منابع تغذیه سوئیچینگ که دارای بازدهی مناسبی هستند، میتوانند از خود نویزهای صوتی در محدوده شنوایی انسان تولید کنند. این صداها میتواند برای کاربر این تلقی را بوجود بیاورد که منبع تغذیه دارای نقص است زیرا به ظاهر از آنجایی که منابع تغذیه سوئیچینگ المان متحرک ندارند، نباید دلیلی برای تولید نویز صوتی وجود داشته باشد.
در واقع، در اکثر منابع تغذیه، رخداد این پدیده کاملاً متداول است که معمولا همراه با تولید صدای هوم با فرکانس پایین است که معمولاً در باند بین ۱۰۰ تا ۱۲۰ هرتز قرار دارد. اگرچه بیشتر صداهای شنیدنی تولید شده توسط منابع تغذیه سوئیچینگ نباید باعث نگرانی شود، اما درک و شناسایی علل احتمالی این پدیده مهم است، بنابراین می توان راه حل هایی برای مقابله با آنها ارائه داد.
شنیدن نویز صوتی
اگرچه این ویژگی شنیدن نویز صوتی از فردی به فرد دیگر متفاوت است و ارتباط نزدیکی با سن دارد، محدوده فرکانس های قابل شنیدن برای گوش انسان بین ۱۶ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز است. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، باندهای باریکتر نویز صوتی آکوستیک اتاق (room acoustics) (از حدود ۶۳ هرتز تا ۸ کیلوهرتز) و محدوده فرکانسی مورد استفاده برای زبان گفتاری (از حدود ۳۰۰ هرتز تا ۳۱۵۰ هرتز) را شامل میشود.
با این حال، مهم است که تأکید کنیم که شنیدن نویز صوتی اغلب به محیط واقعی که منبع تغذیه سوئیچینگ در آن کار می کند و به کاربرد خاصی که برای آن در نظر گرفته شده است بستگی دارد. نویز صوتی ضعیف و صداهای تولید شده توسط یک منبع تغذیه سوئیچینگ که در بخش صنعتی کار می کند، جایی که معمولاً تجهیزاتی وجود دارد که صداهایی با انواع مختلف و با فرکانس های مختلف تولید می کند (خطوط مونتاژ، موتورهای الکتریکی، پرس، ماشین تراش، لیفتراک و غیره) مطمئناً کمتر قابل شنیدن است. در مقایسه با آنچه که ممکن است در صورت استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ در دفتر، مدرسه یا مرکز مراقبت های بهداشتی اتفاق بیفتد، که میتواند بسیار آزاردهنده باشد. اگرچه این رخداد از نظر عملکرد الکتریکی بدون ضرر است، اما در مکانهای حساس به صدا این نویز صوتی تولید شده می تواند منبعی برای حواس پرتی و آزار باشد.
اگرچه راه‌حل‌های پسیو در بازار وجود دارد تا نویزهای صوتی تولید شده توسط تجهیزات الکترونیکی (استفاده از کابین‌های بسته، پانل‌های جاذب صدا و غیره برای منابع تغذیه سوئیچینگ) را محدود یا به حداقل برسانند، اما درک علل تولید نویز صوتی ضروری است تا بتوان راه حل های ممکن برای رفع این مشکل را شناسایی کرد.
منبع نویز صوتی در منابع تغذیه
نویزهای صوتی تولید شده در طول کارکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ سه دلیل اصلی دارند که عبارتند از:
- میدان های مغناطیسی
- اثر پیزوالکتریک
- و حلقه های فیدبک.
هنگامی که یک هادی حامل جریان در معرض میدان مغناطیسی قرار میگیرد، تحت نیرویی قرار می گیرد که زمانی که جهت میدان مغناطیسی و جریان بر یکدیگر عمود باشند، حداکثر مقدار را دارد. جهت نیرو را می توان با اعمال قانون دست راست فلمینگ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تعیین کرد.
دو المان الکترونیکی بسیار رایج در منابع تغذیه سوئیچینگ، ترانسفورماتور و سلف هستند که هر دوی این المانها دارای یک هسته آهنی هستند که می توانند تحت تأثیر پدیده ای با نام انقباض مغناطیسی (یا magnetostriction) قرار گیرند. در نتیجه این پدیده، که برای اولین بار توسط جیمز ژول در سال ۱۸۴۲ کشف شد، مواد فرومغناطیسی می توانند شکل یا اندازه حوزه های مغناطیسی خود را در نتیجه فرآیند مغناطیسی شدن ناشی از جریان عبوری از هادی، تغییر دهند. این تغییرات کوچک در حجم مواد می تواند هم گرمای اصطکاکی و هم نویز صوتی در باند شنیداری ایجاد کند. همچنین باید در نظر داشت که بسیاری از ترانسفورماتورها با استفاده از فولاد سیلیکونی (Fe-Si) با محتوای سیلیکون متفاوت برای افزایش مقاومت الکتریکی آهن و کاهش تلفات جریان گردابی ساخته می شوند. به عنوان مثال، فولاد با ۶% سیلیکون، اثرات ایجاد شده توسط magnetostriction (از جمله نویز قابل شنیدن) را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
علت دوم نویز را می توان به اثر پیزوالکتریک نسبت داد. در سال ۱۸۸۰، برادران کوری متوجه شدند که فشار اعمال شده بر روی برخی از کریستال ها، مانند کوارتز، بار الکتریکی را به عنوان یک اثر ایجاد می کند (شکل ۳ را ببینید). این پدیده “اثر پیزوالکتریک مستقیم” نام گرفت. متعاقباً اثر پیزوالکتریک معکوس نیز کشف شد که بر اساس آن اعمال میدان الکتریکی میتواند باعث تغییر شکل ماده کریستالی شود. به طور دقیق تر، با اعمال یک ولتاژ الکتریکی با شدت معین، تغییری در ساختار هندسی (طول) ایجاد می شود. بنابراین انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود، خاصیتی که برای مثال توسط بلندگوهای پیزوالکتریک از آن بهره برداری می شود. یکی از اجزای حساس به این پدیده خازن سرامیکی است: ولتاژ اعمال شده به آن در واقع می تواند ساختار هندسی آن را تغییر دهد و باعث می شود که مانند یک بلندگوی مینیاتوری رفتار کند که امواج صوتی را در نزدیکی ساطع می کند.
سومین و آخرین علت تولید نویز، حلقه فیدبک موجود در مدار یک منبع تغذیه سوئیچینگ است. اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ برای کار با فرکانس های سوئیچینگ خارج از باند شنیداری، یعنی بالای ۲۰ کیلوهرتز طراحی شده اند. با این حال، توپولوژی هایی از منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارند که می توانند به طور خودکار فرکانس سوئیچینگ را تغییر دهند تا تغییرات بار و ولتاژ ورودی را جبران کنند. در این حالت، فرکانس در یک لحظه معین ممکن است در محدوده قابل شنیدن باشد. حتی منابع تغذیه با فرکانس سوئیچینگ ثابت نیز از این پدیده مستثنی نیستند: پرش از دیوتی سایکل یا عملکرد در حالت burst در واقع می تواند یک الگوی کلیدزنی در محدوده قابل شنیدن ایجاد کند، حتی اگر فرکانس سوئیچینگ خود بالای ۲۰ کیلوهرتز باشد. اگر دنباله پالس سوئیچینگ منظم به طور نامنظم با دوره های مربوط به دو یا چند پالس اسکیپ شده قطع شود (شکل ۴ را ببینید)، ممکن است مشکلاتی در حلقه فیدبک وجود داشته باشد.
تکنیک های حذف نویز شنیداری
با فرض اینکه منبع تغذیه به درستی طراحی شده است و نقص الکتریکی ندارد، اولین گامی که باید برداشته شود، تعیین قطعه یا المانی است که مسئول تولید نویز صوتی شنیداری هستند. یکی از تکنیک‌ها استفاده از یک جسم نارسانا، مانند یک گیره پلاستیکی، با اعمال فشار سبک بر روی اجزای مدار در حین روشن شدن و کارکرد دستگاه است. اگر این عمل باعث تغییر یا کاهش نویز شود، به ویژه هنگامی که اجزای درگیر المانهای سرامیکی یا مغناطیسی هستند، نقطه خوبی برای شروع خواهیم داشت.
همانطور که گفته، خازن های سرامیکی یکی از المانهای مسئول ایجاد نویز شنیداری هستند، هم به دلیل نوسانات dv/dt بالایی که متحمل می شوند و هم به دلیل استفاده گسترده از آنها در بخش خروجی مدارات و همچنین استفاده از آنها در مدارهای کلمپینگ. راه حل های ممکن عبارتند از جایگزینی خازن های سرامیکی با خازن های فیلم فلزی و افزایش مقاومت آنها به صورت سری. راه حل دیگر می تواند جایگزینی خازن های سرامیکی در مدارهای کلمپینگ با دیودهای زنر باشد. خازن‌های سرامیکی که در بخشهای خروجی قرار می‌گیرند را می‌توان با خازن‌های تولید شده با دی‌الکتریک متفاوت یا با خازن‌های سرامیکی موازی با ظرفیت معادل، جایگزین کرد، مشروط بر اینکه فضای موجود اجازه دهد.
در مورد المانهای مغناطیسی، تکنیک‌های کاهش نویز شنیداری ممکن، شامل لاک زدن و وارنیش کردن سلف ها و ترانسفورماتورها و افزایش ظرفیت خازنی در سمت ورودی است. ترانسفورماتورهای با هسته های بزرگ نیز تمایل دارند به راحتی رزونانس کنند و صدای بسیار محسوس تری نسبت به ترانسفورماتورهای با هسته کوچک تولید می کنند. بنابراین ترجیح داده می شود که ترانسفورماتورهایی با هسته کوچکتر انتخاب شوند و تعداد سیم پیچ ها را به طور مناسب بر اساس هسته تطبیق داده شود.
کوروش خلج منفرد
