מהו ספק כוח
היסטוריה
ההזנה למתקנים אלקטרונים בעבר הייתה מתוך קו הכוח הביתי/מסחרי (230 וולט רשת) וכל מתקן הכיל מקור הזנה פנימי עצמאי וייחודי לכל יצרן. עם התפתחות ומזעור הטכנולוגיה בתחום האלקטרוניקה נוצר צורך לפתח ולמזער את תחום ההזנות למתקנים האלקטרונים ולהפכם לניידים יותר. עם המזעור וריבוי היצרנים של רכיבים אלקטרונים נוצר גם הצורך להתאים את התקנים לערכים של מתחים להזנת הרכיבים להקלת תכנון המעגלים האלקטרונים.
חלק מהמתחים שנבחרו הם:
- 15V+ ו -V 15 עבור מעגלים אנלוגיים.
- +12V להפעלת מנועים.
- 5V+ / USB למעגלים דיגיטליים וטעינת בטריות.
- +3.3V עבור מיקרופרוססורים.
ספק כוח
יחידת ספק כוח היא היחידה האחראית להפיכת זרם החילופין מקו הכוח הביתי/מסחרי (230 וולט רשת) לזרם ישר נמוך הנחוץ להפעלת מכשירים אלקטרוניים כגון טלוויזיות, מחשבים, טלפונים ומתן מתחים שונים הנדרשים על ידי מעגלים אלקטרונים אשר כוללים הגנות מפני שינויים של מתח הרשת על המתקנים האלקטרונים הניזונים ממנו.
ספקי הכוח יכולים להיות ליניאריים או ממותגים, לכל אחת מהשיטות יש את היתרונות והחסרונות שלה.
ספק כוח ליניארי
ספק כוח ליניארי מורכב משנאי בעל ליבת ברזל ומשמש כמפחית מתח, כאשר יחס הליפופים קובע את מתח היציאה. במוצא השנאי מקבלים גל סינוס שאותו מיישרים על ידי מיישר (דיודה לחצי גל וגשר דיודות לגל שלם). לאחר היישור מקבלים את החלק החיובי של הסינוס שאותו מעבירים דרך פילטר מסנן על מנת לקבל מתח ישיר.
ספק כוח ליניארי מיישר – חצי גל
ספק כוח ליניארי מיישר – גל שלם
מתח המוצא של ספק כוח לינארי לא מיוצב משתנה בהתאם לעומס המחובר אליו, טמפרטורת הסביבה ולשינויים במתח הרשת.
למעגלים הרגישים לשינויים הנ”ל, אפשר להשתמש במייצב ליניארי המסוגל לספק מתח יציב ומדויק המייצב את התנודות במתח הרשת ושינוי בעומסים. ביכולת המייצב להקטין את ההפרעות והרעשים במתח המוצא המיושר.
המייצבים הליניאריים מספקים הגנות למעגל הצרכן כגון צריכת יתר, קפיצות מתח ושינויי טמפרטורה. ספקים ליניאריים הם בעלי נצילות נמוכה הגורמת לחימום רב.
ספק כוח ליניארי עם מייצב ליניארי
ספק כוח ממותג – SMPS (Switch Mode Power Supply)
הפעולה האידיאלית הנדרשת על מנת להעלות את יכולת הנצילות היא למזער את ההפסדים על הרכיב המייצב. הפעולה המעשית היא להשתמש בטרנזיסטור או פט “FET” (הנקרא “מתג” בגלל צורת פעולתו כמתג) באזור הקטעון והרוויה שלהם. בדרך זו יש זמנים שבהן הזרם והמתח הם כמעט אפסיים. מטרה זו מושגת על ידי המרת מתח הכניסה לאות מרובע וכך נוצר הרעיון הבסיסי של ספק כוח ממותג.
היתרונות הנוספים אשר נרשמים לטובתו של ספק כוח ממותג הם גודל קטן יותר מספק כוח לינארי, משקל קל יותר (בגלל ביטול השנאי הקיים בספק כוח הלינארי) וטמפרטורה נמוכה יותר בגלל הנצילות הגבוהה.
ספק ממותג בסיסי
קיימות תצורות/טופולוגיות שונות של ספקי כוח ממותגים. הנפוצות ביותר הם:
- Buck / step down – מתח המוצא נמוך ממתח הכניסה.
- Boost / step up – מתח המוצא גדול ממתח הקלט.
- Buck-Boost / inverter – מתח המוצא הוא הפוך למתח הכניסה.
- Flyback – יש לו תצורה דומה כמו מהפך אבל הפעולה שלו מבוססת על שני משרנים בעלי צימוד או יותר. הוא בעל יתרון המאפשר לקבל מספר מתחי מוצא בתכנון מתאים.
על מנת להבין את פעולת ספק הכוח הממותג, עלינו להפריד אותו לבלוקים ולנתח אותם צעד אחר צעד.
בלוקים של ספק כוח ממותג
- פילטר EMC – תפקידו להפחית רעש אלקטרוני בתדירות גבוהה שעלולה לגרום להפרעות להתקנים אחרים.
- גשר יישור – תפקידו ליישר את זרם החילופין לזרם ישר פועם.
- קבל כניסה – תפקידו לסנן את הזרם הישר הפועם ולהמירו בזרם ישר עם ערך יציב.
- טרנזיסטור – תפקידו למתג את מתח הכניסה.
- יחידת בקרה – תפקידה למתג את הטרנזיסטור למצבי קטעון ורוויה ודגימת מתח המוצא הישר בעזרת האופטוקפלר ובכך לשמור על מתח יציאה יציב בשינוי עומס. בנוסף לכך, יחידת הבקרה מהווה כאמצעי בקרה על ספק הכוח, במקרים של מתח וזרם יתר ביציאת הספק.
- שנאי – תפקידו להוריד מתח ולבודד פיזית את כניסת הספק מהיציאה.
- דיודה – במקרה של ספק כוח ממותג התפקיד של הדיודה הוא לאפשר לזרם החשמלי לעבור בכיוון אחד
- (כיוון קדימה של דיודה), תוך חסימה בכיוון ההפוך. בזמן מיתוג השנאי משמש כשסתום חד כיווני.
- פילטר – משמש כמסנן ומייצב מתח היציאה.
- אופטוקפלר – מקשר את יציאת הספק והבקרה על ידי הפרדה פיזית ביניהם.
