مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال
مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال
مقدمه:
ایده منابع تغذیه سوئیچینگ در سال ۱۹۷۰ توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. روزی حلال
در طرحهای نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیرBJT و مداراتMONOSTABL و ASTABL استفاده می شد
که این خود باعث کاهش راندمان چیزی درحدود ۶۸%می شد. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خاصی در صنعت
برق و الکترونیک و مخابرات یافته اند.
و بدلیل برتریها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارا می باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف کرده اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کارایی ها و کیفیت آنها تحقیقات گسترده ای انجام داده اند.
نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستم ها پدید آمده است.
پیشرفت درتکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوئیچینگ داشته است.
با پیداش ماسفت های سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیدا کرد و عمده تلفات در ترانسها خلاصه شد که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد MHZ1 افزایش دادند.
(نمایندگی تعمیرات تلویزیون روزی حلال)
بنابراین در اصل سعی شده تا درانجام تحقیق از آخرین فن آوریهای روز استفاده شود. امید آنکه مورد قبول محققان و مهندسان این رشته واقع شود.
بخش اول: مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی:
بنا بر کاربرد منابع تغذیه انتخاب بین منابع تغذیه خطی یا سوئیچینگ صورت می گیرد که هر یک دارای مزایا و معایب نسبت به یکدیگر می باشند که در ذیل به آنها اشاره می شود.
مزایای منابع تغذیه خطی از دید نمایندگی تعمیر تلویزیون مشهد:
۱- طراحی مدارات بسیار ساده صورت می گیرد.
۲- قابلیت تحمل بار زیاد
۳- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک
۴- در کاربردهای توان پایین ارزانتر می باشند.
۵- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.
مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:
۱- وزن و حجم کمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
۲- بالا بودن راندمان از68% تا ۹۰%
۳- داشتن مقدار بیشتری سطح ولتاژ در خروجی
۴- بدلیل افزایش فرکانس کاری اجزای ذخیره کننده انرژی می توانند کوچکتر و درعین حال با کارایی بیشتری عمل کنند.
۵- در توانهای بالا استفاده می شوند.
۶- کنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیتهای مدارات مجتمع
معایب منابع تغذیه خطی:
تمام مزایایی که درمنابع تغذیه سوئیچینگ گفته شد عیبهای بود که درمنابع تغذیه خطی وجود داشت و علاوه بر آن:
- بدلیل کم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزیستورهای خروجی زیاد می باشد که درنتیجه نیاز به خنک کننده سیستم سرمایش تحت فشار می باشد.
- تنها بصورت یک رگولاتور کاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی باید ۲ تا ۳ ولت بیشتر از ورودی باشد.
معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:
تمام مواردی که به عنوان مزیت در درمنابع تغذیه خطی ذکر شد به عنوان عیوب منابع تغذیه سوئیچینگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زیراشاره می شود:
۱- نیاز به فیلتر کردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی
۲- ناپایداری ولتاژ
۳- حساسیت زیاد به امواج محیط بگونه ایکه بعضا در برابر دیشهای مخابراتی اصلا عمل نمی کنند.
بخش دوم: اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
۱-۲: 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 کمتر از 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 سوئیچینگ است.
شکل ( ۱-۲ ) یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.
شکل (۱-۲ ) رگولاتور سوئیچینگ ساده
۲-۲: چاپرهای DC:
در بسیاری ازکاربردهای صنعتی نیازبه تبدیل یک منبعDC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژمتغیرمیباشد. چاپر DC وسیله ای است که مستقیمأ DC را به DC تبدیل میکند.
چاپر می تواند به جهت افزایش یا کاهش پلهای ولتاژ منبع DC بکار گرفته شود.
از اینرو میتوان چاپرها را به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.
شکل ( ۲-۲ ) 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 ( ۳-۲ ) 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:
۱- عملکرد فرکانس ثابت. در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلی تغییر داده می شود.
پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.
۲- 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 هارمونیکهایی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.
۳-۲: 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 کلید زنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد.
اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( ۴-۲ ) نشان داده شده اند.
از شکل ( ۴-۲ ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.
عناصر رگولاتورهای تغذیه 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 ۱۰۰ مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.
برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر ۰.۵ میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر ۵۰ میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz ۲۰ 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 ( ۴-۲ ) نشان داده شده است. تغذیه سوئیچینگ
بخش سوم:
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 و آسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.
شکل (۱-۳ ) رگولاتور باک
شکل (۱-۳ ) شکل موجهای ولتاژ و جریان
معایب رگولاتور باک:
۱- به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی ۱ تا ۲ ولت بیشتر از ولتاژ خروجی باشد.
۲- 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 ).
۳- 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 ۱۰۰ وات توان به خروجی را دارند.
۲-۳: 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 ( ۲-۳ ) نشان داده شده است.
طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد. حالت اول با روشن شدن ترانزیستور در t=۰ 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 ( ۲-۳ ) رگولاتور بوست
شکل ( ۲-۳ ) شکل موجهای ولتاژ و 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 ( ۲-۳ ) نشان داده شده اند. شکل موجهای ولتاژ و جریان برای حالتی که جریان بار پیوسته است نشان داده شده اند.
همانطور 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.
۳-۳: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost ):
انتخاب نوع رگلاتور – مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال
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 ( ۳-۳ ) 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 ۵۰% 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 آسیب می رساند.
راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد.
علی رغم همه معایب این آرایش توان تحویل تا ۱۰۰ 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.
طرز کار مدار یک رگولاتور باک – بوست را می توان در دو حالت بررسی کرد.
رگولاتور باک – بوست با جریان پیوسته سلف
موج های ولتاژ و جریان
موضوع: مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال
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 ( ۳-۳ ) 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.
مقاله مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ از نگاه نمایندگی روزی حلال را مطالعه کردید امیدواریم مفید بوده باشد.
در صورت نیاز به تعمیر تلویزیون از طریق روش های زیر با ما در ارتباط باشید:
تماس با ما – ۰۵۱۳۲۲۳۴۵۵۰ – ۰۹۳۶۶۶۶۱۷۹۲ – مشاوره در واتساپ – تلگرام – ارسال پیامک – درخواست تعمیر فوری
