051-32234550

راه ارتباط با ما

09366661792

تماس بگیرید

 مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال

مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال

مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال
مقدمه:

ايده منابع تغذيه سوئيچينگ در سال 1970 توسط مهندسان الكترونيک مطرح گرديد كه در ابتدای امر از بازدهی

پايينی برخوردار بود ولی در مقايسه

با باتريها و منابع تغذيه آنالوگ وزن و حجم كوچكتر ولی در عين حال توان بالايی داشتند.روزی حلال
در طرحهای نخستين منابع تغذیه از عناصر ابتدايی نظيرBJT و مداراتMONOSTABL و ASTABL استفاده می شد

كه اين خود باعث كاهش راندمان چيزی درحدود 68%می شد. امروزه منابع تغذيه سوئيچينگ جايگاه خاصی در صنعت

برق و الكترونيک و مخابرات يافته اند

و بدليل برتريها و مزايای زيادی كه نسبت به ديگر منابع تغذيه دارا می باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به

خود معطوف كرده اند تا جايی كه گروهی

از مهندسان الكترونيک در بهبود و كاراييها و كيفيت آنها تحقيقات گسترده ای انجام داده اند البته نتيجه اين

تلاشها پيشرفت روزافزونی است

كه در ساخت اين سيستمها پديد آمده است. البته پيشرفت درتكنولوژی ساخت قطعات نيز تاثيربسزايی

درمنابع تغذيه سوئيچينگ داشته است.
با پيداش ماسفتهای سريع و پرقدرت تلفات ترانزيستوری بطور چشمگيری كاهش پيدا كرد وعمده تلفات

در ترانسها خلاصه شد كه برای غلبه

بر اين مشكل فركانس كاری مدار را تا حد MHZ1 افزايش دادند.روزی حلال
بنابراين در اصل سعی شده تا درانجام تحقيق از آخرين فن آوريهای روز استفاده شود. اميد آنكه مورد

قبول محققان و مهندسان اين رشته واقع شود.

بخش اول:
مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقايسه منابع تغذيه سوئيچينگ با منابع تغذيه خطی:
بنا بركاربرد منابع تغذيه انتخاب بين منابع تغذيه خطی يا سوئيچينگ صورت می گيرد كه هر

يک دارای مزايا و معايب نسبت

به يكديگر می باشند كه در ذيل به آنها اشاره می شود.
مزايای منابع تغذيه خطی:تعمیر تلویزیون مشهد
1- طراحی مدارات بسيار ساده صورت می گيرد.
2- قابليت تحمل بار زياد
3- توليد نويز ناچيز و نويزپذيری بسيار اندک
4- در كاربردهای توان پايين ارزانتر می باشند.
5- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.
مزايای منابع تغذيه سوئيچينگ:
1- وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2- بالا بودن راندمان از68% تا 90%
3- داشتن مقدار بيشتری سطح ولتاژ در خروجی
4- بدليل افزايش فركانس كاری اجزای ذخيره كننده انرژی می توانند كوچكتر و درعين حال با كارایی بيشتری عمل كنند.
5- در توانهای بالا استفاده می شوند.
6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابليتهای مدارات مجتمع
معايب منابع تغذيه خطی:
تمام مزايايی كه درمنابع تغذيه سوئيچينگ گفته شد عيبهای بود كه درمنابع تغذيه خطی وجود
داشت و علاوه بر آن:
1- بدليل كم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزيستورهای خروجی زياد می باشد كه درنتيجه نياز به خنک كننده سيستم سرمايش تحت فشار می باشد.
2- تنها بصورت يک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی بايد 2 تا 3 ولت بيشترازورودی باشد.
معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:
تمام مواردی كه به عنوان مزيت در درمنابع تغذيه خطی ذكر شد به عنوان عيوب منابع تغذيه سوئيچينگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زيراشاره می شود:
1- نياز به فيلتر كردن خروجی و حذف نويزهای توليدی
2- ناپايداری ولتاژ
3- حساسيت زياد به امواج محيط بگونه ايكه بعضا در برابر ديشهای مخابراتی اصلا عمل نمی كنند.

بخش دوم:
اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ:
مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی ( ترانزیستور )

بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی

کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود.
یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین

بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. روش دیگری

برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئيچينگ است.

شکل ( 1-2 ) یک رگولاتور سوئيچينگ را نشان می دهد.
شکل (1-2 ) رگولاتور سوئيچينگ ساده

2-2: چاپرهای DC:
دربسیاری ازکاربردهای صنعتی نیازبه تبدیل یک منبعDC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژمتغیرمیباشد. چاپرDCوسیلهایاستکهمستقیمأDCرابهDCتبدیلمیکند

. چاپر میتواندبهجهتافزایشیاکاهشپلهایولتاژمنبعDCبکارگرفتهشود. ازاینرومیتوان چاپرهارابهدودسته سوئیچرکاهندهوسوئیچرافزایندهتقسیمکرد.

شکل ( 2-2 ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود.

در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.
از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( 3-2 ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای)

نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز میشود انرژی

ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.
اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.
چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :
1- عملکرد فرکانس ثابت. در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید

تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.

2- عملکرد فرکانس متغییر. در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود.

این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی

از ولتاژخروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.
3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت.

تثبیت کردن معمولأ از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی

معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد.

اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.
از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.

شکل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ
مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک فیلتر LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند.

طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند.

به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.
برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه

خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.
این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد.

تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته

سلفها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.
ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید.

Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل

در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده است.

بخش سوم:

نمایندگی تعمیر تلویزیون مشهد
نمایندگی روزی حلال مشهد

1-3
در این رگولاتور ولتاژ خروجی فقط یک قطبیت داشته و جریان خروجی یکسویه است. همچنین برای جلوگیری

از اتصال کوتاه در مسیر دیود به یک مدار محافظ نیاز است. ساده ترین وآسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش

مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.

شکل (1-3 ) رگولاتور باک

شکل (1-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

معایب رگولاتور باک:
1- به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 2 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی با شد.
2- هنگامی که سوئیچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ ودیود منجر می شود

( لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود ).
3- سوئیچهای قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند به همین دلیل خروجی را به بار وصل می کنند

( راه حل آن حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک تریستور موازی است ).

علی رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از 100 وات توان به خروجی را دارند.

2-3: رگولاتور بوست ( Boost ):
این رگولاتور یکی از انواع رگولاتورهای فلای بک است که خروجی آن بزرگتر یا مساوی ورودی است.

در رگولاتور بوست ولتاژ خروجی می تواند بیشتر از ولتاژ ورودی باشد که به همین علت چنین نامگذاری شده است.

یک رگولاتور بوست که از یک MOSFET قدرت استفاده می کند در شکل ( 2-3 ) نشان داده شده است.
طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد. حالت اول با روشن شدن ترانزیستور در t=0 آغاز می شود.

ولتاژ ورودی روی القاگر می افتد و جریان صعودی از L و ترانزیستور می گذرد. حالت دوم هنگامی شروع می شود

که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می گردد.

شکل ( 2-3 ) رگولاتور بوست

شکل ( 2-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

جریانی که تا به حال از ترانزیستور عبور می کرد حالا از L-C و بار و دیود عبور می کند. جریان سلف کاهش می یابد

تا اینکه ترانزیستور در سیکل بعدی دوباره روشن گردد. انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می گردد.
مدارهای معادل برای حالتهای مختلف کاری در شکل ( 2-3 ) نشان داده شده اند. شکل موجهای ولتاژ و جریان برای

حالتی که جریان بار پیوسته است نشان داده شده اند. همان طور که گفته شد این رگولاتور بدون استفاده

از ترانسفورماتور می تواند ولتاژ خروجی را افزایش دهد.
به خاطر داشتن فقط یک ترانزیستور این مدار بازده بالایی دارد. ولتاژ خروجی در برابر تغییرات سیکل کاری D.C ( Duty Cycle )

خیلی حساس است و پایدار کردن رگولاتور ممکن است مشکل باشد. مقدار متوسط جریان سلف بزرگتر از مقدار متوسط جریان

خروجی است و جریان موثر خیلی بزرگتری از خازن فیلتر عبور خواهد کرد که باعث می شود مجبور شویم از خازن فیلتر بزرگتر

و سلف بزرگتری نسبت به رگولاتور باک استفاده کنیم.
دو حالت کاری پیوسته و ناپیوسته برای این رگولاتور قابل ذکر است. تمایز این دو حالت این است که انرژی القاگر به صفر می رسد یا نه.
همانند سایر رگولاتورهای فاقد ترانسفورمر ایزوله این توپولوژی هم نقاط ضعف فراوانی دارد. بویژه در ارتباط با بار و حالات خطرناک

گذرا که باعث می شود هرگونه تموج رودی به خروجی انتقال یابد. استفاده از ترانسفورمر ایزوله طیف وسیعی

از اشکالات را بر طرف خواهد نمود.
3-3: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost ):
این رگولاتور نوعی از رگولاتور فلای بک است که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است

. بعلاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده

هم شناخته می شود. تفاوت موجود میان رگولاتور Boost و

Buck-Boost همانطور که در شکل ( 3-3 ) پیداست تعویض جایگاه القاگر و سوئیچ قدرت است.
همانند رگولاتور بوست القاگر انرژی را ذخیره می کند. مادامی که سوئیچ قدرت روشن است انرژی ذخیره شده و سپس از طریق

یکسوساز به زمین تخلیه می شود که نتیجه آن ولتاژ منفی است و مقدار آن بوسیله D.C سوئیچ قدرت تعیین می گردد.

زمان وظیفه ( D.C ) این رگولاتور بویژه هنگامی که نیاز به تخلیه انرژی هسته باشد به 50% محدود می شود. معادلات مربوط به انرژی

و هسته درست همانند رگولاتور بوست است.اشکالی که وجود دارد این است که هرگونه تموج ولتاژ به نیمه هادی قدرت آسیبمی رساند.

راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد.
علی رغم همه معایب این آرایش توان تحویل تا 100 وات را به خروجی دارد. ولتاژ خروجی یک رگولاتور باک – بوست می تواند کمتر یا بیشتر

از ولتاژ ورودی آن باشد و به همین علت این چنین نامگذاری شده است. قطبیت ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است.

این رگولاتور با

نام رگولاتور معکوس کننده نیز شناخته می شود.
مدار یک رگولاتور باک – بوست در شکل ( 3-3 ) نشان داده شده است. طرز کار مدار را می توان در دو حالت بررسی کرد.

شکل ( 3-3 ) رگولاتور باک – بوست با جریان پیوسته سلف

شکل ( 3-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

در حالت اول ترانزیستور روشن و دیود بایاس معکوس می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف و ترانزیستور می گذرد.

در حالت دوم ترانزیستور خاموش می گردد و جریانی که از سلف می گذشت حال از خازن و بار و دیود عبور می کند.
انرژی ذخیره شده در القاگر به بار منتقل می گردد و جریان سلف نزول می کند تا اینکه ترانزیستور دوباره در سیکل بعدی روشن گردد.

مدارهای معادل دو حالت در شکل ( 3-3 ) نشان داده شده است. شکل موجهای پایدار ولتاژ و جریانهای رگولاتور

برای حالت پیوسته جریان در بار نشان داده شده اند.
رگولاتور باک – بوست بدون استفاده از ترانسفورمر عمل معکوس کردن قطبیت ولتاژ خروجی را انجام می دهد و بازده بالایی دارد.

پیاده سازی محافظت در برابر اتصال کوتاه خروجی ساده می باشد.
این رگولاتور توان ثابتی را مستقل از امپدانس بار به خروجی تحویل می دهد و بطور وسیعی

در فلاشهای نوری و باطری شارژها استفاده می شود.

ارسال پاسخ

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *