مقاله در مورد منابع تغذیه

word قابل ویرایش
73 صفحه
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

منابع تغذیه

از بدو اختراع الکتریسته و تولید وسائل برقی اولین نیاز منبع تغذیه وسائل برقی بود که این وظیفه را ژنراتورها یا پیل های الکتریکی انجام می دادند .با شروع عمر الکترونیک نیاز به منابع تغذیه تفاوتهای بسیاری را به وجود آورد اولا جریان مصرفی در دستگاههای الکترونیک بر خلاف دستگاهای برقی DC می باشدو دما این دستگاهها برای کار به ولتاژ بیشتری به نسبت دستگاههای برقی نیاز دارند و

سوم اینکه به علت دقت حساسیت این دستگاهها رگوله بودن و نبود هر توع فریزر بار اذیت در منبع تغزیه بسیار بسیار مهم است. پس در ابتدا به تبدیل ولتاژ به ولتاژ دلخواه را داریم در مرحله دوم تبدیل جریان AC به DC (در صورت استفاده از جریان AC در وردی ) و در نهایت رگوله و فیلتر ینگ کردن جریان خروجی برای ما اهمیت دارد. در ساده ترین روشها که هنوز هم در منابع تغذیه ساده و ارزان قیمت بسیار رایج است روش منابع تغذیه خطی می باشد در این روش در اولین مرحله جریان ورودی وارد ترانسفورماتور می شود تا به ولتاژ مورد نظر تبدیل میشود بعد از ترانسفورماتور مرحله یکسو سازی جریان AC مطرح می شود و در پایان با توجه به نوع و مصرف منبع تغذیه یه عملیات

اغییر ولتاژ ، فیلترینگ ، رگولاتورها و … قرار می گیرند. این منابع تغذیه سالهاست که وظیفه تولید توان کلیه دستگاههای الکترونیکی را بر عهده دارند اما معایب بسیاری نیز دارند که می توان از این معایب به بزرگی و سنگینی، هزینه نسبتاً بالا و فریزوراپیل زیاد آنها اشاره کرد. مشکل فریزراپیل را با اضافه کردن فیلترهای مختلف و بهینه سازی تولید منبع تغذیه می توان تا حد بسیاری مرتفع و وزن و حجم زیاد (۹۰% از وزن و حجم زیاد به علت ترانس بزرگ و سنگین در این نوع منابع می باشد) این منابع زیاد قابل رفع نیست تا اینکه نظریه منابع تغذیه سوئیچینگ در سال ۱۹۳۰ مطرح می شو

د و در سال ۱۹۷۰ رسما تولید انبوه آن شروع و مورد استفاده قرار گرفت.
بررسی منابع سوئیچینگ :
اولین مزیت این منابع حجم کم آنها می باشد که به دلیل استفاده از ترانسفورماتور با سلف کوچک این امر صورت می گیرد.
چرا که در منابع تغذیه سوئیچینگ ترانس کوچک می شود؟
در شار و فلوی تولیدی در هسته و سیم پیچ های ترانس فورماتور فرکانس نوسانات جریان مهمترین نقش را در طراحی دارد به این شکل که هر چه فرکانس بالاتر برود اثر مغانیس شوندگی هسته و در نتیجه تاثیرات متقابل سیم پیچ ها افزایش پیدا می کند که به همین منظور می توان از هسته بسیار کوچکتری در فرکانسهای بالاتر (در یک توان ثابت) استفاده کرد. دوم میدانیم که با توجه به روابط حاکم بر محاسبات الکتریکی با بالا رفتن فرکانس مقاومت سیم پیچ بالا می رود و در صورت نیاز به مقاومت ثابت در مدار منبع تغذیه باید از ظرفیت سیم پیچ و در نتیجه از تعداد دور آن کاست که این مسئله خود باعث کوچکی سلف تا ترانس مورد نظر می شود.
همانطور که از مباحث فوق مشخص است اولین هدف در مباحث منبع تغذیه بالا بردن فرکانسمی باشد. با توجه به اینکه مصرف و ورودی خرد مدار تولید فرکانس (نوسانساز) جریان مستقیم می باشد در ابتدای کار باید جریان ورودی به جریان DC تبدیل شود و وارد مدار نوسانساز با فرکا

نس بالا شود در پایان این مرحله جریان برای ارسال به ترانس کوچک آماده است و بعد از خروج از ترانسفورماتور با توجه به قیمت و مورد استفاده منبع تغذیه سوئیچینگ می توان از یک مبدل DC و یک فیلتر خازنی ساده تا مدارات پیچیده تر برای تولید جریان بسیار با کیفیت تری را استفاده
همانطور که مشخص است بیشتر بافت منبع تغذیه سوئیچینگ را مدارات الکترونیکی اشغال می کند که این مسئله باعث ارزانتر شدن سبک شدن و کوچکتر شدن منابع تغذیه سوئیچینگ می شود (در منابع تغذیه خطی بخش زیادی از حجم روزن به ترانسفورماتور مربوط می شود)
اکنون با توضیحات مختصری که درباره تغذیه خطی و سوئیچینگ داده شد مزایا و معایب این دو را بررسی می کنیم.
مزایای منابع تغذیه خطی:
۱- سادگی مدار: ساخت و تولید منابع تغذیه خطی با حداقل قطعات در زمان ناچیز ممکن است
۲- تحمل بار زیاد نویز ناچیز و خروجی و زمان پاسخدهی بسیار کوتاه
۳- برای توانهای کمتر از ۱۰۷ ارزانتر از مدارهای سوئیچینگ تمام می شوند.
معایب منابع تغذیه خطی:
معایب این منابع به طور کامل قابل رفع نیست ولی همانطور که قبلا گفته شد با طراحی مناسب دقت در ساخت قابل کاهش می باشد
۱- رگولاتورهای این منابع صرفا کاهنده هستند و خروجی حداقل ۲ تا۳ ولت کمتر از ورودی است.
۲- انعطاف پذیری کم به طوری که برای هر خروجی جدا سخت افزاری اضافه می شود.
۳- بهره پایین حد ۳۰ تا ۴۰ درصد که این مسئله باعث بالا رفتن حرارت در قطعات و اصراف انرژی می شود.
۴- حجم و وزن زیاد
تمام این معایب در تغذیه های سوئیچینگ رفع شده است
مزایای این منابع تغذیه سوئیچینگ :
۱- افزایش راندمان به حدود ۶۸ تا ۹۰ درصد که باعث استفاده از ترانزیستور خنک کننده کوچکتر می انجامد
۲- بدلیل اینکه قطعه مغناطیسی (ترانس یا سلف) با کلیه جریان DC بریده شود کار می کند برای هر خروجی اضافی فقط کلیه سیم پیچ اضافی لازم داریم
۳- به علت افزیش فرکانس کاری به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلو هرتز (۱۰۰۰ برابر جریان برق شهر) ابزار ذخیره کننده انرژی مثل ترانس و خازن بسیار کوچک می شوند.

۴- برخلاف منابع خطی، در ترانهای خیلی بالا قابل استفاده هستند.
معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:
۱- اولاً طرح چنین منابعی اصولاً پیچیده است.
۲- نویز قابل ملاحظه ای از آنها به محیط انتشار می یابد.( به علت فرکانس کاری بالا)
۳- به علت ماهیت کار این منابع که با جریان DC برش دار کار می کند زمیون به ولتاژ خروج
معایب این منابع ناچیز بوده و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می باشد:
کلیات عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ در بحث قبل گفته شد. اکنون به تفصیل و با دقت شروع به توضیح منابع تغذیه سوئیچینگ می کنیم.
برای تولید جریان معرفی قطعات مغناطیسی ( سلف و ترانس ) احتیاج به یک جریان متناوب داریم. در منابع تغذیه سوئیچینگ برای بازده بالاتر سادگی کار و علکرد و بازده بهتر نیمه هادیها که فقط در نقطه قطع و اشباع مار می کنند از یک ولتاژ DC برش خورده ( موج مربعی ) که در هسته قطعه مغناطیسی به صورت AC ذخیره می شود، استفاده می شود، برای تولید این موج مربعی مورد نظر با فرکانس دلخواه از دو روش زیر استفاده می شود:
۱- فوروارد
۲- فلای بک

۱- فوروارد :
در این روش جریان ورودی به قطعه مغناطیسی با فرکانس خاص دائم قطع و وصل می شود که باعث تولید یک جریان DC برش خورده یا یک موج مربعی منظم می شود.
۲- فلای بک :
در این سیستم برای تولید جریان DC برش خورده جریان ارسالی به قطعه مغناطیسی و خازن دائم و با فرکانس خاص در حال اتصال کوتاه شدن است ( شورت مسیر کوئیت ) که همان نتیجه روش فوروارد را در بر دارد.

بررسی کلی بخش های تشکیل دهنده منبع تغذیه سوئیچینگ:
۱- فیلتر EMI
این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را می سازند، تشکیل شده است. وظیفه عمده این قسمت:
۱- ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوئیچینگ به خط تغذیه اصلی Vin .
2- جلوگیری از ورود اسپایک های موجود در تغذیه Vin به مدار.
توجه : فرکانس قطع این فیلتر نباید از ۲ تا ۳ برابر فرکانس کار تغذیه بیشتر باشد.
۲- خازن فیلتر ورودی:
شامل یک خازن است که وظیفه ذخیره انرژی را برعهده دارد و معمولاً مرکب از دو خازن است. یک خازن الکترولیت یا تانتالیوم برای مولفه های جریان در فرکانس تغذیه و یک خازن سرامیک

 

برای مولفه های هارمونیک فرکانس سوئیچینگ.
۳- ترانسفورمر :
این قسمت وظیفه ایزولاسیون DC و تغییر سطح ولتاژ را برعهده دارد.
۴- سوئیچ قدرت :
برای اینکار از یک نیمه هادی قدرت استفاده می شود. می توان از یک ترانزیستورBJT استفاده کرد اما معمولاً از Mosfet های قدرت استفاده می شود و چون هم جریان ورودی ( گیت ) بسیار ناچیزی دارند و هم برای کار در دو ناحیه قطع و اشباع ( سوئیچینگ ) بسیار مناسبند. حساسترین و آسیب پذیرترین قطعه در منبع تغذیه سوئیچینگ همین قطعه است.
۵- یکسو کننده خروجی :
این یکسو کننده ها ( دیودها ) وظیفه یکسو سازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارند. برای اینکار استفاده از دیود های معمولی مناسب نیست و باید از دیودهای سریع و خیلی سریع استفاده کرد.
۶-فیلتر خروجی :
وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور برعهده دارد و رگوله و صاف کردن جریان خروجی را بر عهده دارد.

تولید یک منبع تغذیه سوئیچینگ :
اکنون اقدام به بررسی آرایش کلی فرآیند تولید منبع تغذیه سوئیچینگ می کنیم. چند عامل ممتاز کننده آرایش های مختلف شامل :
۱- حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمه هادی قدرت است.
۲- مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد.
۳- بخشی از سخن مغناطیسی B-H ( مربوط به هسته ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می کند ) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.
۴- ایزولاسیون ورودی از ز که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تامین می کند. و این اجازه را به طراح می دهد که خروجی های متعددی را به راحتی اضافه کند.
۵- قیمت و قابلیت اطمینان: طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تاثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.

اولین مسئله در فرآیند تولید منبع تغذیه سوئیچینگ توان و ولتاژ منبع تغذیه می باشد. برای انجام این مهم باید آشنا به موارد استفاده انواع رگولاتورهای سوئیچینگ باشیم.
رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده :
۱- کاهنده Buck
2- افزاینده Boost
3- Buck & Boost معکوس کننده

 

رگولاتور Buck :
ساده ترین سیستم در میان رگولاتورها همین نوع می باشد. این رگولاتور دارای معایب بسیاری است. اما با وجود تمام معایب توان تحویل بیش از w 1000 را به بار دارا می باشد. این رگولاتور نوعی رگولاتور فوروارد است.

رگولاتور افزاینده Boost :
این رگولاتور نوعی رگولاتور فلای بک است که خروجی آن برخلاف نوع کاهنده بزرگ
در این آرایش (Boost ) ما می توانیم به ولتاژ بالاتری به نسبت ورودی دست پیدا کنیم. اما توان کار این مدار بسیار محدودتر بوده و در توان های تا w 200 مناسب است.

رگولاتور Buck & Boost :
این نوع رگولاتور فلای بک بوده که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است. به علاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می شود. این نوع رگولاتور بسیار مناسب تر از دو نوع دیگر بوده و با وجود معایب خود بر دو نوع دیگر برتری دارد، اما توان تحویلی آن تا w 100 می باشد که خود جزء معایب آن است.

رگولاتور سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده‌ :
استفاده از رگولاتورهای ترانسفورمری بسیار متداولتر و مناسبتر است زیرا این رگولاتورها به علت وجود عایق سیم ها در ترانس دارای ایزولاسیون بسیار بالا بوده و برای افزودن به خروجی ها تنها احتیاج به افزودن یک سیم پیچ است و مزیت بزرگ دیگر این رگولاتورها انتخاب هر ولتاژ ( کاهنده یا افزاینده ) بدون هیچ محدودیت تنها با تکیه بر محاسبات سیم پیچ ترانس محیا می شود. در این رگولاتورها نیز دو نوع فوروارد و فلای بک وجود دارد که البته نوع کاربری این دو نوع رگولاتور در آرایش تغذیه ترانس متفاوت است که منجر به تقسیم بندی رگولاتورهای ترانسفورمری به انواع زیر می شود :
۱- فلای بک
رگولاتورهای سوئیچینگ ترانسفورمری ۲- پوش پول
۳- نیم پل
۴ – تمام پل

۱- فلای بک :
اساس کاراین رگولاتور بسیار شبیه رگولاتور (Boost)است با این تفاوت که از یک سیم پیچ ثانویه در کنار سلف این رگولاتور کمک گرفته شده است. شکل مدار علمی فلای بک ترانسف

ورمری به صورت زیر می باشد.

۲- رگولاتور پوش پول push- pull :
این روش که نوعی فور وارد است دارای مزایای بسیاری است که می تواند توانی تا ۳ برابر نوع فلای بک را تولید کند. بزرگترین اشکال این منابع تغذیه غیر همسان بودن دو ترانزیستور آنها می باشد. که این مسئله باعث غیر متوازن شدن جریان تحویلی به ترانس و فشار

نامناسب بر روی خود ترانزیستورها می شود. برای همین منظور طراحان روش های نیم پل و تمام پل را ترجیح می دهند.
۳- رگولاتور نیم پل :
در این طرح اولیه ترانس دارای یک سیم پیچ است و به علت اینکه این نصف ولتاژ ورودی مستقیم روی سیم پیچ می افتد، خطر اشباع وجود ندارد. این نوع رگولاتورها در محدوده w50 تا w 500 مناسبترین انتخاب هستند. در ترانهای کمتر نوع فلای بک و در توان بالاتر تمام پل توصیه می شود.

۴- رگولاتور تمام موج :
در این نوع منابع تغذیه از ۴ ترانزیستوربرای تغذیه اولیه ترانس استفاده شده است که این مسئله باعث انتقال تمام ولتاژ ورودی بر روی اولیه ترانس می شود. این روش جریان عبوری را کاهش داده و امکان انتقال توان را تا حد قابل توجهی افزایش می دهد. محدوده مناسب عملکرد این رگولاتورها w400 تا چند کیلو وات است.

نیمه هادی ها در منابع سوئیچینگ :
الف – ترانزیستورها :
ترانزیستورها از بدو ورود منابع تغذیه سوئیچینگ یکی از مهمترین وظایف را در تولید این منابع ایفا کرده اند. بخش سوئیچ دستگاه که همان برش دهنده جریان DC یا تولید یک موج مربعی با توان بالا در مدار می باشد، بدون استفاده از ترانزیستورها ممکن نیست. اولین ترانزیستوری که به نظر می رسد یک BJT با فرمان گرفتن از یک مدار دیگر که می تواند ترانزیستوری یا IC دار باشد شروع به سوئیچ کردن می کند که به معنی استفاده از ترانزیستورها در ناحیه قطع و اشباع می باشد. این مسئله کمک زیادی به نیمه هادی برای بازدهی بالا و توان مناسب تولیدی آن می کند اما خود BJT کاملاً خطی نبوده و مشکلاتی مانند زمان خاموش شدن زمان روشن شدن و … دارد. در اولین دیدگاه فرکانس تولیدی ما بسیار محدود می شود که خود از معایب بزرگ ا

ست. در مرحله بعد می توان مشاهده کرد که حتی در فرکانس های مناسب هم BJT موج مربعی مناسبی را در خروجی خود به همراه ندارد که خود باعث مشکلات فراوانی در هسته قطعه مغناطیسی می شود که بازخورد این انرژی های ناخواسته ممکن است باعث آسیب رسیدن به خود نیمه هادی نیز شود. مشکل دیگر مصرف جریان در بیس BJT است که خود باعث بروز چند مشکل می شود. یکی خود مصرف و نیاز بیس به جریان و زمان تامین جریان کافی باعث اشکال ناخواسته در خروجی موج مربعی موردنظر می شود. این مشکل تا حدی بوس

یله مدارات دیگر قابل رفع است. مدارات هدایت بیس معمولاً خود شامل یک یا چند ترانزیستور دیگر می باشد. از نظر کلی هر چند BJT ها در ناحیه اشباع با بازده بالاتری کار می کنند، اما ساختار کلی آنها مناسب برای کار در ناحیه فعال می باشد که به همین دلیل و دلایل ذکر شده در بالا طراحان معمولاً از استفاده BJT ها در مدارات سوئیچینگ کمتر استفاده می

کنند و به جز مدارات محدود که در استفاده های خاص می باشد و اولین و قدیمیترین مدارات سوئیچینگ کمتر مورد استفاده قرار می گیرند و بیشتر نظرها به سوی نیمه هادی هایی جلب می شود که برای سوئیچینگ مناسب باشند.

Mosfet های قدرت :
ماسفت های قدرت به عنوان بهترین ابزار سوئیچ های شناخته شده اند. این نیمه هادی ها می توانند با سرعت ۱۰ برابر BJT ها در شرایط یکسان سوئیچ کنند. ماسفت ها به جریان بسیار کمتری به نسبت BJT ها برای رسیدن به اشباع احتیاج دارند و تحریک آنها با اعمال ولتاژ به گیت ( بدون احتیاج به جریان) صورت می گیرد. ولتاژ ورودی آنها بالا بوده (حدودv10) که این در مقایسه با BJT ها VBE 7/0 ولت احتیاج دارند، بسیار مناسب است، زیرا کم کردن ولتاژ خود باعث بروز بسیاری از عوارض ناخواسته می شود. یک راه انداز مناسب با سرعت حدود hs 30 تا ۵۰ کار می کند، بهترین طراحی ها برای جلوگیری از تلفات حرارتی انتخاب زمان های کمتر از یک میکروثانیه می باشد (فرکانس یک مگاهرتز) البته Mosfet ها با تمام مزایایی که دارند دارای معایب بسیاری نیز می باشند که در طراحی باید در نظر گرفته شوند. این معایب عبارتند از :
۱- شکست بهمنی :
این پدیده این است که در BJT ها نیز وجود دارد و فقط با توجه به ساختار متفاوت آنها نحوه بروز آن تاحدی متفاوت است. سهم عمده این مشکل در اثر امپدانس نشتی سیم پیچ های ترانس یا یکسو کننده های پارازیت دو قطبی ناشی از دیودهای پارازیتی دوقطبی ایجا می شود.
یکسو کننده ها :
پارامترهای مهم در انتخاب یکسوکننده ها در منابع سوئیچینگ به این قرار هستند.
۱- افت ولتاژ مستقیم
۲- زمان احیای معکوس
۴- ولتاژ بلوک کننده معکوس

دیودهای مناسب برای سوئیچینگ شامل :
۱- دیود شاتکی :
با کمترین افت هدایت و سرعت مناسب (lonsec)، اما ولتاژ قابل تحمل کم حدود v100 و جریان اشباع معکوس زیاد می باشد، برای ولتاژ کم و جریان زیاد مناسب است.
۲- یکسو ساز با زمان بازیافت فوق سریع :
این دیودها ولتاژ هدایت زیادی دارند (حدود یک ولت) زمان هدایت معکوس حدود ۳۵ تا ۵۰ نانوثانیه و به علاوه ولتاژ شکست معکوس آنها بیش از v1000 است.
۳- دیودهای سریع :
این گونه دیودها افت ولتاژ مستقیم بیشتر و زمان احیاء معکوس نسبتاً طولانی تری در مقایسه با دیودهای فوق سریع دارند (nsec200و v4/1). ارزانتر از دیودهای فوق سریع می باشند.مناسب استفاده ما می باشد.
۴- یکسو کننده های معمولی :
این دیودها در سوئیچینگ استفاده ای ندارند و تنها در منابع تغذیه Hz 50 مناسب هستند.

مدارات مجتمع کنترل کننده منابع تغذیه :
امروزه بسیاری از اعمال کنترلی منابع سوئیچینگ بوسیله Ic ها صورت می گیرد که این امر بسیار به کوچک شدن و با کیفیت شدن مدارات کمک می کند. در یک منبع تغذیه سوئیچینگ مناسب اگر طراح از یک تراشه مناسب کمک بگیرد، تنها چند قطعه که مجتمع کردن آنها ممکن نمی باشد مانند قطعات مغناطیسی، قطعات قدرت و خازن های بزرگ باید در بیرون مدار تراشه قرار بگیرمد. البته در عمل این یک حالت ایده آل است و به واقعیت فقط نزدیک است. شباهت های فراوانی بین Ic های مدارات سوئیچینگ وجود دارد که به این قرار هستند:
۱- یک نوسان ساز که در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می کند.
۲- راه انداز خروجی که توان کافی را جهت به کارگیری در مقاصد کم و(میانه) مت

وسط تولید می نماید.
۳- ولتاژ مبنا که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجی ها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش ها تولید می کند.
۴- تقویت کنننده ولتاژ خط که با بهره بالا ولتاژ مقایسه ای را بین ولتاژ خروجی و ولتاژ مبنای پایدار تامین می کند.
۵- یک مبدل خطا. مبدل ولتاژ به فرض پالس که DC خروجی را متناسب با سطح ولتاژ خط تنظیم می کند.
با توجه به نوع طراحی و مصرف می توانیم از :
۱- کنترل کننده های حالت ولتاژ
۲- کنترل کننده های حالت جریان
۳- کنترل کننده های حالت شبیه رزنانس
استفاده کرد. با توجه به نوع نیاز طراحی باید نیاز به هر گروه را تشخیص داده و از Ic مورد نظر استفاده کرد. چند تراشه معروف در سه کاربرد فوق به قرار زیر هستند:
۱- حالت کنترل ولتاژ
الف) تک خروجی
NE5560-MC34063-UA78S40-MC34060-SG1524
ب) جفت خروجی:
TL494/495-SG1525/26/27
2- حالت کنترل جریان :
الف) تک خروجی
MC34065-MC34129-UC3842/43/45
ب) جفت خروجی:
CU3825
3- حالت کنترل شبه رزنانس
UC3860ZCS-LD405ZCS-MC34066ZCS

اجزای مغناطیس در منابع تغذیه سوئیچینگ : آن ست(از بررسی سلف ها به علت نوارد استفاده محدودتر صرف نظر می کنیم) و در ضمن یکی از دلایل ساخت مدارات سوئیچینگ نیز همین برطرف کردن مشکلات بخش مغناطیس در منابع تغذیه می باشد. محاسبات ترانسفورماتورها دارای فرمول های مغناطیسی ثابت هستند که با توجه به فرکانس، ولتاژ و جریان ترانس مورد نظر محاسبه می شود. اگر فرکانس کاری ثابت در نظر گرفته شود، می توان در فرمول ها آنرا به صورت ثابت های فرمولی فرض کرد و فرمول ها و روابط بدست آمده ساده تری را بکار برد. همانگونه که سازندگان ترانسفورماتورهای معمولی (Hz 50 تا ۶۰) از چنین روابطی استفاده می کنند:
روابط ساده محاسبه ترانسفورماتور با تثبیت فرکانس(در یک فرکانس پائین ثابت):
اولین رابطه مربوط به محاسبه سطح مقطع هسته مورد نیاز می باشد که با توجه به توان معرفی و لازم به این شکل محاسبه می شود :

Afc سطح مقطع آهن هسته مورد نظر می باشد که با این شکل محاسبه می ش

ود.
برای محاسبه تعداد دور سیم پیچ موردنیاز به یک عدد ثابت (برای هر ترانس) نیاز داریم به نام دوربرولت که با بدست آوردن آن و ضرب این عدد در ولتاژ مورد نظر تعداد دور سیم بدس
عدد ۴۲ یک ثابت بدست آمده برای فرکانس موردنظر می باشد و I جریان موردنظر در اولیه یا ثانویه ترانس می باشد.

توان ترانس ۰ – ۵۰ w 50 – 100 w 200 – 100 w 200 – 500 w 100 -500 w
J 4 3.5 3 2.5 2

rcu = قطر سیم
dcu = سطح مقطع سیم

حل یک مثال :
اکنون اقدام به طراحی یک ترانسفورماتور نمونه برای روابط قبل می کنیم :
برای نمونه یک ترانسفورماتور v 220 به v 24-2 آمپر را محاسبه می کنیم:
W=V.I 24 × ۲ = ۴۸ W1 = W2
48 = 220 I1 I1 = 0.21A = 210mA
توجه :۱ برای اولیه ترانس و ۲ برای ثانویه ترانس استفاده می کنیم
ما برای محاسبه ترانس احتیاج به سطح مقطع آهن هسته و اطلاعاتی در مورد تعداد و دور قطر سیم پیچ ها در اولیه و ثانویه داریم.

چون مقطع هسته مربع فرض می شود و یک ضلع آن ۲٫۸ سانت می شود.

عملیات حفاظت:
بعد از مرحله طراحی و تولید منبع تغذیه سوئیچینگ باید احتمالات حالات غیر منطقی در نظر گرفته شود و برای جلوگیری از آشسب هایی که ممکن است در صورت بروز این حالات به منبع تغذیه یا بار وارد شود، اقدامات پیشگیرانه لازم انجام گیرد. نخست باید کلیه عوامل ایجاد ناامنی برای منبع تغذیه و بار را شناسایی کرد که شامل :
۱- شرایط معکوس کاری خط AC ورودی
الف – افت خط AC
ب- حالت سوختن خارجی
ج- نشتی و حالت گذرا
د- حالت ورودی DC مغایر
و- حالت ولتاژ کم

ن- حالت ولتاژ زیاد
ه- افت خروجی
ی- تموج (خاموش شدن بار سنگین و باز خورد بار)

۲- حفاظت از بار در مقابل تغذیه و خودش: بار می توان از روش های زیراستفاده کرد :
الف- استفاده از دیود زنر
ب- اهرم ولتاژ فوق العاده
ج- روش های سخت افزاری برای مقابله با حالت جریان بیش از حد

۱- محدود کردن جریان و فیزیک :
برای ثبات کلی موارد ایمنی پا به کار می توان از تجهیزات ساده الکترونیکی مثل فیوزها، خازن های بزرگ و … در طراحی سود جست که خود مانع بسیاری از اتفاقات نامطلوب در منبع تغذیه و بار خواهند بود.
نکات گوناگون :
طرح منبع تغذیه و سیستم زمین
طرح زمین در منبع تغذیه سوییچینگ به دلائل تاثیر در پایداری سیستم و ایجاد قابلیت اطمینان بالا در سیستم مهم است دانستن این مسائل برای مهندس طراحی حیاتی است .
همچنین مهندس طراح باید مراقب طراحی داخل تغذیه هم باشد طراح مدار چاپی تغذیه جایی است که می تواند دردسر زیادی ایجاد کند و اطمینان کمی به همراه داشته باشد .
در اغلب طرحهای دستی و همه طراحی های خود کار کامپیوتری زمین خطی است که ولتاژ DC صفر دارد و همانند یک چاه نامحدود جریان عمل می کند برای هر مقدار جریانی که به داخل آن ریخته شود ( جریان دهی زمین نباید فراتر از حد پایداری باشد) .
یک زمین خوب باید مشخصات را داشته باشد :
بازگشت جریان مصرفی توسط مدار به منبع
تزویج مدارهای مرتبط با یکدیگر
در منابع تغذیه سوییچینگ طیف های بسیار گسترده ای از مولفه های فرکانسی بالا و پایین با چگالی جریان بالا وجود دارند چنین مولفه های جریانی توان تبدیل شدن به ولتاژ را در امپدانس های مسیر PCB دارند این اندوکتانس های مهادل به صورت سری با مسیر جریان قرار گرفته اند ، و متناسب با جریان ارسالی بزرگتر می شوند . طرح زمین از اندوکتانس های سری پارازیتی ایمن نخواهد بود.
زمین مشابه ، ماتریسی از اتدوکتانس ها در هر جهت از طرح عمل می کند . این اندوکتانس ها از مقادیر مشابه در PCB های تک مسیره خیلی کوچکتر هستند . مولفه های بالا تمایل به تخریب مسیر خود دارند .
در منابع PWM معمولاً ارتباط زمینها سه مسئله را ایجاد می کند :
ولتاژ ریپل

جریان AC اشتراکی در خازن های موازی
پایداری حلقه بسته تغذیه و سطوح RFI و EMI
در مورد خازن ها مسیرهای PCB علاوه بر اندوکتانس ESL مقاومت سری ESR را هم به مدار اضافه می کنند و این قابلیت محلی خازن را متاثر می کند . از اینرو کاهش

قابلیت خازن را به همراه دارد
در این حالت خازنی که مسیر کوتاهتری دارد انرژی بیشتری را نسبت به خازن دیگر که مسیر طولانی تری دارد جذب می کند جریان ربپل مرتبط با بخش کنترل باید آنقدر که ممکن است کم نگاه داشته شود چرا که تقویت کننده ها به تغییرات چند میلی ولت در ورودیهایشان حساس هستند.
اگر زمین جریان کم مربوط به بخش کنترلر با زمین جریان زیاد مخلوط شود ولتاژ تولید شده توسط اندوکتانس های پارازیتی به صورت حسابی با ولتاژ بازخورد یا سیگنال جریان جمع می شوند. تقویت کننده ها به تغییرات چند میلی ولتی حساس هستند به علاوه جریان زیادی که مسیر را تحت تأثیر قرار دهد نمی کشند. هنگام ترکیب زمین کنترل و قدرت پایداری ولتاژ مشکلتر می شود. هر چند غیر ممکن نمی شود. در مقاصد غیر ایزوله زمین کنترل باید مستقیما به ترمینال زمین خروجی متصل گردد به دلیل اینکه بخش خروجی نسبت به نویز خیلی صبورتر است. سرانجام اینکه طرح زمین خوب در ارتباط نزدیک با مسائل EMI و RFI قرار دارد. در هر منبع تغذیه سه نوع زمین وجود دارد. زمینهای منابع تغذیه.
اولین زمین مسیر برگشت اولیه ترانسفورمر و سوییچ قدرت که باید به خازن bulk ورودی که منبع جریان لحظه ای است اتصال یابد.
زمین دوم شامل ثانویه ترانسفورمر و فیلتر خازن خروجی است. در اینجا هم شامل پیک جریان و شکل موجهای جریان ثانویه است. سومین زمین، زمین کنترل است که شامل همه زمینهای

پیرامون IC می باشد. همه این زمینها در یک نقطه به هم اتصال یافته اند. جریان قدرت بالا نباید اجازه هدایت در این مسیر را پیدا کند، خازن های به کار رفته باید مشخصه فرکانسی خوبی داشته باشند این خازن ها باید توان حذف مؤلفه های فرکانس بالا را دارا باشند، تا یک مدار ساکت آنا

لوگ را فراهم آورند. این مؤلفه های فرکانسی توان تبدیل شدن به تشعشعات RFI و EMI را دارند. یک سیستم زمین خوب را نمایش می دهد هر یک از خازن های به کار رفته مشخصه فرکانسی مطلوبی دارند به علاوه برای جبران اثرات فرکانس بالا خازن های ویژه ای هم به موازات آنها قرار گرفته اند.
طرح و استفاده از برشگر و اسنوبر
استفاده از اسنوبر و کلمپر در یک منبع تغذیه به منظور کاهش اثرات مرگبار اسپایک های ولتاژ تولیدی و کاهش تشعشعات RFI و EMI انجام می گیرد.
دامنه و شکل این اسپایک ها می تواند به فراتر از نواحی کاری بایاس مستقیم و معکوس FBSOA و RBSOA تجاوز کندجهت ولتاژ و تغییرات جریان مرتبط با یک اسپایک می تواند به راحتی RFI تولید کند که در محیط پراکنده می شوند. لازم به ذکر است که افزون اسنوبر یا کلمپ تنها به عنوان آخرین راه حل مطرح است.کار بیشتری هنگام طرح «طرح مدار چاپی» PCB و ترانسفورمر و انتخاب عنصر می تواند انحام گیرد. اگر نیاز به اسنوبر برطرف نشد این کار عملای بعد از تولید نمونه های اولیه می تواند انجام گیرد. شکل فیزیکی و انرژی داخلی یک اسپایک ولتاژ کاملا می تواند توسط اندوکتانس ها و خازن های پارازیتی موجود در طرح مدار چاپی و طرح ترانسفورمر تعیین گردد. و پیش از اضافه کردن حفاظت طرح نهایی محسوب نمیشود. این طرح حفاظت نباید تلفات اضافی به مجموعه بیفزاید مگر آنکه یقینا لازم باشد. امکان وقوع خطاهای بسیاری هنگام استفاده از اسنوبر یا کلمپر وجوددارد. هر دوی اینها تمایل به کاهش پیک اسپایک را دارند و دو وظیفه متفاوت را انجام می دهند.
مهمترین چیز این است که طراح بداند چه چیزی باید حفاظت شود عموما این نیمه هادی قدرت است، ترانزیستور دو قطبی یا MOSFET ، ترانزیستورهای قدرت ولتاژ بالا را خیلی بهتر از MOSFET ها تحمل می کنند به علاوه در مقابل شکست بهمنی در مقایسه با MOSFET خیلی مقاومتر هستند ولی ترانزیستورهای قدرت شکست ثانویه دارند و مسئله ازدحام جریان که در زیر ولتاژ بهمنی رخ می دهد.
نواحی عملکرد ایمن توسط SOA مشخص شده است مشکل هنگامی بروز می کند که بخواهیم ترانزیستور (نیمه هادی) را در SOA خاموش و روشن کنیم، و تعیین مقادیر مجاز حداکثر لحظه ای ودایم I و V. در ترانزیستور نواحی RBSOA برای خاموش سازی و FBOSA برای روشن کردن و

متناظرا برای MOSFET منحنی های SSOA و FBSOA وجود دارد اگر هر نقطه کاری خارج از SOA قرار بگیرد نیمه هادی آماده سوختن است. ممکن است سوختن بلادرنگ رخ ندهد یا حتی در نمو

نه های اولیه هم اتفاق نیفتد ولی یکجا دستگاه خواهد سوخت. و لذا طراح باید شکل موجهای جریان و ولتاژ سوییچ را در ناحیه SOA مورد مطالعه قرار دهد. و عملیات مناسب در طرح را انجام دهد. دیودهای کلاسیک و برشگر کلمپ زنر (شکل ۳-۹) منحصرا برای شرایط فوق ولتاژ یا شکست بهمنی مورد استفاده قرار گیرند. و این هنگامی است که اسپایک های ولتاژ از محدوده Vceo یا Vdss بدون تجاوز به ناحیه شکست ثانویه یا ازدحام جریان تجاوز می کنند. اگر دیود برشگر یکسو

کننده بخواهد بکار رود دیود باید از نوع دیودهای با زمان بازیافت خیلی سریع باشد. و این به خاطر آن است که زمان بازیافت مستقیم (زمان روشن شدن دیود) مربوط به یک دیود فوق سریع از همه پیوندهای P-N کوتاهتر است. و این زمان به منظور آغاز زمان برش اسپایک ها به سرعت هر چه

تمامتر لازم است. دیودهای کندتر به ولتاژ اسپایک اجازه افزایش به مافوق ولتاژ طرح شده را می دهند، پیش از آنکه دیود شروع به هدایت کند. (انرژی موج اسپایک به یک امپدانس کوچک چاه sink می کند) همه دیودهای زنر خطی سریع شروع به هدایت می کنند ولی یک امپدانس سری از خود به نمایش می گذارند که این می تواند به اسپایک اجازه افزایش به ولتاژی بیش از ولتاژ زنر را بدهد، که وابستگی بیشتری به ولتاژ اسپایک و امپدانس زنر Zzt دارد.
برشهای دیودهای یکسوگر نوعا به خازن فیلتر ورودی bulk باز می گردند(جهت بازیافت ). در حال

ی که انرژی داخل زنر به صورت E × I تحمل و تلف می شود. تغییر در سطح برش دیود آن چیزی است که برش نرم نام دارد. این برشگر انرژی را به یک چاه «چاه نرم انرژی» مانند یک خازن با اندازه متوسط بر می گرداند. برای استفاده از این طرح طراح باید انرژی اسپایک را برای اندازه خازن بهینه بداند. سپس ولتاژ اسپایک در خازن نگاه داشته می شود. این روش نه تنها اسپایک ها را می برد بلکه لبه های آنها را هم شکل می دهد که می تواند به ممانعت از شکست ثانویه و ازدحام ج

ریان کمک کند. ولتاژ برش ورودی و پیک ولتاژ می تواند به وسیله D.C ولتاژ ورودی تغییر کند. هر دو ثابت زمانی شارژ و دشارژ خازن باید به دقت برای محاسبه دینامیک رنج ورودی منبع تغذیه محاسبه شوند. لازم به ذکر نیست که در اینجا هم دیود باید یک دیود فوق سریع باشد.
روشی که در تغذیه های فلای بک به کار گرفته می شود. سیم پیچ کلمپ نام دارد. یا به دلیل اینکه تغذیه فلای بک ترانسفورمرش را جهت تغذیه ذخیره انرژی به کار می گیرد و در زمان ما بین خاموش کردن سوییچ قدرت و روشن شدن یکسو کننده منحنی کاملا بی بار می شود اسپایک های ولتاژ تولیدی کاملا می توانند بریده شوند. سیم پیچی کلمپ یک سیم پیچ با نسبت ۱:۱

است، که هدایت و بازگشت انرژی را به خازن فیلتر ورودی در طی دوره بی باری بر عهده دارد. که باید به دقت با سیم پیچی اولیه یکسان باشد به خاطر اینکه نه تنها انرژی را حمل کند بلکه ترویج خازنی را با اندوکتانس نشتی سیم پیچ اولیه را هم ایجاد کند. اگر به خوبی تزویج نشده باشد سیم پیچ کلمپ عمل نخواهد کرد و نتیجه ای حاصل نخواهد شد. در این صورت یک برشگر خارجی یا اسنوبر باید اضافه شود. به دلیل برگشت انرژی به اولیه تلفات قابل ملاحظه ای به شبکه اضافه نمی شود. سرانجام، اسنوبر با ملاحظات خاصی در تغذیه های فلای بک مورد استفاده قرار می

گیرد. که هدف آن کنترل نرخ گذاری اسپایک و شکل پیک آن است. این راه به علاوه عملی ترین شکل پرهیز از شکست ثانویه وازدحام جریان می باشد(در ترانزیستور دو قطبی).
تئوری کاربرد آن براساس ساخت مدار “tune” شده با اندوکتانس های پارازیتی و خازن های میرا شونده فیزکی مسیرهای طرح مدار چاپی و ترانسفورمر استوار است. در اختصار اسنوبر راکتانس های پارازیتی یک مدار تانک “lossy” را می سازد. به دلیل پراکندگی خازن ها و سلف های پارازیتی در میان عنصرهای پیرامون طرح مدار چاپی، تعیین محل سرچشمه و اندازه گیری آنها مشکل است و لذا مدل سازی برای آن غیر ممکن می باشد. و طراح نمی تواند با مقادیر به صورت جعبه سیاه روبرو شود و معادله ساده ای برای مدل کردن مقادیر عنصر ها وجود ندارد.
روشی مطابق پروسه بعدی قابل اجرا است.
۱-قراردادن پروپ ولتاژ اسیلوسکوپ در نزدیکترین نقطه ممکن به عنصری که می خواهد اسنوب کند. (زمین را در حداقل فاصله ممکن قرار دهید). سپس پیک و فرکانس تموجات را اندازه گیری کنید.
۲-قراردادن یک خازن خیلی کوچک به موازات عنصری که می خواهد اسنوب کند. و افزایش خازن تا اینکه فرکانس تموجات «رینگینگ» به نصف کاهش یابد (در مقایسه با فرکانس در غیاب خازن) در این حالت مجموع خازنهای پارازیتی برابر نصف خازن اضافه شده است.
۳-محاسبه مقدار بهینه مقاومت اسنوبر به وسیله رابطه :

۴-اضافه کردن این مقاومت به صورت سریال به خازن اضافه شده (امکان تغییر مقدار این مقاومت جهت نیل به پیک ولتاژ مطلوب وجود دارد).
توجه : توان تلف شده به وسیله اسنوبر توسط رابطه دمپینگ Ps = CF. (VP.P)2 محاسبه می شود. F فرکانس کاری تغذیه، VP.P ولتاژ پیک توپیک در طی خازن اسنوبر است.
این تقرب به مقادیر خیلی خوبی برای عنصرهای اسنوبر منتهی می شود. توان تلفاتی اسنوبر امکان دارد به مسئله ای در توان مصرفی منجر شود. افزایش مقاومت و کاهش خازن توان تلفاتی در اسنوبر را خواهد کاست ولی فاکتور دمپینگ بدتر می شود و پیک ولتاژ اسپایک را افزایش خواهدداد، طراح توان تلفاتی در اسنوبر را باید فراموش کند. استفاده از اسنوبر یا برشگر باید آخرین راه حل باشد. مهم این است که طراح با سایر طرحها هم آشنا باشد در صورت نیاز طراح باید از انتخاب طرح بهینه آگاه باشد.
ملاحظات طرح RFI و EMI
ایجاد انتشار، و تداخل امواج در حوزه های رادیویی و الکترومغناطیسی مسئله خاصی را در منابع تغذیه سوییچینگ مطرح می کنند. تغییرات خیلی سریع در شکل موج جریان با چگالی بالا در منابع تغذیه سوییچینگ PWM منبع این تشعشعات هستند. در طرحهای نوین، منابع تغذیه سوییچینگ PWM به فرکانس کاری ۵/۰ تا MHz1. نائل شده اند که آنها را جهت تشعشعات رادیویی به محیط اطراف بالقوه آماده تر می کند. در این حالت طیف فرکانسی تشعشعات حاصله از سوییچ قدرت

تحت کنترل تحت فشار تا صدها مگاهرتز هم خواهد رسید. کنترل تشعشعات RFI و EMI احتمالا تاریکترین نقطه در طراحی منابع تغذیه سوییچینگ است. کلیه کارهای انجام گرفته توسط طراح

مادامی که عملا مورد آزمایش قرار نگیرند اطمینان بخش نخواهند بود. و این شک نگرانی هایی را برای طراح در طی پروسه طراحی ایجاد می کند. نقطه شروع کنترل تشعشعات طرح خود رگولاتور است. نخست آنکه همه شاخه های جریان بالا هرچه ممکن است کوتاهتر انتخاب شوند، سوییچ های قدرت دیودها و ترانسفورمرها و خازن ها به صورت فیزیکی هر چه تمامتر به یکدیگر نزدیک باشند. سپس طراح باید همه حالات گذرا را ملاحظه کند؛ آیا اسپایک وجود دارد،

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 73 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد