خانه / تعمیرات تجهیزات پزشکی / آموزش تعمیر بردهای الکترونیکی / دانستنی های منابع تغذیه سوئیچینگ

دانستنی های منابع تغذیه سوئیچینگ

BMEcenter.ir-716معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:

تمام مواردی که به عنوان مزیت در درمنابع تغذیه خطی در نظر گرفته می شوند 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 ای که بعضا در برابر دیشهای مخابراتی اصلا عمل نمی کنند.

–         رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده

توپولوژی های مختلف مدارات SMPS:

Flyback # Ringing choke converter (RCC) # Half-forward # Forward # Resonant forward # Push-pull # Half-bridge # Full-bridge # Resonant, zero voltage switched # Isolated Ćuk

هر یک از این توپولوژی ها برای کاربرد و توان مصرفی خاصی مناسب تر خواهند بود. مثلا:

در جریان های خروجی کمتر از ۴ آمپر، توپولوژی فلای بک ترجیح داده می شود. اگر جریان خروجی بیش از ۶ آمپر باشد، معمولا از توپولوژی فوروارد استفاده می شود. و برای جریان های بین ۴ تا ۶ آمپر، از هر یک از توپولوژی های فلای بک یا فوروارد می توان استفاده نمود.

–         برخی از مزایای توپولوژی فلای بک:

مدار فقط دارای یک المان مغناطیسی است که هم کار ایزولاسیون را انجام می دهد و هم محل ذخیره انرژی است. برای جریان های کمتر از حدود ۴ آمپر، فلای بک ارزان ترین توپولوژی ممکن است. ولی برای جریان های بیشتر، برای مقابله با ریپل های جریانی، مجبور به استفاده از خازنی با ابعاد بزرگتر در خروجی هستیم.

–         برخی از مزایای توپولوژی فوروارد:

سیم پیچ خروجی چه در زمان روشن بودن و چه در زمان خاموشی سیم پیچ اولیه، جریان خروجی را تامین می کند. این یعنی ریپل کمتر در جریان، جریان های RMS کمتر، و ابعاد کوچکتر خازن خروجی.

–         رگولاتور سوئیچینگ با ترانسقورمر ایزوله کننده:

با بهره گیری از ترانسقورمر ایزوله کننده ایزولاسیون به کمک سیمهای عایق و نوارهای عایق انجام می شود که در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد.

حسن دیگر ترانسقورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد بعلاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

–         رگولاتور فلای بک ( Fly Back ):

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوئیچینگ طرح فلای بک است که در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود این رگولاتور کاملأ شبیه رگولاتور بوست است بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن که این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی را هم به مدار می افزاید که عبارتند از:

۱- بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.

۲- خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد

انتخاب اجزا و معیارهای طراحی

یکسو کننده های ورودیطراحان چه از یکسو کننده های پل آماده استفاده کنند و چه از یکسو کننده های مجزا باید به نکات زیر توجه کنند:

  1. توانایی یکسو کردن حداکثر جریان مستقیم. این مقدار در درجه ی اول به سطح توان طراحی منبع تغذیه ی سوئیچینگ بستگی دارد و دیود انتخاب شده حداقل باید بتواند جریانی دو برابر جریان محاسبه شده در حالت پایدار را تحمل کند.
  2. توانایی بلوکه کردن پیک ولتاژ معکوس. مادامی که این یکسوسازها در محدوده ی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند، باید نرخ بالایی داشته باشند، معمولا ۶۰۰ ولت یا بیشتر.
  3. ظرفیت تحمل جریان هجومی بالا برای تحمل پیک جریان هنگام روشن شدن مدار.

– خازن

محاسبه و انتخاب صحیح خازن های یکسوساز ورودی بسیار مهم است و بر روی پارامترهای اجرایی زیر تاثیر       می گذارد: ریپل ac فرکانس پایین در خروجی منبع تغذیه و زمان باقی ماندن . معمولا از خازن های الکترولیت، مرغوب با توانایی جریان ریپل بالا با حداقل ولتاژ کار ۲۰۰ Vdc، استفاده می شود.

جریان مصرفی نامی ظرفیت خازن ذخیره
۱۲۵ میلی آمپر ۴۷۰ میکرو فاراد
۲۵۰ میلی آمپر ۱۰۰۰ میکرو فاراد
۵۰۰ میلی آمپر

۲۲۰۰ میکرو فاراد

۱ آمپر ۴۷۰۰ میکرو فاراد
۲ آمپر ۶۸۰۰ میکرو فاراد

 

جریان قابل تحمل خازن مورد استفاده ئر فیلتر ورودی باید دست کم ۲۰ برابر حداکثر جریان عبوری مداوم باشد . ظرفیت خازن ذخیره به جریان مصرفی مورد نیاز ، و حداکثر دامنه ریپل قابل تحمل بستگی دارد . برای حفظ فاصله ایمنی بهتر است ولتاژ قابل تحمل آن دست کم ۴/۱ برابر ولتاژ خروجی باشد یعنی دو برابر r.m.s ولتاژ خروجی .

جریان هجومی یک منبع تغذیه سوئیچینگ، ممکن است باعث ایجاد یک پیک جریان هجومی بسیار شدید در هنگام روشن شدن شود، مگر اینکه طراح، برخی محدود کننده های جریان را در قسمت ورودی جای دهد. این جریان ها بر اثر شارژ خازن به وجود می آیند که در لحظه ی روشن شدن، مقاومت بسیار اندکی، معمولا فقط به اندازه ESR خازن ها.

ترانزیستور قدرت در طراحی مبدل انواع مختلف المان های سوئیچینگ، نظیر ترانزیستور، SCR و GTO توسط طراحان منبع تغذیه در طول سال ها استفاده شده است. متداول ترین المانی که اغلب از آن استفاده می شود ترانزیستور دو قطبی و در سال های اخیر نوع ماسفت آن است.

انتخاب ترانزیستور

پارامترهای طراحی اولیه ی یک ترانزیستور برای استفاده در یک مبدل غیر خطی، اول توانایی بلوکه کردن ولتاژ آن در هنگام خاموش بودن و دوم ظرفیت تحمل جریان آن که در هنگام روشن بودن است. هر دوی این پارامترها توسط نوع مبدل مشخص می شوند.

تصمیم مهم دیگری که طراح با آن روبروست استفاده از ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت در طراحی است. هر کدوم از این ترانزیستورها مزایای متمایزی را نسبت به دیگری ارائه می دهند، ترانزیستور دو قطبی در حال حاضر ارزان است در حالی که ماسفت به خاطر مدارهای تحریک ساده تر،‌ مدار ساده ای دارد.

کاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوئیچینگ برعهده دارد. در حالت سوئیچینگ ترانزیستوها در خالت اشباع یا نزدیک آن کار می کنند. در این حالت مقدار حداقل مقدار خود را خواهد داشت و در نتیجه تلفات به حداقل خواهد رسد.لذا طراح باید بدترین حالت یعنی در سلف حداقل و حداکثر جریان کلکتور را در نظر بگیرد. عوامل موثر در این جریان: امپدانس موثر دیده شده از سوی کلکتور، ولتاژ ورودی حداکثر دوره هدایت و بار می باشد. در صورتی که از کوپلاژ ترانسفورماتوری استفاده شود تلفات مذکور کاهش قابل ملاحضه ای پیدا می کند. اشکال اینکار افزایش زیاد زمان خاموش سازی ترانزیستور در رابطه با فرو رفتن در حالت هدایت فوق العاده است.

اشکالات عمده ترانزیستور های دو قطبی:

۱-             شکست بهمنی، همگامی که ترانزیستور خاموش است و یک موج ولتاژ فوق العاده به پیوند کلکتور بیس می رسد، رخ می دهد.

۲-             پدیده شایع تر و پیچیده تر، پدیده شکست ثانویه و ازدحام جریان است. این در طی پروسه روشن و خاموش سازی رخ کی دهند. و اینها پدیده های وابسته به ولتاژ هستند هنگامی که جرین جاری است و ولتاژ نسبتا زیادی بین کلکتور و امیتر وجود دارد رخ میدهد. و این به تلفات لحظه ای نسبتا زیادی که به صورت یکنواخت هم توزیع نشده منجر می شود.

یکی از عواملی که ترانزیستور را به نواحی غیر مجاز کاری وارد می کند Snubbing است که در ادامه مورد بحث قرار می گیرد. سرعت سوئیچ اثر مستقیمی در تلفات سوئیچ دارد و این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس کاری مدار دارد. تلفات سوئیچینگ از جریان کلکتور به امیتر هنگامی که Vcc از اشباع به قطع می رود (یا برعکس) نشات می گیرد، در این زمان جریان بار کلکتور به جهت خاصیت القایی بار کماکان جاری است. که به تلفات قابل توجهی متناسب با فرکانس کاری منتهی می شود. در این حالت بهتر است به بیس به عنوان خازن کوچکی بین پایه بیس و امیتر نگاه شود، سرعت شارژ و دشارژ شدن این خازن تعیین کننده فرکانس کاری بین قطع و اشباع است. وجود این خازن طرح را کمی پیچیده می کند.

یک خازن به مقدار ۲۰۰pF تا ۵۰nF به موازات مقاومت بیس نصب می شود. این خازن سرعت دهنده ، که انباره نامیده می شود شارژ و دشارژ خازن بیس را سرعت می دهد. این خازن عملا یک ولتاژ منفی در بیس هنگام خاموش کردن ترانزیستور ایجاد می کند. و اثرات ازدحام جریان را می کاهد. به علاوه ولتاژ بیس امیتر را در طی خاموش کردن منفی می کند.

نکته دیگر که باید در انتخاب ترانزیستور دقت شود، سرعت کلیدزنی و یا فرکانس کار آن می باشد و زمان کلیدزنی ترانزیستورها باید بسیار کوچک (کمتر از ) باشد. این زمان شامل تاخیر در روشن شدن، صعود و زمان نزول جریان می باشد. در غیر این صورت ترانزیستور زمان کافی برای پاسخ گویی به پالس های اعمالی از مدار کنترل نخواهد داشت در نتیجه علاوه بر کاهش کیفیت خروجی باعث افزایش بسیار شدید تلفات در ترانزیستور می شود.

توجه به این نکته ضروری است که ترانزیستور دو قطبی دارای فرکانس قطع کار محدودی است، حدود ۵۰KHz، در حالیکه ماسفت برای فرکانس سوئیچینگ بالاتر از ۲۰۰KHz نیز می تواند استفاده شود. البته فرکانس های بالاتر به معنی اندازه کوچکتر اجزا و بنابراین منابع تغذیه ی فشرده تر است، واقعیتی که به نظر می رسد طراحی منبع تغذیه، امروزه به سمت آن گرایش دارد. استفاده قدرت از ترانزیستور دو قطبی به عنوان یک سوئیچ ترانزیستور دو قطبی وسیله این است که اساسا با جریان کار می کند، در واقع با تزریق جریان به پایه ی بیس آن جریان در کلکتور ساخته می شود. اندازه ی جریان گذرنده از کلکتور به مقدار گین ترانزیستور بستگی دارد. اساسا دو مد کاری در یک ترانزیستور دو قطبی وجود دارد: مد خطی و مد اشباع برای روشن یا خاموش کردن ترانزیستور به کار می رود.

در کاربرد های سوئیچینگ واقعی یک جریان محرکه ی بیس آن برای روشن کردن ترانزیستور، و یک جریان بیس با پلاریته ی معکوس برای خاموش کردن ترانزیستور مورد نیاز است. به علت ذخیره مشخصی با کاربرد آن همراه است.

یکسو کننده ها، سلف ها و خازن ها عموما قسمت خروجی هر منبع تغذیه سوئیچینگ از یک یا چند ولتاژ مستقیم تشکیل شده است که با یکسو کردن مستقیم ولتاژهای ثانویه ترانس . این خروجی ها معمولا ولتاژ پایین و جریان مستقیم هستند و می توانند سطح توان مشخصی را برای فرمان وسایل و مدارهای الکترونیکی تحویل دهند. ولتاژ معمول خروجی، ۵،۱۲،۱۵،۲۴ و ۱۸ ولت جریان مستقیم هستند و توان آن ها می تواند از چند وات تا چند کیلو وات، متغیر باشد.

متداول ترین نوع ولتاژهای ثانویه که در منبع تغذیه سوئیچینگ یکسو می شوند، موج های مربعی فرکانس بالا هستند که به اجزا مخصوصی مانند یکسو کننده های سریع یا شاتکی، خازن های ESR کوچک و سلف های ذخیره کننده ی انرژی نیاز دارند تا بتوانند خروجی هایی با نویز کم ایجاد کنند، که در اغلب ابزارهای الکترونیکی قابل استفاده باشد.

رگولاتورهای سوئیچینگ

اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ امروزی از نوع پهنای باند مدوله شده هستند. این تکنیک، زمان هدایت ترانزیستور سوئیچینگ را در طول دوره ی روشن بودن، تغییر می دهد تا ولتاژ خروجی را به میزان مشخصی، کنترل و تنظیم کند. اگر چه روش های دیگری نیز برای کنترل و رگولاسیون بکار می روند، اما نوع پهنای باند مدوله شده کارایی بهتری دارد، از جمله رگولاسیون دقیق خط و بار و پایداری در هنگام تغییرات دما.

نحوه محاسبه جریان مورد نیاز ورودی در منبع تغذیه سوئیچینگ :

مقدار جریان ورودی در منبع تغذیه سوئیچینگ که دارای ورودی خازنی است را میتوان از فرمول زیر محاسبه نمود:

Iin = Pout /(E*PF*Vin)

Iin : جریان ورودی مورد نیاز

Pout : توان خروجی         حاصل ضرب ولتاژ خروجی منبع تغذیه در جریان مورد استفاده شده جهت بار منبع تغذیه

E : راندمان – بازده               نسبت توان خروجی به توان ورودی

PF : پاور فکتور                     مقدار آن برای منابع تغذیه سوئیچینگ ۰٫۷ و برای نوع خطی آن ۰٫۸ می باشد.

Vin                   ولتاژ ورودی             مقدارحقیقی آن بستگی به نوع امپدانس منبع می باشد.و برای حداکثر جریان مورد نیاز از فرمول زیر استفاده می شود :

Iin, max = Pout, max /(Emin * PFmin * Vin, min)

مهمترین قطعاتی که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ بکار می رونند،ترانزیستورهای سرعت بالا و یا کلیدزنی، MOSFETهای قدرت سوئیچینگ، سلف و سیم پیچ و خازنهای فرکانسی باکیفیت می باشند.

پاسخ بدهید

ایمیلتان منتشر نمیشودفیلدهای الزامی علامت دار شده اند *

*