در اين مقاله بطور مفصل مبحث PFC در پاور کامپيوتر را توضيح خواهيم داد. بنابراين با ما باشيد تا در اين مورد بيشتر بدانيد.
مقدمه
در کل مدارات الکترونيکي از سه المان پايه تشکيل شدهاند که تمامي قطعات درون مدارات را ميتوان 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 ميباشد و خازن و سلف عناصر ذخيره ساز انرژي. بدين صورت که در مواقعي انرژي الکتريکي را در خود ذخيره ميسازند ( شارژ ) و در مواقعي ديگر نيز اين انرژي را تخليه مينمايند ( دشارژ ). همچنين سلف المان ذخيره ساز جريان و خازن المان ذخيره ساز ولتاژ ميباشد.
در مدارات DC در ابتداي ورود جريان DC به مدار اين المانها شارژ شده و خازنها به مدار باز و سلفها به اتصال کوتاه تبديل ميشوند 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 ) ميباشد. شکل موج ولتاژ و جريان مدارات مقاومتي در حالت AC فقط در اندازه متفاوت هستند و کاملا شبيه يکديگر ميباشند يعني حداکثرها و حداقلهاي دو نمودار در يک زمان رخ ميدهد در نتيجه ميتوان آنها را هم فاز ناميد. ولي بر خلاف اين مدارات، در مدارهايي که داراي عناصر ذخيره ساز انرژي ميباشند، شکل موج سينوسي جريان بر حسب زمان نسبت به مقدار اين المانها براي مدارات خازني جلوتر و براي مدارات سلفي عقبتر از شکل موج ولتاژ قرار ميگيرد و اين واکنش به علت خاصيت ذخيرهسازي آنها روي ميدهد. بدين ترتيب بين ولتاژ و جريان اختلاف فاز ايجاد ميشود.
خواص سلف و خازن به گونهاي است که دوگان يکديگر نيز ناميده ميشوند يعني با روابط خاص بين آنها در مدار تشديد رخ ميدهد و اين دو اثر همديگر را خنثي ميسازند و مدار به يک مدار مقاومتي خالص تبديل ميشود.
همچنين در مدارات الکتريکي انواع مختلفي از توان الکتريکي تعريف ميشود که در ذيل به آنها اشاره ميشود:
توان لحظهاي : تواني است که از ضرب ولتاژ و جريان در يک لحظه خاص بدست ميآيد.
توان فعال ( Active ) : تواني است که صرفا توسط يک بار مقاومتي مصرف ميگردد و واحد اندازه گيري آن وات ميباشد. توان اکتيو تماما به مصرف کار مفيد ميرسد و جهت تبديل انرژي الکتريکي به حرکت يا گرما به کار ميرود.
توان پسيو ( Reactive ) : از آنجايي که جز اصلي بارهاي واقعي، خاصيت القايي و خازني ميباشد توان راکتيو نيز همراه با توان اکتيو مصرف ميگردد. اين توان که با واحد VAR ( ولت آمپر راکتيو ) اندازه گيري ميشود توسط بار مصرف نميگردد و صرف توليد ميدان مغناطيسي و ذخيره انرژي در عناصر ذخيره ساز ميشود. زيرا انرژي دريافتي در يک نيم سيکل، در نيم سيکل بعدي به استثناي تلفاتي که در سيمها اتفاق ميافتد به طور کامل به شبکه باز ميگردد و در نتيجه تنها منجر به افزايش حرارت قطعات ميگردد. بنابراين ميتوان گفت اين توان مطلقا بيفايده است و بايد براي حذف آن از روشهاي گوناگوني استفاده نمود.
توان ظاهري ( توان کل ) : مجموع توان دريافتي از شبکه ميباشد. اين توان جمع برداري توان اکتيو و راکتيو ميباشد و بر حسب ولت آمپر اندازه گيري ميشود. ( شکل 2 )
شكل2
همانطور که مشاهده مينماييد بين توان اکتيو و توان ظاهري زاويهاي به نام φ وجود دارد که مقدار آن برابر اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان در مدارات سلفي و خازني حالتAC ميباشد.
نکته مهم : مسلما براي ما بهتر ميباشد که تمام تواني که از شبکه دريافت ميکنيم 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 سلفها و خازنهاي مدار، اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان حذف شده و مدار به يک مدار صرفا مقاومتي بدل ميگردد و تمامي توان دريافتي از شبکه به مصرف کار مفيد ميرسد.
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 ) ميباشد.
در حال حاضر به علت وجود المانهاي سوئيچينگ در برخي مدارات، شکل موج جريان اکثر آنها به دليل وجود هارمونيکهاي جريان، سينوسي نميباشد. بنابراين در اين حالات براي ضريب توان دو عامل مطرح ميگردد :
ـ عامل جابجايي که همان زاويه اختلاف فاز بين شکل موج ولتاژ و جريان ميباشد.
ـ عامل اعوجاج که وابسته به اعوجاج شکل موج حاصل از ورود هارمونيکها ميباشد.
در اين مواقع ضريب توان بدين صورت بدست ميآيد.
کم شدن ضريب توان به سمت صفر علاوه بر افزايش تلفات، باعث حرکت هارمونيکهاي جريان در خط خنثي شده و موجب اختلال در کارکرد ساير وسايل الکترونيکي ميگردد. بنابراين متوجه ميشويم که ضريب توان هر چه به عدد يک نزديکتر باشد ( زاويه اختلاف فاز کمتر و توان اکتيو به توان ظاهري نزديکتر ) مقدار توان غير مفيد يا همان " توان راکتيو" کاهش مييابد.
خلاصه کلام
براي انجام اين مهم از مداراتي به نام Power Factor Correction )PFC) يا تصحيح ضريب توان استفاده ميگردد که وظيفه آنها حذف هارمونيکها، به حداقل رساندن اعوجاج و کاهش اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان به صورت يک شبيه ساز مقاومت ميباشد.
در حال حاضر استفاده از منابع تغذيه سوئيچينگ به طور چشمگيري افزايش يافته است. يکي از کاربردهاي اين منابع تغذيه سوئيچينگ، پاور کامپيوترهاي شخصي ميباشد و استانداردها و تاييديههاي مختلف روي موضوع PFC در پاورها تاکيد ويژهاي 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 خازنهاي 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 المانهاي نيمه هادي قدرت و غير خطي بودن اين عناصر در شکل موج جريان، به واسطه وجود هارمونيکهاي فرکانس بالاتر، اعوجاج به وجود ميآيد. همانطور که ميدانيد، تنها هارمونيک اصلي جريان در انتقال انرژي خالص به بار نقش دارد و ساير هارمونيکها در اين رابطه نقشي ندارند. در نتيجه هارمونيکهاي اضافي نيز بايد به طريقي حذف گردند.
همانگونه که ذکر شد يک پاور بدون PFC به دليل خازنهاي بزرگ ورودي مانند يک بار بزرگ خازني عمل ميکند. اين خازنها که بعد از پل ديودي قرار ميگيرند طبق شکل 2 در يک چهارم اول موج ولتاژ به اندازه پيک ولتاژ شارژ ميشوند. سپس در اين هنگام ولتاژ ورودي به سرعت افت پيدا ميکند ( يک چهارم دوم ) و خازن به آرامي درون بار دشارژ ميگردد ( شکل 3 ) در اين حالت کماکان ولتاژ خازن بزرگتر از ولتاژ شبکه است و جريان شارژ خازن توسط ديودهاي يکسو ساز قطع ميباشد و تا زماني که ولتاژ شبکه در نيم سيکل پنجم بزرگتر از ولتاژ خازن شد ادامه مييابد. در نيم سيکل پنجم خازن بار ديگر بهاندازه پيک ولتاژ شارژ ميگردد.
بنابراين همانطور که درنمودار ملاحظه مينماييد به علت وجود اين خازن تنها در پالس با پهناي باريک از شبکه بهره برداري ميگردد .
منبع تغذيه بدون تصحيح ضريب توان يا Non PFC
خط سبز در اسيلوگرام شکل 5، ولتاژ شبکه را مشخص ميسازد و خط زرد نيز جرياني را که توسط پاور از شبکه مصرف شده است را نمايش ميدهد. در اينجا ضريب توان تقريبا برابر 7 / 0 ميباشد در حقيقت در حدود يک سوم توان صرف گرم شدن کابلها ميشود 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 مينمايند، اما ضريب توان پايين ممکن است براي دفاتر و اتاقهاي بزرگ که در آنها از تعداد زيادي کامپيوتر به طور همزمان استفاده ميگردد، ايجاد مشکل نمايد. زيرا سيمها و تجهيزات جانبي در حالت حداکثر بار عمل ميکنند. همچنين ضريب توان پايين درانتخابUPS تاثير دارد زيرا اين وسايل نسبت به توان اکتيو محدوديت دارند.
Passive PFC : در اينجا مشخص ميشود که وسايل تصحيح ضريب توان چرا اينقدر مورد اقبال قرار گرفتهاند. يکي از سادهترين و گستردهترين ابزاري که وظيفه PFC را انجام ميدهد، به آن PFC پسيو گفته ميشود، که يک سلف ( چوک ) معمولي است که اندوکتانس نسبتا بالايي دارد و به صورت سري با مدار منبع تغذيه قرار ميگيرد.
اين اسيلوگرام ( شکل 6 ) نشان ميدهد در اين حالت ابزار Passive PFC، پالسهاي الکتريکي جريان را تا حدي به طرف خارج هموار و در زمان منبسط نموده است اما اندوکتانس چوکي که درون پاور قرار دارد نميتواند به صورت جدي تاثيري روي ضريب توان داشته باشد. بنابراين ضريب توان پاور در اين حالت در حدود 75 / 0 ميباشد.
نه تنها اندازه سلف، بلکه تاثير آن در عملکرد پاور به ما اجازه استفاده از سلفي با اندوکتانس بالاتر را نميدهد. اندوکتانس بزرگي که به صورت سري به پاور متصل شده است مشخصات ديناميکي آن را خراب ميکند. در حقيقت واکنش آن به تغييرات سريع بار همچنين نوسانات ناگهاني شبکه توان تحت تاثير قرار ميگيرد. علاوه بر اين استفاده از اين سلف باعث اثرات مخرب گرمايشي، ارتعاشي و الکترومغناطيسي نيز خواهد شد. سلف ميتواند هارمونيکها البته فقط از نوع فرکانس پايين آنها راخنثي نمايد زيرا به علت اندوکتانس بالا نويزهاي فرکانس بالا را از خود عبور ميدهد. بنابراين نقش Passive PFC مبهم است، از طرفي ضريب توان را کمي افزايش ميدهد ولي خصوصيات ديناميک پاور را خراب ميکند. بنابراين هنگام انتخاب بين دو پاور با Passive PFC وPFC Non شما بايد انتخاب خود را بر اساس مؤلفههاي ديگري که مهمتر 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 ميشوند. Active PFC بين شبکه توان و رگولاتور اصلي متصل ميگردد و يک ولتاژ ثابت بين 380 تا 400 ولت در ورودي پاور توليد مينمايد. 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 ظرفيتهاي بالا نخواهد داشت ( در اين روش ظرفيت خازنها تا کمترين ميزان خود، متناسب با توان کلي پاور کاهش مييابد ).
در نتيجه پاورهاي سوئيچينگ Active PFC در مدار خود بار خازني ندارند و در نتيجه ضريب تواني نزديک 1 دارند.
همانطور که در شکل 7 ميبينيد، 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 ميباشد )
نمودار زير ( شکل 8 ) نتايج آزمايش شده مربوط به ضريب توان در بار را براي 3 نوع پاور نمايش ميدهد:
گذشته از ايجاد ضريب توان نزديک به ايدهآل، Active PFC برخلاف Passive PFC عملکرد پاور را بهبود ميبخشد. در ابتدا ولتاژ ورودي رگولاتور اصلي پاور را به صورت خودکار تنظيم مينمايد بنابراين پاور حساسيت کمتري نسبت به افت ولتاژ شبکه پيدا خواهد کرد و طراحي پاور براي ولتاژ ورودي سراسري 110 ـ 230 ولت سادهتر خواهد شد و ديگر نيازي به سوئيچ دستي نميباشد.
دوما، Active PFC قدرت واکنش پاور در برابر افت ولتاژهاي کوتاه مدت AC را ميافزايد. در چنين زماني پاور با استفاده از قدرت خازنهاي درون يکسو ساز HIGH-VOLTAGE به کار خود ادامه ميدهد، که اين قدرت با توان دوم ولتاژ آنها نسبت دارد. بنابراين بازده اين خازنها به بيشتر از نصف افزايش مييابد.
در مقابل تمامي اين حسنات، فقط به دو مورد در اکتيو PFC انتقاد شده است: اول اينکه مانند پيچيدگيهاي ساير طراحيها، باعث کاهش قابليت اطمينان پاور ميشود و دوم اينکه راندمان قطعه PFC صددرصد نيست. بنابراين اندکي باعث افزايش حرارت پاور ميشود. ولي با اين حساب مزاياي Active PFC اين انتقادات را برطرف ميسازد.
در نهايت، اگر شما به يک پاور با تصحيح ضريب توان ( PFC ) نياز داريد، بايد ابتدا مدلي را با Active PFC بررسي نماييد. اين مدلها ضريب توان قابل توجهي دارند و ديگر خصوصيات پاور را نيز بهبود ميبخشند. از نظر کاربران خانگي، پاورهايي با Active PFC باعث سهولت کار براي دارندگان UPS هاي کم توان نيز ميشود. فرض نماييد شما يک يوپياس 500VA در اختيار داريد، 50 VA توسط مانيتورLCD مصرف ميشود و450 VA براي سيستمتان باقي ميماند.
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 مينماييد، براي منبع تغذيه Non PFC و Passive PFC شما مجبور به عوض کردنUPS خود ميباشيد. زيرا UPS موجود نميتواند اين بار را تحمل کند ولي با پاور Active PFC يک ذخيره کم در حدود 55 VA براي شما باقي ميماند.
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 ميکنند . ضريب راندمان، نسبت توان خروجي پاور به توان فعالي است که پاور از شبکه دريافت ميکند . ضريب توان، نسبت توان اکتيو مصرف شده از شبکه است به کل تواني که پاور از شبکه دريافت ميکند. مدارPFC در پاور به طور غير مستقيم بر روي مقدار توان اکتيو مصرفي تاثير دارد زيرا پاور علاوه بر ولتاژي که رگولاتور اصلي تغيير ميدهد، مقداري توان مصرف مينمايد. هدف اصليPFC کاهش مصرف توان راکتيو توسط منبع تغذيه ميباشد ولي توان راکتيو هنگام محاسبه ضريب راندمان حساب نميشود. 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 ميگردد.
سخن پاياني
متاسفانه امروزه مشاهده ميشود که گاها مصرف کنندگان از سر ناآگاهي براي موضوع PFC اهميت ويژهاي قائل ميشوند. 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 مينمايند و مصرف کننده نيز با توجه به عدم شناخت کافي از اين موضوع و صرفا به واسطه قيد PFC اقدام به تهيه آن مينمايد. توصيه ميشود اگر براي موضوع PFC اهيمت قائل هستيد، به نوع آن توجه ويژهاي داشته باشيد و سعي نماييد از حالت Active PFC استفاده فرماييد.
اگر در شماره بعدي با ما همراه باشيد، انشاا.. پيرامون پاورهاي Redundant بحثهاي جالبي را ملاحظه خواهيد نمود.
منبع:مجله کامپیوتر نیوز
نویسندگان:مهندس علي بياتاني ، مهندس جواد عمراني ، مهندس محمدرضا شيرخان
