การจัดการพลังงาน

เป็นเวลาเกือบ 100 ปีที่เราเฝ้าติดตามพารามิเตอร์ระบบไฟฟ้าพื้นฐานที่สัมพันธ์กัน นั่นคือ กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ในช่วงแรกของการออกแบบระบบไฟฟ้า เรามุ่งเน้นที่ความคงที่ของไฟจ่ายและกำลังไฟที่จ่ายไปยังโหลดไฟฟ้า เมื่อมีการผลิตไฟฟ้าแบบรวมศูนย์ และมีระบบส่งไฟฟ้าที่ทันสมัยซึ่งเน้นการผลิตไฟฟ้าเพื่อการพาณิชย์และอุตสาหกรรมมากขึ้น ส่งผลให้ความต้องการการตรวจวัดและการติดตามการใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ลูกค้าเชิงพาณิชย์และผู้ใช้ไฟในครัวเรือนเริ่มหันมาให้ความสนใจว่าพวกเขาใช้กำลังไฟเท่าใด (วัตต์) และพวกเขาใช้ไฟฟ้าอย่างประหยัดเพียงใด (ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์)

ก่อนทศวรรษ 1980 มิเตอร์ไฟฟ้าทั้งหมดเป็นอุปกรณ์กึ่งไฟฟ้ากึ่งจักรกล (อนาล็อก) โดยใช้หลักการแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นฐาน แต่ทุกอย่างก็เปลี่ยนไปเมื่ออุตสาหกรรมไมโครโปรเซสเซอร์มีความก้าวหน้าและเปลี่ยนแปลงวิถีการดำเนินชีวิตและการทำงานของทุกคน ไมโครโปรเซสเซอร์นั้นได้กลายเป็นองค์ประกอบทั่วไปที่พบได้ในแทบทุกสิ่งในยุคดิจิตอลอย่างรวดเร็ว ในแง่ของการจัดการพลังงาน ไมโครโปรเซสเซอร์ในช่วงแรกๆ นั้นใช้ในการวัดค่าต่างๆ ของอุปกรณ์และการปกป้องวงจร ข้อดีมีมาก เช่น มิเตอร์ดิจิตอลหนึ่งตัวสามารถใช้แทนมิเตอร์อนาล็อกหลายตัวได้ง่ายๆ การปรับแปลงอุปกรณ์อนาล็อกเป็นอุปกรณ์ดิจิตอลส่งผลให้ความต้องการวัดค่าไฟฟ้าในทศวรรษ 90 และ 00 เติบโตขึ้นอย่างมาก อย่างไรก็ดี การเติบโตเมื่อเร็วๆ นี้นำพาเราไปสู่ความรู้วิทยาการในอีกระดับ ปัจจุบัน ลูกค้าต้องการข้อมูลที่ถูกต้องและเป็นปัจจุบันเพื่อช่วยในการตัดสินใจที่ดีขึ้น และช่วยให้พวกเขาเพิ่มผลผลิตสูงสุดและประหยัดพลังงานสูงสุด ในตอนท้ายของบทความนี้ เราจะอธิบายเกี่ยวกับอุปกรณ์จ่ายไฟที่แบ่งออกเป็นสองคลาสหลัก ได้แก่ อุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเล้น และอุปกรณ์จ่ายไฟสลับโหมด (SMPS) แต่ก่อนอื่น เราจะพิจารณาโซลูชันที่ให้มากับอุปกรณ์ซึ่งทำให้การออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟทำได้ง่ายยิ่งขึ้น

โซลูชันในตัวแบบครบวงจร

มีโซลูชันรวมเสร็จสรรพที่ให้มากับอุปกรณ์ ตั้งแต่ ICs การจัดการพลังงาน ซึ่งช่วยให้การออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟทำได้ง่ายขึ้น ไปจนถึงอุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเส้นและแบบสลับโหมด

คำว่า Power Management Integrated Circuit (PMIC) ครอบคลุมถึงชิปต่างๆ ซึ่งโดยทั่วไปใช้ในการแปลงกำลังไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ และ/หรือฟังก์ชั่นการควบคุมไฟฟ้า PMICs ช่วยให้การออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟง่ายขึ้นอย่างมากและมีอุปกรณ์ให้เลือกทั้งแบบอุปกรณ์แบบง่ายชิ้นเดียว เช่น ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หรือตัวควบคุมสวิตช์ ไปจนถึงอุปกรณ์ PMIC ที่ซับซ้อนซึ่งสามารถผนวกรวมหลายฟังก์ชั่นการทำงานเข้าด้วยกัน เช่น การแปลง การติดตามตรวจสอบและการกำหนดลำดับขั้นตอนการทำงานของระบบไฟฟ้า

โซลูชันครบครันในตัวในรูปแบบของอุปกรณ์จ่ายไฟแบบรวมเป็นโซลูชันแบบครบวงจรที่พร้อมใช้งานร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ ได้ทันที และมีให้เลือกแบบเชิงเส้นและแบบ SMPS พร้อมรางแรงดันไฟฟ้าแบบเดี่ยวหรือแบบหลายราง

อินเวอร์เตอร์ DC-DC

คอนเวอร์เตอร์ DC-DC มอบโซลูชันที่สะดวกยิ่งขึ้นโดยมีตัวจ่ายไฟ DC แต่ต้องใช้รางแรงดันไฟฟ้า DC เพิ่ม อุปกรณ์มีให้มาในตัวโดยทั่วไปติดตั้งมากับบอร์ด มีอัตรากำลังไฟจนถึงสูงสุด 200W คอนเวอร์เตอร์ DC-DC สามารถเพิ่มหรือลดได้และโดยทั่วไปประหยัดพลังงานได้มากกว่า 90%

ตรงตามมาตรฐาน Level VI สำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟภายนอก

ในช่วงต้นปี 2000 มีระบบและอุปกรณ์ที่ใช้อุปกรณ์จ่ายไฟจำนวนมากที่ไม่ได้ออกแบบมาให้ปิดการทำงาน เมื่อไม่ใช้งานอุปกรณ์หรือระบบ ทำให้อุปกรณ์เหล่านั้นยังคงใช้ไฟฟ้าต่อเนื่องเท่ากับที่ยังเปิดใช้งานอุปกรณ์อยู่ อุปกรณ์จ่ายไฟใช้ไฟฟ้า 1 วัตต์โดยเปล่าประโยชน์ เมื่อรวมหลายอุปกรณ์ที่เสียบปลั๊กทิ้งไว้ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานจำนวนมาก

ด้วยเหตุนี้ นักออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟภายนอกสำหรับคอมพิวเตอร์และเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ในครัวเรือนจึงต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบที่เข้มงวดมากขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานไฟฟ้า ปัจจุบัน นักออกแบบจึงปฏิบัติตามมาตรฐานที่เข้มงวดที่สุดเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สามารถจำหน่ายได้ในตลาดทั่วโลก

อ่านข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับมาตรฐาน Level VI สำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟในบทความ DesignSpark ของเรา: รุกตลาดโลกที่ต้องการอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน

อุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเส้นและแบบสลับโหมด

แผนผังด้านล่างคืออุปกรณ์จ่ายไฟสองคลาสหลัก ได้แก่ อุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเส้นและแบบสลับโหมด

ไม่ว่าคุณจะเลือกใช้แบบใด ข้อควรพิจารณาที่สำคัญที่สุดคือ:

• ข้อกำหนดการใช้งานที่เจาะจงของคุณสำหรับอัตรากำลังไฟ การป้องกัน การรบกวนและเวลาตอบสนองชั่วขณะ
• ความปลอดภัยและความเข้ากันได้ทางสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
• ความต้องการด้านการประหยัดพลังงาน
• มาตรฐานอุตสาหกรรมและกฎระเบียบที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับประเด็นข้างต้นทั้งหมด รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง: ระเบียบ EMC, การรับรอง CE, TÜV, FCC และ UL

อุปกรณ์จ่ายไฟและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้น

อุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเส้นเป็นอุปกรณ์แบบง่าย ออกแบบและบำรุงรักษาได้ง่าย แต่อาจล้าสมัยเนื่องจากควบคุมการประหยัดพลังงานได้น้อย ฟังก์ชั่นพื้นฐานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้นคือ แปลงแรงดันไฟฟ้า DC แบบผันแปรเป็นแรงดันไฟฟ้า DC แบบคงที่, ลดต่ำลง และแรงดันไฟฟ้า DC ที่เจาะจง

แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตคงที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟจำนวนมาก แต่แรงดันไฟจ่ายมาจากแหล่งพลังงานที่หลากหลายและแตกต่างกัน ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้นจึงถูกใช้เพื่อรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทให้คงที่

อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสลับโหมด (SMPS)

เมื่อเทียบกับอุปกรณ์จ่ายไฟแบบเชิงเส้น อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสลับโหมด หรือ SMPS ตามที่ทราบโดยทั่วไป เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่า เบากว่า ต้นทุนต่ำกว่าและประหยัดพลังงานได้มากกว่า แลกกับการที่มีความซับซ้อนมากกว่า และจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เสริม ส่งผลให้ข้อควรพิจารณาในการออกแบบเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ดี ระดับการควบคุมในระบบ SMPS มีความสำคัญเพิ่มขึ้นต่อการลดการใช้พลังงานที่สิ้นเปลืองโดยเปล่าประโยชน์ ชื่อเรียกอุปกรณ์มาจากการที่แรงดันไฟฟ้า DC "สลับ" การเปิดและปิดที่ความถี่สูงมาก (โดยทั่วไป 10 kHz ถึง 1 MHz) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า AC ที่สามารถผ่านตัวนำหรือหม้อแปลงความถี่สูงได้ และด้วยความถี่ที่สูงนี้ทำให้สามารถใช้ตัวเก็บประจุและหม้อแปลงที่มีน้ำหนักเบากว่า เล็กกว่าและถูกกว่า AC ความถี่สูงจะถูกกรองและปรับเพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าออก DC ในสถานการณ์ที่ดีที่สุด SMPS จะไม่จ่ายไฟใดๆ

คอนเนคเตอร์ในอุปกรณ์จ่ายไฟ

ระบบไฟฟ้าทั้งหมดจำเป็นต้องมีวิธีการส่งกำลังไฟที่ปลอดภัยและไว้วางใจได้ ดังนั้น การเลือกใช้คอนเนคเตอร์ที่ถูกต้องจึงเป็นส่วนจำเป็นและสำคัญในการออกแบบของคุณ เรามีให้เลือกตั้งแต่เทอร์มินัลบล็อกแบบง่ายไปจนถึงปลั๊กอุตสาหกรรมน้ำหนักมากและอีกมากมาย RS Components มีคอนเนคเตอร์หลากหลายรูปแบบที่รองรับทุกการใช้งานของคุณเพื่อการใช้ระบบไฟฟ้าที่ปลอดภัยของคุณ