مقدمه


در کل مدارات الکترونيکي از سه المان پايه تشکيل شده*اند که تمامي قطعات درون مدارات را مي*توان توسط اين سه المان مدل سازي نمود. اين سه المان عبارتند از مقاومت، خازن و سلف.

مقاومت در حقيقت مصرف کننده انرژي الکتريکي در مدار مي*باشد و خازن و سلف عناصر ذخيره ساز انرژي. بدين صورت که در مواقعي انرژي الکتريکي را در خود ذخيره مي*سازند ( شارژ ) و در مواقعي ديگر نيز اين انرژي را تخليه مي*نمايند ( دشارژ ). همچنين سلف المان ذخيره ساز جريان و خازن المان ذخيره ساز ولتاژ مي*باشد.
در مدارات DC در ابتداي ورود جريان DC به مدار اين المان*ها شارژ شده و خازن*ها به مدار باز و سلف*ها به اتصال کوتاه تبديل مي*شوند و مدار کاملا به صورت مقاومتي خواهد شد. ولي در مدارات AC ولتاژ ورودي به صورت سينوسي و با فرکانس مشخص ( معمولا 50Hzدر برق شهري ما ) مي*باشد. شکل موج ولتاژ و جريان مدارات مقاومتي در حالت AC فقط در اندازه متفاوت هستند و کاملا شبيه يکديگر مي*باشند يعني حداکثرها و حداقل*هاي دو نمودار در يک زمان رخ مي*دهد در نتيجه مي*توان آنها را هم فاز ناميد. ولي بر خلاف اين مدارات، در مدارهايي که داراي عناصر ذخيره ساز انرژي مي*باشند، شکل موج سينوسي جريان بر حسب زمان نسبت به مقدار اين المان*ها براي مدارات خازني جلوتر و براي مدارات سلفي عقب*تر از شکل موج ولتاژ قرار مي*گيرد و اين واکنش به علت خاصيت ذخيره*سازي آنها روي مي*دهد. بدين ترتيب بين ولتاژ و جريان اختلاف فاز ايجاد مي*شود.


[براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل1


    خواص سلف و خازن به گونه*اي است که دوگان يکديگر نيز ناميده مي*شوند يعني با روابط خاص بين آنها در مدار تشديد رخ مي*دهد و اين دو اثر همديگر را خنثي مي*سازند و مدار به يک مدار مقاومتي خالص تبديل مي*شود.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    فرمول 1




    همچنين در مدارات الکتريکي انواع مختلفي از توان الکتريکي تعريف مي*شود که در ذيل به آنها اشاره مي*شود:


    توان لحظه*اي : تواني است که از ضرب ولتاژ و جريان در يک لحظه خاص بدست مي*آيد.
    توان فعال ( Active ) : تواني است که صرفا توسط يک بار مقاومتي مصرف مي*گردد و واحد اندازه گيري آن وات مي*باشد. توان اکتيو تماما به مصرف کار مفيد مي*رسد و جهت تبديل انرژي الکتريکي به حرکت يا گرما به کار مي*رود.
    توان پسيو ( Reactive ) : از آنجايي که جز اصلي بارهاي واقعي، خاصيت القايي و خازني مي*باشد توان راکتيو نيز همراه با توان اکتيو مصرف مي*گردد. اين توان که با واحد VAR ( ولت آمپر راکتيو ) اندازه گيري مي*شود توسط بار مصرف نمي*گردد و صرف توليد ميدان مغناطيسي و ذخيره انرژي در عناصر ذخيره ساز مي*شود. زيرا انرژي دريافتي در يک نيم سيکل، در نيم سيکل بعدي به استثناي تلفاتي که در سيم*ها اتفاق مي*افتد به طور کامل به شبکه باز مي*گردد و در نتيجه تنها منجر به افزايش حرارت قطعات مي*گردد. بنابراين مي*توان گفت اين توان مطلقا بي*فايده است و بايد براي حذف آن از روش*هاي گوناگوني استفاده نمود.
    توان ظاهري ( توان کل ) : مجموع توان دريافتي از شبکه مي*باشد. اين توان جمع برداري توان اکتيو و راکتيو مي*باشد و بر حسب ولت آمپر اندازه گيري مي*شود. ( شکل 2 )


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل2


    همانطور که مشاهده مي*نماييد بين توان اکتيو و توان ظاهري زاويه*اي به نام φ وجود دارد که مقدار آن برابر اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان در مدارات سلفي و خازني حالتAC مي*باشد.

    نکته مهم : مسلما براي ما بهتر مي*باشد که تمام تواني که از شبکه دريافت مي*کنيم صرف انجام کار مفيد شود تا اينکه بخشي از آن به واسطه شارژ و دشارژهاي متوالي درون قطعات تلف شود. بنابراين بايد مصرف توان راکتيو را در مدار به حداقل رساند و توان ظاهري را به توان اکتيو نزديک نمود با اين عمل در حقيقت با خنثي نمودن اثر سلف*ها و خازن*هاي مدار، اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان حذف شده و مدار به يک مدار صرفا مقاومتي بدل مي*گردد و تمامي توان دريافتي از شبکه به مصرف کار مفيد مي*رسد.

    ضريب توان ( Power Factor ) چيست؟
    ضريب توان در حقيقت نسبت توان اکتيو به توان ظاهري است. همچنين طبق روابط زير برابر کسينوس زاويه اختلاف فاز ولتاژ و جريان ( در حالتي که هر دو شکل موج ولتاژ و جريان سينوسي خالص باشند ) مي*باشد.
    در حال حاضر به علت وجود المان*هاي سوئيچينگ در برخي مدارات، شکل موج جريان اکثر آنها به دليل وجود هارمونيک*هاي جريان، سينوسي نمي*باشد. بنابراين در اين حالات براي ضريب توان دو عامل مطرح مي*گردد :
    ـ عامل جابجايي که همان زاويه اختلاف فاز بين شکل موج ولتاژ و جريان مي*باشد.
    ـ عامل اعوجاج که وابسته به اعوجاج شکل موج حاصل از ورود هارمونيک*ها مي*باشد.
    در اين مواقع ضريب توان بدين صورت بدست مي*آيد.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    فرمول2


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    فرمول3


    کم شدن ضريب توان به سمت صفر علاوه بر افزايش تلفات، باعث حرکت هارمونيک*هاي جريان در خط خنثي شده و موجب اختلال در کارکرد ساير وسايل الکترونيکي مي*گردد. بنابراين متوجه مي*شويم که ضريب توان هر چه به عدد يک نزديک*تر باشد ( زاويه اختلاف فاز کمتر و توان اکتيو به توان ظاهري نزديک*تر ) مقدار توان غير مفيد يا همان " توان راکتيو" کاهش مي*يابد.



    خلاصه کلام


    براي انجام اين مهم از مداراتي به نام Power Factor Correction )PFC) يا تصحيح ضريب توان استفاده مي*گردد که وظيفه آنها حذف هارمونيک*ها، به حداقل رساندن اعوجاج و کاهش اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان به صورت يک شبيه ساز مقاومت مي*باشد. در حال حاضر استفاده از منابع تغذيه سوئيچينگ به طور چشمگيري افزايش يافته است. يکي از کاربرد*هاي اين منابع تغذيه سوئيچينگ، پاور کامپيوترهاي شخصي مي*باشد و استانداردها و تاييديه*هاي مختلف روي موضوع PFC در پاورها تاکيد ويژه*اي دارند.



    مدارات PFCپاورها مانند ساير منابع تغذيه سوئيچينگ وظيفه افزايش ضريب توان و نزديک نمودن آن به عدد يک را دارند. پاورها به دليل وجود خازن*هاي با ظرفيت بالا در ورودي جهت جبران ريپل ورودي، ذاتا داراي خاصيت خازني بالايي هستند و بين ولتاژ و جريان ورودي آنها اختلاف فاز قابل توجهي وجود دارد. پس اين خاصيت خازني بايد به طريقي خنثي گردد تا مدار به صورت يک بار مقاومتي به نظر برسد. همچنين به دليل کليد زني سريع المان*هاي نيمه هادي قدرت و غير خطي بودن اين عناصر در شکل موج جريان، به واسطه وجود هارمونيک*هاي فرکانس بالاتر، اعوجاج به وجود مي*آيد. همانطور که مي*دانيد، تنها هارمونيک اصلي جريان در انتقال انرژي خالص به بار نقش دارد و ساير هارمونيک*ها در اين رابطه نقشي ندارند. در نتيجه هارمونيک*هاي اضافي نيز بايد به طريقي حذف گردند.



    همانگونه که ذکر شد يک پاور بدون PFC به دليل خازن*هاي بزرگ ورودي مانند يک بار بزرگ خازني عمل مي*کند. اين خازن*ها که بعد از پل ديودي قرار مي*گيرند طبق شکل 2 در يک چهارم اول موج ولتاژ به اندازه پيک ولتاژ شارژ مي*شوند. سپس در اين هنگام ولتاژ ورودي به سرعت افت پيدا مي*کند ( يک چهارم دوم ) و خازن به آرامي درون بار دشارژ مي*گردد ( شکل 3 ) در اين حالت کماکان ولتاژ خازن بزرگتر از ولتاژ شبکه است و جريان شارژ خازن توسط ديودهاي يکسو ساز قطع مي*باشد و تا زماني که ولتاژ شبکه در نيم سيکل پنجم بزرگتر از ولتاژ خازن شد ادامه مي*يابد. در نيم سيکل پنجم خازن بار ديگر به*اندازه پيک ولتاژ شارژ مي*گردد.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل3


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل4


    بنابراين همانطور که درنمودار ملاحظه مي*نماييد به علت وجود اين خازن تنها در پالس با پهناي باريک از شبکه بهره برداري مي*گردد .



    منبع تغذيه بدون تصحيح ضريب توان يا Non PFC


    خط سبز در اسيلوگرام شکل 5، ولتاژ شبکه را مشخص مي*سازد و خط زرد نيز جرياني را که توسط پاور از شبکه مصرف شده است را نمايش مي*دهد. در اينجا ضريب توان تقريبا برابر 7 / 0 مي*باشد در حقيقت در حدود يک سوم توان صرف گرم شدن کابل*ها مي*شود بدون اينکه هيچ کار مفيدي انجام شود. کاربران خانگي نبايد از اين عدد احساس نگراني کنند زيرا کنتورهاي خانگي فقط توان اکتيو را اندازه گيري مي*نمايند، اما ضريب توان پايين ممکن است براي دفاتر و اتاق*هاي بزرگ که در آنها از تعداد زيادي کامپيوتر به طور همزمان استفاده مي*گردد، ايجاد مشکل نمايد. زيرا سيم*ها و تجهيزات جانبي در حالت حداکثر بار عمل مي*کنند. همچنين ضريب توان پايين درانتخابUPS تاثير دارد زيرا اين وسايل نسبت به توان اکتيو محدوديت دارند.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل5


    Passive PFC : در اينجا مشخص مي*شود که وسايل تصحيح ضريب توان چرا اينقدر مورد اقبال قرار گرفته*اند. يکي از ساده*ترين و گسترده*ترين ابزاري که وظيفه PFC را انجام مي*دهد، به آن PFC پسيو گفته مي*شود، که يک سلف ( چوک ) معمولي است که* اندوکتانس نسبتا بالايي دارد و به صورت سري با مدار منبع تغذيه قرار مي*گيرد.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل6


    اين اسيلوگرام ( شکل 6 ) نشان مي*دهد در اين حالت ابزار Passive PFC، پالس*هاي الکتريکي جريان را تا حدي به طرف خارج هموار و در زمان منبسط نموده است اما اندوکتانس چوکي که درون پاور قرار دارد نمي*تواند به صورت جدي تاثيري روي ضريب توان داشته باشد. بنابراين ضريب توان پاور در اين حالت در حدود 75 / 0 مي*باشد.
    نه تنها اندازه سلف، بلکه تاثير آن در عملکرد پاور به ما اجازه استفاده از سلفي با اندوکتانس بالاتر را نمي*دهد. اندوکتانس بزرگي که به صورت سري به پاور متصل شده است مشخصات ديناميکي آن را خراب مي*کند. در حقيقت واکنش آن به تغييرات سريع بار همچنين نوسانات ناگهاني شبکه توان تحت تاثير قرار مي*گيرد. علاوه بر اين استفاده از اين سلف باعث اثرات مخرب گرمايشي، ارتعاشي و الکترومغناطيسي نيز خواهد شد. سلف مي*تواند هارمونيک*ها البته فقط از نوع فرکانس پايين آنها راخنثي نمايد زيرا به علت اندوکتانس بالا نويزهاي فرکانس بالا را از خود عبور مي*دهد. بنابراين نقش Passive PFC مبهم است، از طرفي ضريب توان را کمي افزايش مي*دهد ولي خصوصيات ديناميک پاور را خراب مي*کند. بنابراين هنگام انتخاب بين دو پاور با Passive PFC وPFC Non شما بايد انتخاب خود را بر اساس مؤلفه*هاي ديگري که مهم*تر از بودن يا نبودن Passive PFC است، انجام دهيد.

    Active PFC : برخلاف Passive PFC، در حال حاضر قطعات Active PFC درمنابع تغذيه سوئيچينگ کاهنده ولتاژ استفاده مي*شوند. Active PFC بين شبکه توان و رگولاتور اصلي متصل مي*گردد و يک ولتاژ ثابت بين 380 تا 400 ولت در ورودي پاور توليد مي*نمايد. بر خلاف رگولاتور اصلي سوئيچينگ، قطعه Active PFC براي حالتي در نظر گرفته شده است که در ورودي خود به ولتاژي با سطح هموار نياز ندارد و بنابراين پاور نيازي به خازن با ظرفيت*هاي بالا نخواهد داشت ( در اين روش ظرفيت خازن*ها تا کمترين ميزان خود، متناسب با توان کلي پاور کاهش مي*يابد ).
    در نتيجه پاورهاي سوئيچينگ Active PFC در مدار خود بار خازني ندارند و در نتيجه ضريب تواني نزديک 1 دارند.


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل7


    همانطور که در شکل 7 مي*بينيد، نمودار جرياني که توسط پاور با Active PFC مصرف شده است کمي* با مصرف يک بار مقاومتي عادي تفاوت دارد. ( ضريب توان چنين پاوري درFull Load در حدود 95 / 0 الي 99 / 0 مي*باشد ) نمودار زير ( شکل 8 ) نتايج آزمايش شده مربوط به ضريب توان در بار را براي 3 نوع پاور نمايش مي*دهد:


    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]

    شكل8


    گذشته از ايجاد ضريب توان نزديک به ايده*آل، Active PFC برخلاف Passive PFC عملکرد پاور را بهبود مي*بخشد. در ابتدا ولتاژ ورودي رگولاتور اصلي پاور را به صورت خودکار تنظيم مي*نمايد بنابراين پاور حساسيت کمتري نسبت به افت ولتاژ شبکه پيدا خواهد کرد و طراحي پاور براي ولتاژ ورودي سراسري 110 ـ 230 ولت ساده*تر خواهد شد و ديگر نيازي به سوئيچ دستي نمي*باشد.


    دوما، Active PFC قدرت واکنش پاور در برابر افت ولتاژهاي کوتاه مدت AC را مي*افزايد. در چنين زماني پاور با استفاده از قدرت خازن*هاي درون يکسو ساز HIGH-VOLTAGE به کار خود ادامه مي*دهد، که اين قدرت با توان دوم ولتاژ آنها نسبت دارد. بنابراين بازده اين خازن*ها به بيشتر از نصف افزايش مي*يابد.
    در مقابل تمامي اين حسنات، فقط به دو مورد در اکتيو PFC انتقاد شده است: اول اينکه مانند پيچيدگي*هاي ساير طراحي*ها، باعث کاهش قابليت اطمينان پاور مي*شود و دوم اينکه راندمان قطعه PFC صددرصد نيست. بنابراين اندکي باعث افزايش حرارت پاور مي*شود. ولي با اين حساب مزاياي Active PFC اين انتقادات را برطرف مي*سازد.
    در نهايت، اگر شما به يک پاور با تصحيح ضريب توان ( PFC ) نياز داريد، بايد ابتدا مدلي را با Active PFC بررسي نماييد. اين مدل*ها ضريب توان قابل توجهي دارند و ديگر خصوصيات پاور را نيز بهبود مي*بخشند. از نظر کاربران خانگي، پاورهايي با Active PFC باعث سهولت کار براي دارندگان UPS *هاي کم توان نيز مي*شود. فرض نماييد شما يک يوپي*اس 500VA در اختيار داريد، 50 VA توسط مانيتورLCD مصرف مي*شود و450 VA براي سيستمتان باقي مي*ماند.
    حال اگر شما بخواهيد سيستم خود را به روز نماييد و بدانيد که اين پيکر بندي جديد ممکن است در حالت ماکزيمم بالاتر از 300 وات از پاور مصرف داشته باشد،
    در اين مورد پاوري با ضريب توان 7 / . و ضريب راندمان 80 درصد ( اين اعداد فرضي، براي يک پاور خوب است ) مصرف کل توان (500VA=300/(0.75x0.8 را در بر دارد، حال آنکه اگر همان پاور با ضريب توان 95 / 0 استفاده گردد (395VA=300/(0.95x0.8 مصرف خواهد کرد.



    همانطور که مشاهده مي*نماييد، براي منبع تغذيه Non PFC و Passive PFC شما مجبور به عوض کردنUPS خود مي*باشيد. زيرا UPS موجود نمي*تواند اين بار را تحمل کند ولي با پاور Active PFC يک ذخيره کم در حدود 55 VA براي شما باقي مي*ماند.




    در پايان اين بخش از مقاله، تفاوت بين دو موضوع زير را مد نظر داشته باشيد.
    ضريب توان و ضريب راندمان، اين دو موضوع ، دو مبحث کاملا متفاوت را مطرح مي*کنند . ضريب راندمان، نسبت توان خروجي پاور به توان فعالي است که پاور از شبکه دريافت مي*کند . ضريب توان، نسبت توان اکتيو مصرف شده از شبکه است به کل تواني که پاور از شبکه دريافت مي*کند. مدارPFC در پاور به طور غير مستقيم بر روي مقدار توان اکتيو مصرفي تاثير دارد زيرا پاور علاوه بر ولتاژي که رگولاتور اصلي تغيير مي*دهد، مقداري توان مصرف مي*نمايد. هدف اصليPFC کاهش مصرف توان راکتيو توسط منبع تغذيه مي*باشد ولي توان راکتيو هنگام محاسبه ضريب راندمان حساب نمي*شود. بنابراين هيچ ارتباط مستقيمي* بين ضريب توان و ضريب راندمان وجود ندارد ولي به طور غير مستقيم و به واسطه بهبود در عملکرد سيستم، موجب افزايش ضريب راندمان مي*گردد.




    سخن پاياني


    متاسفانه امروزه مشاهده مي*شود که گاها مصرف کنندگان از سر ناآگاهي براي موضوع PFC اهميت ويژه*اي قائل مي*شوند. حال آنکه با توجه به تفاوت قيمت و کارآيي ناچيز Passive PFC در مقايسه Non PFC اکثر واردکنندگان پاور در ايران با تعبيه Passive PFC بر روي پاورهاي خود، اقدام به عرضه آن مي*نمايند و مصرف کننده نيز با توجه به عدم شناخت کافي از اين موضوع و صرفا به واسطه قيد PFC اقدام به تهيه آن مي*نمايد. توصيه مي*شود اگر براي موضوع PFC اهيمت قائل هستيد، به نوع آن توجه ويژه*اي داشته باشيد و سعي نماييد از حالت Active PFC استفاده فرماييد.
    اگر در شماره بعدي با ما همراه باشيد، انشاا.. پيرامون پاورهاي Redundant بحث*هاي جالبي را ملاحظه خواهيد نمود.




    [براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد براي عضويت در سايت اينجا کليک کنيد]
  • و در صورتي که شما عضو سايت هستيد و لينكها مخفي هستند
    براي ديدن لينکها و تصاوير بايد عضو سايت و يا كاربر-VIP باشيد]
    ماهنامه رایانه خبر




    موضوعات مشابه: