتی که در یک یا بیشتر وضعیت ، بوق به صدا در آید به احتمال زیاد سوخته و باید پل دیود را از مدار خارج کرده و دوباره تست کنید.
شکل و علت خرابی یکسوسازهای خروجی در منابع تغذیه سوئیچینگ
همانطور که از اسم این قطعات پیداست وظیفه آنها یکسو کردن جهت جریان می باشد. و در مسیر ولتاژ متناوب قرار داده می شوند تا سیکل مورد نظر در مدار جاری شود. منابع تغذیه سوئیچینگ بر خلاف منابع خطی ، یک بار در ورودی و یک بار در خروجی ولتاژ را از متناوب به مستقیم تبدیل می کنند. (منبع تغذیه خطی فقط در قسمت خروجی ولتاژ را یکسو می کند) در تصویر چند نمونه از یکسو سازهایی که در خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود قرار داده شده اند.
نکته مهم :
چرا از یکسوسازهای معمولی در خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده نمی شود ؟
همانطور که قبلا گفتیم نحوه انتقال جریان در منابع تغذیه به تعداد سوئیچهایی که صورت می گیرد انجام می شود. و هر چه بتوان جریان را با فرکانس بالاتری جابجا کنیم می توان حجم دستگاه را کوچکتر کرد و … با این شرایط باید از یکسوسازی استفاده شود که :
در فرکانس مورد نظر پاسخگو باشد.
دو سر خروجی پاور سوئیچینگ به هم اتصال کوتاه کنند چه اتفاقی می افتد؟
در تغذیه های خطی با اتصال دو سر خروجی آنها به هم حداکثر جریان در مدار برقرار می شود و سبب گرم شدن ترانس و بعد از گذشت زمان (متناسب با طراحی ترانس) گرمای زیاد سبب از بین رفتن لاک سیم پیچ شده و در اثر اتصال کوتاه بین سیم پیچ ترانس جریان کشی ترانس از حد مجاز بالاتر رفته و سبب قطع سیم پیچ می شود.
اما
در مدارات سوئیچینگ با اتصال دو سر خروجی آنها به هم افت ولتاژ شدیدی در ورودی تغذیه به وجود می آید که سبب خاموش شدن مدار نوسان ساز می شود که این امر سبب قطع برق خروجی مدار می گردد و از سوختن تغذیه جلوگیری می کند. اما اگر زمان اتصال کوتاه زیاد باشد و یا از قطعات نامرغوبی در ساخت آنها استفاده شده باشد می تواند سبب خرابی برد شود.
آسیب پذیر ترین قسمت های برد تغذیه سوئیچینگ در هنگام اتصال دو سیم خروجی مدار
- خرابی یکسوسازهای خروجی
- سوختن ترانزیستورهای قدرت سوئیچ ورودی
- سوختن فیوز ورودی و یا خروجی مدار
- قطع شدن پد و تراک های (اتصالات مسی زیر و یا روی برد در صورت دو لایه بودن) برد مدار چاپی (PCB)
- در گاهی اوقات خرابی آی سی نوسان ساز
- خرابی پل دیود ورودی مدار
