עקרון עבודה של מיתוג ספק כוח + ניתוח דיאגרמת מעגלים

1. סקירה כללית של החלפת ספק כוח

החלפת ספק כוחהוא מכשיר להמרת אנרגיה חשמלית בתדר גבוה, הידוע גם בשם מיתוג ספק כוח או ממיר מיתוג. הוא מעביר את מתח הכניסה לאות דופק בתדר גבוה באמצעות צינור מיתוג במהירות גבוהה, ולאחר מכן ממיר את האנרגיה החשמלית מצורה אחת לאחרת באמצעות עיבוד שלשַׁנַאי, מעגל מיישר ומעגל סינון, ולבסוף משיג מתח DC אדווה נמוך יציב לאספקת חשמל.

למיתוג ספק כוח יש את היתרונות של יעילות גבוהה, יציבות טובה, גודל קטן, משקל קל, אמינות גבוהה, וניתן להתאים אותו לצרכי חשמל שונים של ציוד.

החלפת אספקת חשמל הייתה בשימוש נרחב בתחומים שונים, כולל אוטומציה תעשייתית, תקשורת ואנרגיה חדשה. בתחום האוטומציה התעשייתית, ספק כוח מיתוג מספק תמיכת חשמל יציבה לציוד אוטומציה שונים כדי להבטיח את הפעולה היעילה והיציבה של הציוד.

בתחום התקשורת, אספקת חשמל מיתוג נמצאת בשימוש נרחב בתחנת בסיס אלחוטית, ציוד רשת וכו', כדי להבטיח את יציבות העברת האותות של מערכת התקשורת ולשפר את איכות התקשורת. בתחום האנרגיה החדשה, החלפת אספקת החשמל משחקת תפקיד מפתח במערכות אנרגיית השמש והרוח, ומסייעת לשימוש יעיל באנרגיה מתחדשת.

מיתוג ספק כוח מורכב בערך מארבעה מרכיבים עיקריים: מעגל קלט, ממיר, מעגל בקרה ומעגל פלט. להלן דיאגרמת בלוק סכמטית טיפוסית של ספק כוח מיתוג, חשוב לנו להבין את ספק הכוח המיתוג.

2. סיווג של מיתוג ספקי כוח

ניתן לסווג מיתוג ספקי כוח לפי תקני סיווג שונים. להלן מספר שיטות סיווג נפוצות:

1. סיווג לפי סוג הספק קלט:
ספק כוח מיתוג AC-DC: ממיר מתח AC למתח DC.
ספק כוח מיתוג DC-DC: ממיר מתח DC למתח DC אחר.

2. סיווג לפי מצב עבודה:
ספק כוח מיתוג חד-קצה: בעל צינור מתג אחד בלבד, מתאים ליישומים עם הספק נמוך.
ספק כוח מיתוג כפול: בעל שני צינורות מתג, מתאים ליישומים בעלי הספק גבוה.

3. סיווג לפי טופולוגיה:
לפי הטופולוגיה, ניתן לחלק אותו באופן גס לבאק, בוסט, באק-בוסט, פליבק, קדימה, שני טרנזיסטור קדימה, Push-Pull, Half Bridge, Full Bridge וכו'. שיטות הסיווג הללו הן רק חלק מהן. ניתן גם לסווג מיתוג ספקי כוח ביתר פירוט בהתאם לדרישות ויישומים ספציפיים אחרים.

לאחר מכן, נציג את ה-Flyback ו-Forward הנפוצים. Forward ו-Flyback הן שתי טכנולוגיות מיתוג שונות של אספקת כוח. ספק כוח מיתוג קדימה מתייחס לספק כוח מיתוג המשתמש בשנאי בתדר גבוה קדימה כדי לבודד את האנרגיה המצורפת, וספק הכוח המתאים למיתוג חילופי חזרה הוא ספק כוח מיתוג חילופי חוזר.

2.1 ספק כוח מיתוג קדימה

אספקת כוח מיתוג קדימה במבנה מורכבת יותר, אך הספק המוצא גבוה מאוד, מתאים לאספקת כוח מיתוג של 100W-300W, בשימוש בדרך כלל באספקת חשמל מיתוג במתח נמוך וזרם גבוה, בשימוש נרחב יותר.

כפי שמוצג באיור שלהלן, עבור אספקת חשמל מיתוג קדימה במיוחד כאשר צינור המיתוג מופעל, שנאי המוצא פועל כמדיום המקושר ישירות לאנרגיית השדה המגנטי, אנרגיה חשמלית ואנרגיה מגנטית מומרות זו לזו, כך שה קלט ופלט בו זמנית.

ישנם גם חסרונות ביישום היומיומי: כגון הצורך להגדיל את פיתול הפוטנציאל ההפוך (כדי למנוע את סליל השנאי הראשוני שנוצר מהפוטנציאל ההפוך להתמוטטות צינור המיתוג), המשני יותר ממשרן אחד לסינון אגירת אנרגיה, כך בהשוואה לספק כוח מיתוג flyback, העלות שלו גבוהה יותר, ונפח שנאי אספקת כוח מיתוג קדימה מנפח שנאי אספקת ה-Flyback מיתוג גדול יותר.

אספקת חשמל מיתוג קדימה

2.2 אספקת כוח מיתוג חילופי חזרה

כפי שמוצג באיור שלהלן, ספק כוח מיתוג חילוף חוזר מתייחס לספק כוח בורר המשתמש בשנאי חילוף בתדר גבוה כדי לבודד את מעגלי הקלט והיציאה. השנאי שלו לא רק ממלא את התפקיד של המרת מתח להעברת אנרגיה, אלא גם ממלא את התפקיד של משרן אחסון אנרגיה. לכן, שנאי ה-Flyback דומה לעיצוב של משרן. כל המעגלים פשוטים יחסית וקלים לשליטה. Flyback נמצא בשימוש נרחב ביישומים בעלי הספק נמוך של 5W-100W.

עבור אספקת כוח מיתוג ב-Flyback, כאשר צינור המתג מופעל, הזרם של המשרן הראשי של השנאי עולה. מכיוון שלסליל המוצא של מעגל ה-flyback יש קצוות מנוגדים, דיודת המוצא כבויה, השנאי אוגר אנרגיה, והעומס מסופק באנרגיה על ידי קבל המוצא. כאשר צינור המתג כבוי, המתח האינדוקטיבי של המשרן הראשי של השנאי מתהפך. בשלב זה, דיודת המוצא מופעלת, והאנרגיה של השנאי מסופקת לעומס דרך הדיודה, תוך כדי טעינת הקבל.

החלפת אספקת כוח ב-Flyback

מההשוואה ניתן לראות שלשנאי של עירור קדימה יש רק את הפונקציה של שנאי, וניתן לראות את כולו כמעגל buck עם שנאי. ניתן להתייחס לשנאי Flyback כמשרן עם פונקציית שנאי, הוא מעגל buck-boost. באופן כללי, עקרון העבודה של ה-flyback קדימה שונה, קדימה היא העבודה המשנית העיקרית, המשנית לא עובדת עם משרן זרם כדי לחדש את המצב הנוכחי, בדרך כלל CCM.

מקדם ההספק בדרך כלל אינו גבוה, והקלט והתפוקה ומחזור העבודה המשתנה הם פרופורציונליים. Flyback היא העבודה העיקרית, המשני לא עובד, שני הצדדים באופן עצמאי, בדרך כלל מצב DCM, אבל השראות של השנאי תהיה קטנה יחסית, והצורך להוסיף מרווח אוויר, כך שבדרך כלל מתאים להספק קטן ובינוני.

שנאי קדימה הוא אידיאלי, אין אחסון אנרגיה, אך מכיוון ששראות העירור היא ערך סופי, זרם העירור הופך את הליבה להיות גדולה, על מנת למנוע רוויית שטף, השנאי זקוק לפיתול עזר לאיפוס השטף.

ניתן לראות את שנאי ה-Flyback כצורה של השראות משולבת, השראות תחילה אחסון אנרגיה ולאחר מכן פריקה, עקב מתחי הכניסה והיציאה של שנאי ה-Flyback מנוגדים לקוטביות, כך שכאשר צינור המיתוג מנותק, המשני יכול לספק אתליבה מגנטיתעם מתח איפוס, ולפיכך שנאי ה-Flyback לא צריך להוסיף פיתול נוסף לאיפוס שטף.