تفاوت بین منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله، مطلبی که مبتدیان باید بخوانند!

«یک مهماندار ۲۳ ساله خطوط هوایی چین جنوبی هنگام صحبت با آیفون ۵ خود در حال شارژ، دچار برق گرفتگی شد»، این خبر توجه گسترده‌ای را در فضای مجازی به خود جلب کرده است. آیا شارژرها می‌توانند جان افراد را به خطر بیندازند؟ کارشناسان نشت ترانسفورماتور داخل شارژر تلفن همراه، نشت جریان متناوب ۲۲۰ ولت AC به انتهای DC و از طریق خط داده به بدنه فلزی تلفن همراه را تجزیه و تحلیل می‌کنند و در نهایت منجر به برق گرفتگی، وقوع فاجعه‌ای جبران‌ناپذیر، می‌شود.

پس چرا خروجی شارژر تلفن همراه با ولتاژ ۲۲۰ ولت AC است؟ در انتخاب منبع تغذیه ایزوله به چه نکاتی باید توجه کنیم؟ چگونه منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله را تشخیص دهیم؟ دیدگاه رایج در صنعت این است:

۱. منبع تغذیه ایزولههیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین حلقه ورودی و حلقه خروجی منبع تغذیه وجود ندارد و ورودی و خروجی در حالت عایق با مقاومت بالا و بدون حلقه جریان قرار دارند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است:

۲، منبع تغذیه غیر ایزوله:یک حلقه جریان مستقیم بین ورودی و خروجی وجود دارد، به عنوان مثال، ورودی و خروجی مشترک هستند. یک مدار فلای‌بک ایزوله و یک مدار باک غیر ایزوله به عنوان مثال در نظر گرفته شده‌اند، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. شکل ۱ منبع تغذیه ایزوله با ترانسفورماتور

۱. مزایا و معایب منبع تغذیه ایزوله و منبع تغذیه غیر ایزوله

طبق مفاهیم فوق، برای توپولوژی رایج منبع تغذیه، منبع تغذیه غیر ایزوله عمدتاً شامل Buck، Boost، Buck-boost و غیره می‌شود. منبع تغذیه ایزوله عمدتاً دارای انواع توپولوژی‌های flyback، forward، half-bridge، LLC و سایر توپولوژی‌ها با ترانسفورماتورهای ایزوله است.

همراه با منابع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله که معمولاً استفاده می‌شوند، می‌توانیم به طور شهودی برخی از مزایا و معایب آنها را دریافت کنیم، مزایا و معایب این دو تقریباً برعکس است.

برای استفاده از منابع تغذیه ایزوله یا ایزوله، لازم است بدانید که پروژه واقعی به چه منابع تغذیه‌ای نیاز دارد، اما قبل از آن، می‌توانید تفاوت‌های اصلی بین منابع تغذیه ایزوله و ایزوله را درک کنید:

① ماژول ایزولاسیون قابلیت اطمینان بالایی دارد، اما هزینه بالایی دارد و راندمان آن پایین است. 

②ساختار ماژول غیر ایزوله بسیار ساده، کم‌هزینه، با راندمان بالا و عملکرد ایمنی ضعیف است. 

بنابراین، در موارد زیر، استفاده از منبع تغذیه ایزوله توصیه می‌شود:

۱- در صورت بروز شوک الکتریکی احتمالی، مانند انتقال برق از شبکه به ولتاژ پایین DC، نیاز به استفاده از منبع تغذیه AC-DC ایزوله وجود دارد.

② گذرگاه ارتباط سریال، داده‌ها را از طریق شبکه‌های فیزیکی مانند RS-232، RS-485 و شبکه محلی کنترل‌کننده (CAN) منتقل می‌کند. هر یک از این سیستم‌های به هم پیوسته مجهز به منبع تغذیه مخصوص به خود هستند و فاصله بین سیستم‌ها اغلب زیاد است. بنابراین، معمولاً برای اطمینان از امنیت فیزیکی سیستم، باید منبع تغذیه را برای ایزولاسیون الکتریکی ایزوله کنیم. با ایزوله کردن و قطع حلقه اتصال زمین، سیستم از تأثیر ولتاژ بالای گذرا محافظت می‌شود و اعوجاج سیگنال کاهش می‌یابد.

③ برای پورت‌های ورودی/خروجی خارجی، برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد سیستم، توصیه می‌شود منبع تغذیه پورت‌های ورودی/خروجی ایزوله شود.

جدول خلاصه شده در جدول ۱ نشان داده شده است و مزایا و معایب این دو تقریباً برعکس است.

جدول 1 مزایا و معایب منابع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله

۲، انتخاب توان ایزوله و توان غیر ایزوله

با درک مزایا و معایب منابع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله، هر کدام مزایای خاص خود را دارند و ما توانسته‌ایم در مورد برخی از گزینه‌های رایج منبع تغذیه توکار قضاوت دقیقی داشته باشیم:

① منبع تغذیه سیستم عموماً برای بهبود عملکرد ضد تداخل و اطمینان از قابلیت اطمینان استفاده می‌شود.

② منبع تغذیه IC یا بخشی از مدار در برد مدار، با شروع از مقرون به صرفه بودن و حجم، استفاده ترجیحی از طرح‌های غیر ایزولاسیون.

③ برای الزامات ایمنی جهت امنیت، اگر نیاز به اتصال AC-DC برق شهری یا منبع تغذیه برای مصارف پزشکی دارید، به منظور اطمینان از ایمنی فرد، باید از منبع تغذیه استفاده کنید. در برخی موارد، باید از منبع تغذیه برای تقویت ایزولاسیون استفاده کنید.

④ برای منبع تغذیه ارتباطات صنعتی از راه دور، به منظور کاهش مؤثر اثرات تفاوت‌های جغرافیایی و تداخل اتصال سیم، معمولاً از منبع تغذیه جداگانه برای تأمین انرژی هر گره ارتباطی به تنهایی استفاده می‌شود.

⑤ برای استفاده از منبع تغذیه باتری، از منبع تغذیه غیر ایزوله برای عمر دقیق باتری استفاده می‌شود.

با درک مزایا و معایب منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله، هر کدام مزایای خاص خود را دارند. برای برخی از طراحی‌های رایج منبع تغذیه توکار، می‌توانیم موارد انتخاب آن را خلاصه کنیم.

۱.Iمنبع تغذیه سولیشن 

به منظور بهبود عملکرد ضد تداخل و اطمینان از قابلیت اطمینان، معمولاً از ایزولاسیون استفاده می‌شود.

برای الزامات ایمنی جهت امنیت، اگر نیاز به اتصال به برق شهری AC-DC یا منبع تغذیه برای مصارف پزشکی و لوازم خانگی سفید دارید، به منظور اطمینان از ایمنی فرد، باید از منبع تغذیه‌ای مانند MPS MP020 برای فیدبک اصلی AC-DC، مناسب برای کاربردهای ۱ تا ۱۰ وات استفاده کنید.

برای منبع تغذیه ارتباطات صنعتی از راه دور، به منظور کاهش مؤثر اثرات تفاوت‌های جغرافیایی و تداخل اتصال سیم، معمولاً از منبع تغذیه جداگانه برای تأمین انرژی هر گره ارتباطی به تنهایی استفاده می‌شود.

2. منبع تغذیه غیر ایزولاسیون 

آی‌سی یا برخی مدارهای موجود در برد مدار چاپی با توجه به نسبت قیمت و حجم، تغذیه می‌شوند و راهکار بدون ایزولاسیون ترجیح داده می‌شود؛ مانند سری MPS MP150/157/MP174 از نوع باک و بدون ایزولاسیون AC-DC، مناسب برای ۱ تا ۵ وات؛

برای ولتاژ کاری کمتر از ۳۶ ولت، از باتری برای تأمین برق استفاده می‌شود و الزامات سختگیرانه‌ای برای استقامت وجود دارد و منبع تغذیه غیر ایزولاسیون ترجیح داده می‌شود، مانند MP2451/MPQ2451 از شرکت MPS.

مزایا و معایب منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله

با درک مزایا و معایب منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله، آنها مزایای خاص خود را دارند. برای برخی از گزینه‌های منبع تغذیه توکار رایج، می‌توانیم شرایط قضاوت زیر را دنبال کنیم:

برای الزامات ایمنی، اگر نیاز به اتصال به AC-DC برق شهری یا منبع تغذیه پزشکی دارید، برای اطمینان از ایمنی فرد، باید از منبع تغذیه استفاده کنید و در برخی موارد باید از منبع تغذیه ایزوله برای افزایش قدرت استفاده شود. 

به طور کلی، الزامات ولتاژ ایزولاسیون تغذیه ماژول خیلی بالا نیست، اما ولتاژ ایزولاسیون بالاتر می‌تواند تضمین کند که منبع تغذیه ماژول جریان نشتی کمتری، امنیت و قابلیت اطمینان بالاتری دارد و ویژگی‌های EMC بهتری دارد. بنابراین، سطح ولتاژ ایزولاسیون عمومی بالاتر از 1500 ولت DC است.

3اقدامات احتیاطی برای انتخاب ماژول قدرت ایزولاسیون

مقاومت ایزولاسیون منبع تغذیه در استاندارد ملی GB-4943، مقاومت ضد الکتریسیته نیز نامیده می‌شود. این استاندارد GB-4943، استانداردهای امنیتی تجهیزات اطلاعاتی است که ما اغلب از آن به عنوان استانداردهای ملی برای جلوگیری از آسیب‌های فیزیکی و الکتریکی افراد، از جمله جلوگیری از آسیب‌های ناشی از شوک الکتریکی، آسیب‌های فیزیکی و انفجار، یاد می‌کنیم. همانطور که در زیر نشان داده شده است، نمودار ساختار منبع تغذیه ایزولاسیون نشان داده شده است.

نمودار ساختار قدرت ایزولاسیون

به عنوان یک شاخص مهم از توان ماژول، استاندارد روش آزمایش ایزولاسیون و مقاومت در برابر فشار نیز در استاندارد تصریح شده است. به طور کلی، آزمایش اتصال با پتانسیل برابر معمولاً در طول آزمایش ساده استفاده می‌شود. نمودار شماتیک اتصال به شرح زیر است:

نمودار قابل توجه مقاومت ایزولاسیون

روش‌های آزمایش: 

ولتاژ مقاومت ولتاژ را روی مقدار مقاومت ولتاژ مشخص شده تنظیم کنید، جریان به عنوان مقدار نشتی مشخص شده تنظیم می‌شود و زمان روی مقدار زمان آزمایش مشخص شده تنظیم می‌شود.

کنتورهای فشار عملیاتی شروع به آزمایش و فشار دادن می‌کنند. در طول زمان آزمایش تعیین‌شده، ماژول باید بدون طرح و عاری از قوس الکتریکی باشد.

توجه داشته باشید که ماژول برق جوشکاری باید در زمان آزمایش انتخاب شود تا از جوشکاری مکرر و آسیب به ماژول برق جلوگیری شود.

علاوه بر این، توجه کنید:

۱. توجه کنید که آیا AC-DC است یا DC-DC.

۲. ایزولاسیون ماژول برق ایزولاسیون. به عنوان مثال، اینکه آیا ولتاژ ۱۰۰۰ ولت DC الزامات عایق‌بندی را برآورده می‌کند یا خیر.

۳. آیا ماژول برق ایزولاسیون دارای تست جامع قابلیت اطمینان است؟ ماژول برق باید با تست عملکرد، تست تحمل، شرایط گذرا، تست قابلیت اطمینان، تست سازگاری الکترومغناطیسی EMC، تست دمای بالا و پایین، تست شدید، تست طول عمر، تست امنیتی و غیره انجام شود.

۴. آیا خط تولید ماژول برق ایزوله استاندارد است؟ خط تولید ماژول برق باید تعدادی از گواهینامه‌های بین‌المللی مانند ISO9001، ISO14001، OHSAS18001 و غیره را اخذ کند، همانطور که در شکل ۳ در زیر نشان داده شده است.

شکل 3 گواهینامه ISO

۵. اینکه آیا ماژول برق ایزولاسیون در محیط‌های سخت مانند صنعت و خودرو اعمال می‌شود یا خیر. ماژول برق نه تنها در محیط‌های سخت صنعتی، بلکه در سیستم مدیریت BMS خودروهای انرژی نو نیز کاربرد دارد.

4,Tادراک قدرت انزوا و قدرت عدم انزوا 

اول از همه، یک سوءتفاهم توضیح داده می‌شود: بسیاری از مردم فکر می‌کنند که منبع تغذیه غیر ایزولاسیون به خوبی منبع تغذیه ایزولاسیون نیست، زیرا منبع تغذیه ایزولاسیون گران است، بنابراین باید گران باشد.

چرا به نظر همه، استفاده از برق ایزولاسیون بهتر از برق غیر ایزولاسیون است؟ در واقع، این ایده، ایده چند سال پیش است. زیرا پایداری غیر ایزولاسیون در سال‌های گذشته، در واقع هیچ ایزولاسیون و پایداری نداشت، اما با به‌روزرسانی فناوری تحقیق و توسعه، برق غیر ایزولاسیون اکنون بسیار بالغ شده و پایدارتر می‌شود. صحبت از امنیت شد، در واقع، برق غیر ایزولاسیون نیز بسیار ایمن است. تا زمانی که ساختار آن کمی تغییر کند، همچنان برای بدن انسان ایمن است. به همین دلیل، برق غیر ایزولاسیون نیز می‌تواند بسیاری از استانداردهای امنیتی، مانند: Ultuvsaace را پشت سر بگذارد.

در واقع، علت اصلی آسیب به منبع تغذیه غیر ایزولاسیون، ولتاژ افزایشی در دو انتهای خط برق AC است. همچنین می‌توان گفت که موج صاعقه، موج افزایشی است. این ولتاژ، یک ولتاژ بالای آنی در دو انتهای خط ولتاژ AC است که گاهی اوقات به سه هزار ولت می‌رسد. اما زمان آن بسیار کوتاه و انرژی آن بسیار قوی است. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که رعد و برق باشد، یا در همان خط AC، زمانی که یک بار بزرگ قطع می‌شود، زیرا اینرسی جریان نیز رخ می‌دهد. مدار باک ایزولاسیون فوراً به خروجی منتقل می‌شود، به حلقه تشخیص جریان ثابت آسیب می‌رساند، یا به تراشه آسیب بیشتری می‌رساند و باعث عبور 300 ولت و سوختن کل لامپ می‌شود. برای منبع تغذیه ضد تهاجمی ایزولاسیون، MOS آسیب خواهد دید. این پدیده به این صورت است که لامپ‌های ذخیره‌سازی، تراشه و MOS سوخته می‌شوند. اکنون منبع تغذیه LED در حین استفاده خراب است و بیش از 80٪ این دو پدیده مشابه هستند. علاوه بر این، منبع تغذیه سوئیچینگ کوچک، حتی اگر یک آداپتور برق باشد، اغلب توسط این پدیده که ناشی از ولتاژ موج است، آسیب می‌بیند و در منبع تغذیه LED، این امر حتی رایج‌تر است. دلیل این امر این است که ویژگی‌های بار LED به ویژه از ولتاژ موج می‌ترسند.

طبق نظریه عمومی، هرچه اجزای مدار الکترونیکی کمتر باشند، قابلیت اطمینان بالاتر است و هرچه قطعات مدار کمتر باشند، قابلیت اطمینان برد مدار کمتر است. در واقع، مدارهای غیر ایزولاسیون کمتر از مدارهای ایزولاسیون هستند. چرا قابلیت اطمینان مدار ایزولاسیون بالا است؟ در واقع، این قابلیت اطمینان نیست، اما مدار غیر ایزولاسیون به افزایش ولتاژ، توانایی مهار ضعیف و مدار ایزولاسیون بیش از حد حساس است، زیرا انرژی ابتدا وارد ترانسفورماتور می‌شود و سپس از ترانسفورماتور به بار LED منتقل می‌شود. مدار باک بخشی از منبع تغذیه ورودی است که مستقیماً به بار LED متصل می‌شود. بنابراین، اولی احتمال زیادی برای آسیب به افزایش ولتاژ در سرکوب و تضعیف دارد، بنابراین کوچک است. در واقع، مشکل عدم ایزولاسیون عمدتاً به دلیل مشکل افزایش ولتاژ است. در حال حاضر، این مشکل این است که فقط لامپ‌های LED را می‌توان از احتمال دیده شدن آنها از احتمال دیده شدن آنها دید. بنابراین، بسیاری از مردم روش پیشگیری خوبی ارائه نکرده‌اند. بسیاری از مردم نمی‌دانند ولتاژ موج چیست. لامپ‌های LED خراب هستند و دلیل آن را نمی‌توان پیدا کرد. در نهایت، فقط یک جمله وجود دارد. او نمی‌داند که این منبع تغذیه ناپایدار است و مشکل حل خواهد شد. این ناپایداری خاص کجاست.

منبع تغذیه غیر ایزولاسیون، راندمان است و دوم اینکه هزینه آن مقرون به صرفه‌تر است.

منبع تغذیه غیر ایزولاسیون برای موارد زیر مناسب است: اول از همه، این منبع تغذیه برای لامپ‌های داخلی مناسب است. این محیط برق داخلی بهتر است و تأثیر امواج کم است. دوم، مناسبت استفاده، ولتاژ و جریان کم است. منبع تغذیه غیر ایزولاسیون برای جریان‌های ولتاژ پایین معنی‌دار نیست، زیرا راندمان جریان‌های ولتاژ پایین و زیاد بیشتر از ایزولاسیون نیست و هزینه آن نیز کمتر است. سوم، منبع تغذیه غیر ایزولاسیون در یک محیط نسبتاً پایدار استفاده می‌شود. البته، اگر راهی برای حل مشکل سرکوب نوسانات وجود داشته باشد، دامنه کاربرد منبع تغذیه غیر ایزولاسیون بسیار گسترده‌تر خواهد شد!

با توجه به مشکل امواج، میزان خسارت نباید دست کم گرفته شود. به طور کلی، نوع تعمیر، بیمه خسارت، تراشه و MOS اول باید به مشکل امواج فکر کنند. برای کاهش میزان خسارت، لازم است هنگام طراحی، عوامل افزایش ولتاژ را در نظر بگیرید یا هنگام استفاده، کاربران را خاموش کنید و سعی کنید از افزایش ولتاژ جلوگیری کنید. (مانند لامپ‌های داخلی، هنگام جنگ، فعلاً آن را خاموش کنید)

خلاصه اینکه، استفاده از منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله اغلب به دلیل مشکل موج ناگهانی است و مشکل امواج و محیط برق ارتباط نزدیکی با هم دارند. بنابراین، بسیاری از مواقع استفاده از منبع تغذیه ایزوله و غیر ایزوله را نمی‌توان یکی یکی کاهش داد. هزینه‌ها بسیار سودمند هستند، بنابراین لازم است منبع تغذیه غیر ایزوله یا ایزوله را به عنوان منبع تغذیه درایو LED انتخاب کنید.

۵. خلاصه

این مقاله به معرفی تفاوت‌های بین منبع تغذیه ایزوله و غیرایزوله، و همچنین مزایا و معایب مربوط به آنها، موارد سازگاری و انتخاب منبع تغذیه ایزوله می‌پردازد. امیدوارم مهندسان بتوانند از این مطلب به عنوان مرجع در طراحی محصول استفاده کنند. و پس از خرابی محصول، به سرعت مشکل را برطرف کنند.