طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ
سلام به پرچمی های عزیز امروز در این پست ما قصد داریم که راجب منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC صحبت کنیم.
البته اگر هم که ورودی شما AC هست نگران نباشید چون، تنها چیزی که شما نیاز دارید که به مدار های توضیح داده شده اضافه کنید، فقط و فقط یک یکسوساز است.
عمل یکسوسازی (برای تبدیل AC به DC) را می توان به اشکال متفاوتی انجام شود که ساده ترین آن از طریق اتصال برق شهری (220V≃) به یک ترانسفرمر کاهنده و بعد اتصال آن به یک یا چند دیود مثلا یک دیود شاکلی (دیود پل) و دو خازن با حجم مناسب انجام می شود.
در آخر می توانید خروجی این یک سو ساز را به ورودی منبع تغذیه سوئیچینگ خود، متصل نمایید.
در دنیای منابع تغذیه دو دسته کلی وجود دارد:
- منابع تغذیه خطی
- منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ از سال 1970 به بعد وارد بازار شدند و در حال حاضر از پر استفاده ترین انواع منابع تغذیه جهان محسوب می شوند.
ما در منابع تغذیه سوئیچینگ با قطع و وصل کردن سریع و با فرکانس بالا، شکل موج مورد نظرمان را می سازیم.
این قطع و وصل ها باعث می شود که جریان برق DC ما به چیزی شبیه به AC شود ولی سپس به DC بر می گردد.
منابع تغذیه خطی به طور کلی از طریق ترانسفرمرها و تولید گرما و تلف کردن انرژی می توانند ولتاژ و جریان ورودی را تنظیم کنند و خروجی دلخواه را تولید کنند.
منابع تغذیه سوئیچینگ شبیه به خطی هستند با این تفاوت که منابع تغذیه خطی، همانطور که از اسمش پیداست، به صورت خطی جریان را کنترل می کند و شما با ورودی و خروجی نسبتا ثابتی رو به رو هستید.
ولی منابع تغذیه سوئیچینگ با قطع و وصل کردن ورودی جریان را کنترل میکنند و شما می توانید با استفاده از PWM، خروجی های مختلفی (با یک مدار) داشته باشید و به دلخواه خود (البته یک حدی وجود دارد) آن را تغییر دهید و خلاصه کنترل بالایی دارید.
اگر با میکروکنترلر ها کار کرده باشید حتما درباره PWM(Pulse Width Modulation) شنیدید، در منابع تغذیه سوئیچینگ هم از همین تکنیک استفاده خواهیم کرد.
منابع تغذیه سوئیچینگ (switching power supply) نسبت به منابع تغذیه خطی (linear power supply) عموما سبک تر و کوچک تر هستند و برای همین در دستگاه های الکترونیکی کوچک، دستگاه هایی که قرار است ما با خودمان حمل کنیم یا در صنایعی که محصول آن ها متحرک است و نیاز دارد که تا حد ممکن سبک باشد، مناسب تر است همینطور مصرف انرژی آن ها به شدت کم است.
یک منبع تغذیه سوئیچینگ معمولا تشکیل شده از:
- سلف
- فیلتر های مختلف (برای ازبین بردن نویز ها مختلف) مانند: EMI Filter
- خازن
- سوئیچ (مثلا : MOSFET ،BJT، IGBT)
از این نوع مدار منبع تغذیه معمولا در:
- مدار تغذیه کامپیوتر ها
- تغذیه مدار IC
- تلویزیون ها
- و …
استفاده می شود.
منابع تغذیه خطی می توانند ولتاژ را فقط به صورت کاهنده تنظیم کنند در صورتی که در منابع تغذیه سوئیچینگ میتوان به صورت کاهنده (Buck)، افزاینده (Boost)، وارونگر (Buck-Boost)، کاهنده-افزاینده (Ćuk)، سپیک (SEPIC) و فلای بک (Flyback) و غیره طراحی و استفاده کرد.
نکته: شما می توانید در بیشتر منابع تغذیه سوئیچینگ به جای دیود، از دیود فلای بک استفاده کنید که برای از بین بردن (Voltage Spike) عالی است.
لیست قابل کلیک مطالب این آموزش
# مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ
- قیمت منطقی
- به شدت به صرفه بودن از لحاظ مصرف برق (power efficiency)
- وزن و حجم نسبتا کم
- انواع فراوان برای نیاز های متفاوت
- و …
# معایب منبع تغذیه سوئیچینگ
- پیچیدگی بالا
- حساسیت بالا نسبت به نویز های محیطی
- حساسیت نسبت به اموج مختلف
- همیشه نیاز به فیلتر دارد
- نویزهای ناشی از سوئیچینگ
بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ
اصول طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ
# تشریح اسامی در منابع تغذیه سوئیچینگ
- Inductor = سلف
- Switching Device = ترانزیستور، ماسفت یا IGBT
- Vl1 = میانگین ولتاژ دوسر سلف اول
- Vl2 = میانگین ولتاژ دوسر سلف دوم
- Vc1 = میانگین ولتاژ دوسر خازن اول
- Vc2 = میانگین ولتاژ دوسر خازن دوم
- Vi = ولتاژ ورودی
- D = مقدار دیوتی سایکل (Duty Cycle)
- Vo = ولتاژ خروجی
# ثبات جریان در خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ
جریان در بیشتر منابع تغذیه سوئیچینگ میتواند به دو صورت عبور کند:
- متوالی (Continuous)
- غیر متوالی (Discontinuous)
متوالی (Continuous)
منظور از متوالی بودن این است که جریان نوسان میکند و بالا-پایین می شود ولی هیچ وقت صفر نمی شود.
غیر متوالی (Discontinuous)
منظور از غیر متوالی بودن این است که جریان نوسان میکند و بالا-پایین میشود و صفر هم می شود.
مزایا یا معایبی بین این دو نیست و این حالات باید مطابق با نیاز پروژه شما تنظیم شود.
# ایزوله بودن یا نبودن مسئله این است
منابع تغذیه میتوانند ایزوله (Isolated) و یا غیر ایزوله (non-Isolated) باشند.
منظور از ایزوله نبودن یا بودن به ترتیب این است که مدار منبع تغذیه و مدار مصرف کننده زمین مشترکی داشته یا نداشته باشند.
مزایای منابع تغذیه ایزوله
-
امنیت بالا
زمانی که ورودی برق شما خطرناک است این نوع منابع، انتخاب درستی هستند.
مثلا شما یک مبدل AC به DC دارید و ولتاژ ورودی برق شهر و یا ولتاژ بالا است، خیلی خطرناک که از زمین مشترک استفاده کنید.
- ضدِ حلقه های زمین (Ground Loops)
زمانی که در مسیر جریان بیش از یک زمین باشد و زمین ها نسبت به هم اختلاف پتانسیل داشته باشند، این اتفاق (که به سختی شناسایی می شود) رخ میدهد.
ایزوله کردن از این اتفاق جلوگیری میکند.
مزایای منابع تغذیه غیر ایزوله
- ارزان تر و ساده تر
به خاطر استفاده از قطعات کمتر، ساده تر و قیمت آن ارزان تر است.
- کم مصرف تر
به خاطر استفاده از قطعات کمتر، این نوع از منابع تغذیه، کم مصرف تر هستند.
- وزن کم تر
به خاطر استفاده از قطعات کمتر، وزن آن نیز کمتر است.
- قابلیت فعالیت در فراکانس های بالاتر
نکته: تمامی منابع تغذیه ای که قرار است توضیح دهیم، در حالت ایزوله نشده (non-isolated) قرار دارند مگر آن که غیر از این گفته شود.
# آداپتر چیست؟
دستگاهی را که واسط قسمت های مختلف الکترونیکی مختلفی که نیاز است به هم متصل شوند ولی امکان اتصال مستقیم آن ها نیست را به هم وصل میکند را آداپتر میگویند.
یکی از وظایف منابع تغذیه (سوئیچینگ و خطی)، آداپتر بودن است.
# ترانس منبع تغذیه سوئیچینگ
در بعضی از منبع تغذیه های سوئچینگ، از ترانسفرمر استفاده می شود.
برای استفاده از ترانسفرمر در منبع تغذیه سوئیچینگ، شما بهتر از هسته ای با تحمل فرکانس بالا استفاده کنید.
عموما سازنده های ترانسفرمر، هسته ای از جنس فریت برای ساخت این ترانسفرمر ها استفاده می کنند.
# منبع تغذیه سوئیچینگ متغیر است
خروجی برق منبع تغذیه سوئیچینگ می تواند بسته نوع، ولتاژی بیشتر و یا کمتر از ولتاژ ورودی داشته باشد.
اینکار، از طریق PWM انجام می شود.
حالا می رسیم به PWM، اگر با این مبحث آشنایی ندارید، هیچ اشکالی ندارد و اگر با ما همراه باشید متوجه این مبحث مهم می شوید.
امواج (Pulse Width Modulation) PWM، امواجی به شکل مربع هستند که با کنترل کردن آن، ما میتوانیم ولتاژ خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ را تغیر دهیم.
مدار هایی هسنتد که می توانند موج هایی به شکل مربع بسازند، یعنی اگر پالس بالا را یک، و پالس پایین را صفر بنامیم، خروجی ما هیچ وقت بین صفر و یک قرار نمی گیرد و همیشه در یکی از این دو حالت (صفر و یک) قرار دارد.
اما خروجی می تواند در مدت زمان قرار داشتن در یک حالت تغییر کند و مدت زمان بیشتری را یک و یا صفر باشد.
به نسبت مدت زمان پالس بالا با مجموع مدت زمان پالس بالا و مدت زمان پالس پایین را، Duty cycle می گویند.
نکته خیلی مهم: در تمامی منابع تغذیه سوئیچینگ، خروجی مدار سازنده پالس های PWM، باید به پایه بیس ترانزیستر متصل شود.
نکته: ترانزیستر ها، به همانند یک کلید (سوئیچ)، (به واسطه موج مربعی (PWM)) دائما روشن (بسته) و خاموش (باز) می شوند.
به همین دلیل به تمامی مدار های منبع تغذیه ای که از یک یا چند ترانزیستر به صورت نوعی کلید استفاده کرده اند را، منبع تغذیه سوئیچینگ می نامند.
چون ما این پالس ها را به بیس ترانزیستر اعمال میکنیم می توانیم بگوییم:
به نسبت مجموع زمان وصل بودن ترانزیستور به مجموع قطع و وصل را Duty cycle می گویند.
یعنی هرچه مدت زمان روشن بودن ترانزیستر بیشتر شود، ولتاژ نیز بیشتر می شود.
نکته: حدود افزایش با سلف و خازن ارتبط مستقیم دارد.
توجه داشته باشید که برای تولید PWM باید یک مدار نوسان ساز یا یک آی سی تایمر (مثلا 555) یا یک میکروکنترولر داشته باشیم تا بتوانیم از قدرت منابع تغدیه سوئیچینک بهره ببریم.
# حالت ثبات (Steady state)
بعضی از منابع تغذیه سوئیچینگ، یک مدار حالت دائمی (Steady state) هستند که به طور کلی به این معناست که پس از یک مدت بی نظیمی در سیستم، سیستم به یک حالت با ثبات برسد.
به عبارت دیگر، متغیر هایی که رفتار سیستم (سیستم برای ما همان مدار است) را می سازند و معلوم می کنند، باید بدون تغییر باشند و مجموع تغیرات آن ها صفر باشد.
# قوانین و اطلاعات خیلی خیلی مهم درباره سلف!
سلف مثل خازن انرژی را ذخیره میکند اما انرژی به صورت میدان مغناطیسی ذخیره می شود.
خازن اختلاف پتانسیل (ولتاژ) را در خود ذخیره میکند ولی سلف، جریان را در خود ذخیره میکند و برای همین کار استفاده می شود.
همانطور که متوجه شدید قرار است که ما با سرعتی نسبتا بالا جریان برق را خاموش و روشن کنیم.
این قطع و وصل شدن جریان تاثیری شگفت انگیزی روی سلف میگذارد.
قانون فارادی (Faraday’s law)
هرگاه میزان شار مغناطیسیی که در مداری بگذرد، تغییر کند، نیروی محرکه القایی (EMF, Electromotive Force) در آن ایجاد می شود.
حدس بزنید واحد EMF چیست؟؟ ولت!
پس اگر جریان برقی که از یک سلف عبور می کند، تغییر کند (مثلا از 0 به 12 آمپر و برعکس)، میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی آن نیز تغییر می کند پس طبق قانون فارادی، در دوسر سلف ما اختلاف پتانسیل (ولتاژ) (که همانطور که اشاره شد جریان را نیز در خود برای مدت زمانی حفظ می کند) ایجاد می شود.
قانون لنز (Lenz’s law)
جهت جریان القا شده همواره مخالف جهت جریان القاگر است (بله، این قانون شبیه است به قانون سوم نیوتون است).
پس ولتاژی که در دوسر سلف ما که به خاطر تغییرات جریان ورودی به وجود آمده است، در جهت مخالف جریان ورودی حرکت خواهد کرد.
خروجی ولتاژ القایی سلف می تواند با توجه با ظرفیت آن متغیر باشد.
با تغییر دادن دیوتی سایکل (Duty Cycle) ما می توانیم ولتاژ خروجی را کنترل کنیم که یعنی مقدار شارژ شدن سلف را باید متناسب با ولتاژ خروجی، تغییر دهیم تا به نقطه ای برسیم که سلف به اندازه مناسب شارژ شده (ولتاژ خروجی برابر است با ولتاژ ورودی منهای ولتاژ القایی دو سر سلف)، و ما با روشن خاموش کردن مناسب سطح انرژی مورد نظرمان را در سلف، ثابت نگه داریم تا درخروجی، ولتاژ کاهش یافته دلخواهمان را داشته باشیم.
# جریان متغیر منظم (Pulsating Current)
زمانی می گوییم که: جریان متغیر منظم است یعنی اینکه جریان به صورت منظم، پشت سر هم و قابل پیش بینی نوسان می کند.
انواع منبع تغذیه سوئیچینگ
# آموزش منبع تغذیه سوئیچینگ کاهنده (Buck)
این نوع منبع تغذیه سوئیچینگ به صورت کاهنده هست یعنی مثلا 50v را به 16v تبدیل میکند.
یکی از مزایای این نوع منبع تغذیه این است که از فیلتر (inductors (L) + capacitors (C)) LC به صورت پایین گذر استفاده می کند که باعث تمیز شدن جریان می شود (البته الزامی نیست).
این نوع از منابع تغذیه سوئیچینگ با پایین آوردن ولتاژ، باعث افزایش جریان در خروجی نمی شوند و به جای آن گرما تولید می کنند و از این طریق است که می توانند جریان خروجی را کنترل کنند.
جریان خروجی این نوع از منایع تغذیه، از نوع جریان متغیر منظم (Pulsating Current) است.
در این نوع از منبع تغذیه سوئیچینگ، یک فیلتر (که همانطور که گفته شد از قسمت های اصلی است) تشکیل می دهیم که از نوع فیلتر پایین گذر (Low Pass Filter) است.
دلیل استفاده این فیلتر نیز، نویز های مزاحمی هستند که به آنها Ripple هم میگویند که به خاطر سوئیچینگ به وجود آمده اند.
این فیلتر ساده میتواند این ریپل ها را تا مقدار زیادی از بین می برد.
این ساخت این فیلتر خیلی ساده هست: یک سلف، یک خازن به همین سادگی!
در ادامه خواهید دید که از این فیلتر در منابع تغذیه سوئیچینگ دیگر که از ریپل ها رنج می برند نیز، استفاده می شود.
وقتی ترانزیستور روشن هست،
سلف (Inductor) از طریق دیود (Diode) (که در حال حاضر بایس غیر مستقیم است) به جریان متصل میشود (باعث شارژ شدن سلف (Inductor) می شود) و این جریان, باعث شارژ شدن خازن (Capacitor) (موازی بسته شده) هم می شود.
وقتی ترانزیستور خاموش هست،
سلف (Inductor) که بخاطر اینکه جریانی که بهش اعمال میشود، دائما و با سرعت زیاد خاموش و روشن می شود، تولید ولتاژ (طبق قانون فاراده) و در جهت عکس جریان اعمال شده (طبق قانون لنز) میکند و سبب تغییر جهت جریان در دیود می شود و دیود را از بایس غیر مستقیم به بایس مستقیم تبدیل شود.
ولتاژ القایی سلف که جهت عکس با جریان القاگر (جریان ورودی) دارد، از ولتاژ ورودی (باید ولتاژ القایی کوچک تر از ولتاژ ورودی باشد) تفریق می شود.
ولتاژ القایی به ظرفیت سلف (هانری) ارتباط دارد و خروجی ولتاژ آن نسبت مستقیم با دیوتی سایکل دارد.
در حالت متوالی مقدار ولتاژ خروجی ما به ظرفیت سلف و دیوتی سایکل (Duty Cycle) بستگی دارد که نسبت برابر با ولتاژ خروجی دارد.
اگر مثلا ولتاژ ورودی 18 ولت، سلف با ظرفیت مناسب و دیوتی سایکل 50% در مدارمان داشته باشیم، در خروجی، 9 ولت خواهیم داشت (جریان هم که به مدار مصرف کننده بستگی دارد).
جریان، به جهت قبلی خود حرکت می کند و مدار مصرف کننده را تغذیه می کند و از طریق همان دیود (Diode) به سلف (Inductor) باز می گردد و تا زمانی که دوباره جریان متصل شود، سلف (Inductor) و خازن (Capacitor) درحال تخلیه نیز جریان و ولتاژ مدار مصرف کننده را تامین میکند.
# طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ افزاینده (Boost)
این بار همان ترانزیستور را به صورت موازی متصل کنید، دیود (D) را سری کنید و سلف (L) را به پشت ترانزیستور منتقل کنید، همین!
این نوع از منابع تغذیه می توانند ولتاژی بیش از ولتاژ ورودی خود را تولید نمایند.
اگر می خواهید مدارتان در حالت متوالی (Continuous) باشد و جریان هیچ وقت صفر شود حتما خازن و سلفی با حجم مناسب انتخاب کنید تا در مدار قطعی جریان نداشته باشیم.
لطفا دقت داشته باشید که سلف سری با مثبت است.
جریان خروجی این نوع از منایع تغذیه از نوع جریان متغیر منظم (Pulsating current) است.
وقتی ترانزیستور روشن هست،
جریان از سلف (L) به ترانزیستور و بعد به سیم منفی برمی گردد و برای همین ترانزیستر اشباع می شود (بله، در ترانزیستر اتصال کوتاه صورت می گیرد).
به همین دلیل هیچ جریانی به سمت مدار مصرف کننده حرکت نمی کند و ترانزیستر ما به شدت داغ میشود پس اگر ممکن است بهتر است که یک heat sink هم به ترانزیستور متصل کنید.
سلف (L) ما با توجه به قانون لنز، نسبت به افزایش جریان از خود مقاومت نشان می دهد و نمی خواهد بگذارد که جریان کلا تغییری کند اما مقاومت سلف با گذشت زمان کمتر و کمتر می شود.
خازن (C) هم در حالت تخلیه بار قرار می گیرد (و هم دیود (D) بایاس معکوس می شود) و جریان مصرف کننده را تامین می کند (همه این ها به دلیل اتصال کوتاه اتفاق می افتد).
وقتی ترانزیستور خاموش هست،
جریان از ورودی برق شروع می شود بعد وارد سلف (L) میشود سپس وارد دیود (D) (که الان در حالت بایس مستقیم هست) و به سمت خروجی می رود. اما اتفاقی دیگر نیز رخ می دهد. آن ولتاژی که در شروع به سلف (L) القا شده بود، معکوس شده، سپس به ولتاژ ورودی ملحق می شود و ولتاژ را افزایش می دهد.
جریان از خازن (C) عبور می کند و به دیود (D) و سپس به ورودی برق بازمی گردد.
انرژی ذخیره شده در درون سلف (L) برابر است با:
پس هر چقدر ظرفیت سلف بزرگ تر باشد، انرژی بیشتری در خود دخیره می کند و خروجی نیز ولتاژ بزرگتری خواهد داشت.
# ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ وارونگر (Buck-Boost)
منبع تغذیه وارونگر(Buck-Boost) همانطور که از اسمش پیداست، ترکیبی از کاهنده (Buck) و افزاینده (Boost) هستش و به این شکل هست که خروجی آن می تواند برعکس ورودی آن باشد ولی می تواند در اندازه متفاوت باشد و ولتاژ بیشتر یا کمتر از ورودی تولید نماید.
نحوه کار این نوع منبع تغذیه به نظر من بسیار ساده تر از دوتای قبلی است.
در کل این نوع از منابع تغذیه می توانند کار هر دو کاهنده (Buck) و افزاینده (Boost) را انجام دهند.
مثلا وقتی ما در ورودی 15V+ داریم، میتوانیم در خروجی 6V– و یا برعکس، 6V– ورودی داریم، میتوانیم 15V+ را در خروجی داشته باشیم.
جهت جریان خروجی این نوع از منابع تغذیه، موافق جریان ورودی است.
جریان خروجی این نوع از منایع تغذیه از نوع جریان متغیر منظم (Pulsating current) است.
وقتی ترانزیستور روشن است،
جریان ورودی از ترانزیستر می گذرد و وارد سلف (L) میشود (و باز هم بله، اتصال کوتاه رخ می دهد).
جریانی از دیود (D) (که بایس غیر مستقیم هست) عبور نمی کند.
طی این فرایند، سلف (L) شارژ می شود و جریان به پایه منفی منبع تغذیه برمی گردد.
جریان برق مورد نیاز مدار مصرف کننده نیز، از طریق خازن (C) که، زمانی که ترانزیستر ما خاموش بود، شارژ شد، تامین می شود.
وقتی ترانزیستور خاموش است،
جریان برق مورد نیاز مدار مصرف کننده از طریق تخلیه خازن (C) و سلف (L) (مه به خاطر قانون فارادی ولتاژ خروجی دارد و به خاطر قانون لنز قطب آن عکس جریان برق ورودی است) و بعد گذشتن از دیود (D) (که الان بایس مستقیم هست) تامین می شود.
نکته: در این نوع از منابع تغذیه، جهت جریان برق خروجی موافق جهت جریان ورودی است.
# آموزش منبع تغذیه سوئیچینگ کاهنده-افزاینده (Ćuk)
این نوع منبع تغذیه هم مثل وارونگر (Buck-Boost) حالت ترکیبی دارد ولی این منبع تغذیه دنیای خودش را دارد.
این منابع تغذیه به چند شکل مختلف برای نیازهای مختلف طراحی می شوند.
در این نوع از منابع تغذیه سوئیچینگ، جریان خروجی با ثبات است.
نکته: خروجی این نوع از مدار های منبع تغذیه، نسبت قطبی منفی با ورودی دارند (یعنی 0 قطب منفی و 15+ قطب مثبت، را به 20- قطب مثبت و 0 قطب منفی تبدیل می کند).
این نوع از منابع تغذیه سوئیچینگ، از نوع حالت دائمی (Steady state) هستند و برای همین سطح انرژی سلف استفاده شده در این مدار در یک دوره (Cycle) کامل، چه در زمان لبه پایین رونده (امواج PWM را که شبیه مربع هستند تصور کنید (از چپ به راست)، به ضلع سمت چپ که نسبت به زمین (Ground) به سمت بالا حرکت می کند، لبه بالا رونده، و به ضلع سمت راست که به سمت زمین حرکت می کند لبه پایین رونده می گویند) و چه در زمان لبه بالا رونده باید ثابت بماند و تغییری نکند.
فرمول محاسبه انرژی درون سلف:
برای همین جریانی که از سلف عبور می کند نیز در یک دوره کامل باید با ثبات باشد.
نسبت اختلاف پتانسیلی (ولتاژ) که در دو طرف هر کدام از سلف ها وجود دارد برابر است با:
وقتی ترانزیستور خاموش است،
جریان از منبع حرکت میکند و به سلف (L1) میرسد که با یک خازن (C1) سری شده است برای همین ولتاژ سلف اول (L1) ،ولتاژ ورودی منهای ولتاژ خازن (C1) می شود (دیود (D) ما بایس مستقیم هست) و بعد وارد سلف دوم (L2) میشود.
جریان از سلف دوم (L2) میگذرد و از طرف خازن دوم (C2) که موازی شده خارج می شود که یعنی ولتاژ سلف دوم (L2) برابر با ولتاژ خروجی است.
وقتی ترانزیستور روشن است،
جریان از ورودی به سمت سلف اول (L1) حرکت می کند.
سلف اول (L1)، مستقیما به ورودی متصل هست پس ولتاژ سلف اول (L1) و ورودی با هم برابرند (با در نظر نگرفتن مقاومت خیلی کمی که سلف دارد).
جریان به سمت سلف دوم (L2) میرود که با خازن دوم (C2) سری است (یادتان باشد که دیود (D) در حالت بایس مستقیم است) و ولتاژ آنها برابر با می شود و در خروجی قرار می گیرد:
یا
نکته: خازن ها باید حجم مناسب داشته باشند.
ولتاژ (میانگین) دوسر سلف اول (L1) برابر است با:
میتوان رابطه میان ولتاژ ورودی و خروجی را به صورت زیر نشان داد:
# آموزش طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ سپیک (SEPIC)
این نوع از منابع تغذیه هم، نوعی مدار حالت دائمی (Steady state) است.
در منابع تغذیه SEPIC (Single-ended primary-inductor converter) می توانیم هم در خروجی ولتاژی بالاتر و هم ولتاژی پایین تر از ولتاژ ورودی تولید کنیم اما، در خروجی این منابع تغذیه، قطب مثبت و منفی با هم عوض نمی شوند.
البته مانند منبع تغذیه افزاینده (Buck-Boost)، خروجی آن دارای جریان متغیر منظم (Pulsating Output Current) است.
باید حتما از خازن هایی با حجم و تحمل جریان بالا استفاده کنید.
وقتی ترانزیستور خاموش است،
جریان از سلف اول (L1)، خازن اول (C1) (شارژ میشود)، میگذرد و سپس دو شاخه شده، یک شاخه خازن دوم (C2) که شارژ می شود و شاخه دیگر نیز، مدار مصرف کننده را تامین می کند.
وقتی ترانزیستور روشن است،
جریان از ورودی، وارد سلف اول (L1) میشود و آن را شارژ می کند و جریان از طریق ترانزیستر به ورودی برمی گردد.
سپس خازن اول (C1) که زمانی که ترانزیستر خاموش بود شارژ شده بود، تخلیه شده و سلف دوم (L2) را شارژ می شود.
جریان مورد نیاز مدار مصرف کننده نیز، از طریق خازن دوم (C2) و سلف دوم (L2) تامین می شود.
چیزی که در مورد این نوع از منابع تغذیه باید بدانید این است که ولتاژ ورودی آن نسبت عکس با Duty cycle دارد.
پس هر چه پالس Duty cycle کمتر باشد، ولتاژ ورودی بیشتری نیاز است و هر چه پالس Duty cycle بیشتر باشد، ولتاژ ورودی کمتری نیاز است.
نکته مهم: اگر پالس مربعی به مدت طولانی پایین باشد، خازن ها نمی توانند به خوبی شارژ شوند و منبع تغذیه ما درست عمل نخواهد کرد و احتمال آسیب جدی به مدار منبع تغذیه و مدار مصرف کننده بسیار بالا می رود.
# آموزش ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک (Flyback)
این نوع از منابع تغذیه میتوانند هم در تبدیل AC به DC و هم DC به DC استفاده شوند.
نسبت به بقیه منابع تغذیه معرفی شده می توانند حدود ولتاژ بیشتری در خروجی ولتاژ قرار بدهند و ایزوله نیز هستند.
ساختار مدار این نوع از منابع تغذیه سوئیچینگ، بسیار شبیه به منابع تغذیه وارونگر (Buck-Boost) هستند،
ولی با این تفاوت که در مدار فلای بک، ما تقریبا دو سلف داریم که دلیل حدود ولتاژ بیشتر نیز همین است.
بله، دو سلف یعنی تقریبا یک ترانسفرمر ولی نه هر نوع ترانسفرمری.
این نوع از منابع تغذیه سوئیچینگ، تنها نوع از انواع ذکر شده در این مطلب است که در آن از ترانسفرمر ها استفاده شده است.
ترانسفرمر فلای بک
ترانسفرمری که در این نوع از منابع تغذیه استفاده شده مقداری با ترانسفرمرهای معمولی تفاوت دارد.
به این نوع از ترانسفرمرها، ترانسفرمر فلای بک میگویند.
در ترانسفرمرهای معمولی جریان از یک طرف، به طرف دیگر به دلیل اتصال سیم پیچ ها به یک هسته، منتقل می شود.
این نوع از ترانس ها مقداری پیچیده تر از ترانس معمولی (forward) هستند.
در این نوع ترانس، انرژی به صورت القایی (القای متقابل) از L1 به L2 منتقل می شود ولی در در ترانس های معمولی این اتفاق (جابه جایی انرژی) به صورت مستقیم و از طریق اشباع هسته رخ می دهد.
نکته ای که درباره ی این نوع از ترانسفرمرها وجود دارد این است که زمانی که به سلف اول (L1) ولتاژی اعمال می شود، جریان وارد سلف دوم (L2) نمی شود.
دلیل این قضیه، وجود یک دیود (D1) بایس غیر مستقیمِ سری بسته شده با سلف دوم (L2) است.
نکته دیگری که باید درباره این نوع از ترانس ها بدانید این است که هسته (معمولا از جنس فریت) ما، یک شکافی کوچکی وجود دارد.
دلیل این که یک شکاف کوچک قرار داده شده است این است که شکاف باعث می شود که هسته تراسفرماتور خیلی دیرتر اشباع شود تا ما بتوانیم انرژی را به شکل میدان مغناطیسی در هسته ترانس، ذخیره کنیم.
وقتی ترانزیستور روشن هست،
جریان ورودی مستقیما وارد سلف اول (L1) شده و باعث افزایش شار مغناطیسی (Magnetic Flux) و دما در این قطعه می شود.
این اتفاقات باعث ذخیره شدن انرژی در سلف اول (L1) و همینطور القای ولتاژ (Voltage Inducing) به سلف دوم (L2) می شود.
نکته ای که باید در نظر داشت این است که جهت جریان در سلف دوم (L2) که به آن انرژی القا شده است، مخالف جهت جریان در سلف اول می باشد (به نقاطی که مخالف هم در دو طرف ترانس ما قرار گرفته است توجه کنید).
جهت جریانی که در مدار سمت سلف دوم (L2) به وجود آمده است باعث می شود که دیود (D1)، در حالت بایس غیر مستقیم قرار بگیرد و جریانی از آن عبور نکند (دلیل وجود دیود (D1)، جلوگیری از عبور جریان در زمان القای انرژی سلف اول (L1) به سلف دوم (L2) است).
در این مدت، ترانسفرمر ما (که البته کار اصلی ترانس ها شارژ/تخلیه نیست ولی این ترانس فرق می کند) انرژی در خود ذخیره می کند.
مدار مصرف کننده ما نیز از طریق خازن (C1) تامین می شود.
وقتی ترانزیستور خاموش است،
انرژی ای که در ترانس ما (در واقع در هسته ترانس ما که بین هر دو سیم پیچ، مشترک است) وجود داشت، از سمت سلف دوم (L2) تخلیه می شود.
لطفا توجه داشته باشید که جهت جریانی که در زمان روشن بودن ترانزیستر، از سلف اول (L1) به سلف دوم (L2) القا میشد، مخالف جهت جریان ورودی که به سلف اول (L1) بود (طبق قانون لنز) (و دیود (D1)، بایس غیر مسقیم می شد) ولی، الان که انرژی از طرف سلف دوم (L2) دارد تخلیه می شود، جهت جریان موافق جهت جریان ورودی است.
به همین دلیل جریان، از دیود (D1) عبور کرده (چون تبدیل به بایس مستقیم شده است) و خازن (C1) را شارژ می کند.
مدار مصرف کننده نیز، با همین جریان خروجی از سلف دوم (L2) تامین می شود.
#مصارف پاور های سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ کاهشی (Buck)
این نوع از منابع تغذیه در مدارهایی مثل: رابط باتری لبتاب، دستگاه های ارتباطی و مخابراتی.
همینطور در قسمت هایی مثل پورت USB، HDMI ، VGA و یا CPU کامپیوتر/لبتاب که نیاز به ولتاژ نسبتا پایین (ولتاژ و جریان قبل تحمل خیلی کمتر از خروجی منبع تغذیه کامپیوتر/لبتاب) دارند، می توانیم با استفاده از این نوع از منابع تغذیه، جریان مورد نیاز آن را از طریق ورودی خود کامپیوتر/لپتاپ تهیه کنیم.
منابع تغذیه سوئیچینگ افزایشی (Boost)
از این نوع منبع تغذیه برای مدار هایی که لازم هست در یک لحظه که ولتاژ زیادی را اعمال کنیم استفاده می شود مثلا: فلاش دوربین، شوکر و …
این نوع از منابع تغذیه به شدت!!! در طراحی باتری خودرو های دوگانه سوز (بنزینی-برقی) استفاده می شود و باعث می شود
که تعداد سلول های باتری به مقدار قابل توجهی کم شود.
همچنین منبع تغذیه جولی ثیف (Joul Thief) هم از این نوع منابع تغذیه استفاده می کند (الهام گرفته است)
منابع تغذیه سوئیچینگ وارونگر (Buck-Boost)، منابع تغذیه سوئیچینگ کاهنده-افزاینده (Ćuk)
و منابع تغذیه سوئیچینگ سپیک (SEPIC)
این نوع از منابع تغذیه، به دلیل شباهت ساختاری که دارند می توان آن ها را در صنایع مشابهی استفاده کرد.
در صنعت تولید برق از طریق انرژی های تجدید پذیر (مثل باد، خورشید و گرمای هسته زمین) کاربرد فراوانی دارند.
مثلا برای ساخت پنل های خورشیدی و پنل های چند کاره ای (مثل خورشیدی – بادی و …) از انواع منابع تغذیه سوئیچینگ ذکر شده استفاده می شود.
همچنین باتری هایی با ولتاژ کم که در صنعت خودرو های الکتریکی استفاده می شوند نیز، از انواع منابع تغذیه سوئیچینگ ذکر شده به کار برده می شود و باعث تنظیم ولتاژ و جریان در سراسر پنل می شوند.
یکی از دلایل مهم استفاده از انواع منابع تغذیه سوئیچینگ ذکر شده، مصرف انرژی کم آن ها است.
منابع تغذیه سوئیچینگ فلای بک (Flyback)
این نوع از منابع تغذیه میتوانند به دلیل و جود ترانس فلای بک به سادگی یک ولتاژ پایین و یا متوسط را به، ولتاژ بالا و یا خیلی بالا تبدیل نماید برای همین، در دستگاه هایی که نیاز به ولتاژ بالا دارند بسیار استفاده می شوند.
دستگاه هایی مثل:
- لامپ پلاسمایی و بسیاری از دستگاه های مرتبط به پلاسما
- تلویزیون های قدیمی
- دستگاه های صنعتی بزرگ
- و …
# پروژه منبع تغذیه سوئیچینگ
اداپتر سوئیچینگ 12 ولت 30 امپر
تا به اینجا، با انواع مختلفی از منابع تغذیه آشنا شدید.
اگر روزی به یک مدار منبع تغذیه با خرجی 12 ولت و 30 امپر نیاز داشتید اصلا نگران نباشید چون یک وارونگر (Buck-Boost) یا یک کاهنده-افزاینده (Ćuk) یا حتی یک کاهنده (Buck) به هدفتان برسید.
همانطور که گفته شد، شما با استفاده از تغییر دادن پالس بیس ترانزیستر سوئیچ، خروجی دلخواه را تولید نمایید و فقط مواظب قطعات الکترونیکی ای که استفاده می کنید باشید.
ولتاژ قابل تحمل خازن ها، ظرفیت سلف ها، هیت سینک مناسب و بزرگ، ورودی تا جای ممکن با ثبات، مدارات محافظ، رعایت نکات ایمنی از جمله نکاتی هستند که باید رعایت کنید.
اگر به بیس ترانزیستر کاهنده-افزاینده (Ćuk)، پالسی با Duty cycle کمتر از 50% (اگر 50% بدهید، خروجی با ورودی برابر خواهد بود) بدهید (با فرض بر اینکه ورودی شما بزرگتر از خروجی است)، می توانید ولتاژ مورد نیازتان را تامین کنید.
# کتاب منبع تغذیه سوئیچینگ
کتابی واقعا مرجع در حوزه آموزش طراحی و ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ: Switching Power Supply Design
# نتیجه گیری
چیزی که بین تمام مدار ها مشترکه، برق هستش و چیزی که اون رو به قول معروف صیقلی می کنه، مدارات تغذیه هستند که باعث می شه که مدار زنده باشد و وظیفه اش را به خوبی انجام دهد.
در اینجا با تنها تعدادی از منابع تغذیه آشنا شدید و همان طور که گفتم منابع تغذیه هم دنیایی دارند، و کلید ورود آن همین چند نوع منبع تغذیه است و تعداد بسیار زیادی از منابع تغذیه دیگر، از همین چند نوع، الهام گرفته شده اند و با فراگرفتن همین چند نوع، دیگر منابع تغذیه به چشمتان آسان تر و آشناتر می آیند.
همانطور که مشاهده کردید، ترانزیسترها نقش بسیار پر رنگی را در منابع تغذیه سوئیچینگ بازی می کنند.
دلیل آن آزادی و اجازه تفکر و توسعه است که ما با ترانزیستر دریافت می کنیم و می توانیم دست به خلاقیت بزنیم و چیز های جدیدتر و بهتر بسازیم.
به طور کلی، بسیاری از منابع تغذیه ای که در این جا نام برده شد، می توانند به جای همدیگر استفاده شوند.
اختلاف ها کوچکی در :
- ورودی
- خروجی
- قیمت تمام شده
- اندازه مدار
- تعداد قطعات استفاده شده
- و …
باعث میشوند که هر کدام با یک استفاده خاص، و با تفاوت های خیلی کم ولی بعضی وقت ها بسیار بسیار حیاتی به کمک شما بیایند و پازلی که در مدار شما درست شده را، حل کنند.
# همه آن ها، یکی اند
آداپتر سوئیچینگ
به منبع تغذیه سوئیچینگی که خروجی آن به منبع تغذیه های دیگر و یا مصرف کننده متصل می شود.
پاور سوئیچینگ
به منبع تغذیه سوئیچینگی که خروجی آن به یا مصرف کننده متصل می شود.
مدار منبع تغذیه سوئیچینگ
به برد فیزیکی که روی آن منبع تغذیه سوئیچینگ سوار شده، مندار منبع اغذیه سوئیچینگ گفته می شود.
می توان گفت هر سه چیز یک چیز هستند.
دوره ی نقره ای : اگر به یادگیری و شروع کار الکترونیک علاقه دارید و یک فرد آماتور و مبتدی هستین این دوره به نفع شماس جهت اطلاعات بیشتر و خرید دوره ی نقره ای کلیک کنید
دوره ی طلایی : اگر از کار الکترونیک تا حدودی سر در میارید و میخواهید اطلاعات خود را بالاتر ببرید و به یک تعمیر کار حرفه ای تبدیل شوید و درآمد خوبی از تعمیرات برد کسب کنید این دوره برای شما مناسب است جهت خرید دوره و اطلاعات بیشتر کلیک کنید
دیدگاهتان را بنویسید