طراحی مدار رگولاتور ۵+ ولت بر اساس مدل سوئیچینگ

فهرست بخش هاي اين پروژه :

۱٫ شماتيك مداري و نقشه اين رگولاتور
۲٫ توصيف مربوط به خود مدار
۳٫ توصيف مربوط به قطعات
۴٫ گرماسنجي مدار
۵٫ اندازه گيري راندمان مدار

I. شماتيك برد مدار :
همان طور كه در اين شكل ملاحظه ميكنيد چگونگي اتصال واقعي قطعات مختلف مدار رگولاتوررا از سمت سيم بندي شده
به تصوير كشيده ايم.

II. توصیف عملكرد مدار رگولاتور
 بررسي و مقايسه يك مدار رگولاتور با توان تلفا تي با يك رگولاتور خطي :
 رگولاتور خطي :
رگولاتوري با ۳ خروجي نظير LM317 در اصطلاح رگولاتور خطي يا رگولاتور سري ناميده ميشود .
براي چنين رگولاتوري , جريان الكتريكي ورودي با جريان خروجي تقريبا برابرند. با توجه به اين موضوع تفاوت ما بين توان ورودي كه حاصلضرب ولتاژ ورودي در جريان ورودي است و توان خروجي كه حاصلضرب ولتاژ خروجي در جريان خروجي است , در رگولاتور به عنوان حرارت مصرف مي گردد .
نموداري كه در زير مشاهده ميكنيد نرخ خروجي و تلفات آن را در وضعيتي كه ولتاژ ورودي ۱۲ ولت ميباشد نمايش ميدهد . در اين حالت ولتاژ خروجي ۵ ولت , جريان خروجي ۰٫۲۵ آمپر ,۰٫۵ آمپر و ۱ آمپر ميباشد تقربا ۵۸ درصد توان ورودي بصورت حرارت در سيستم مصرف ميگردد كه ما را ملزم به بستنheatsink بزرگي روي رگولاتور ميكند .

 

 رگولاتور سوئيچينگ :
يك رگولاتور سوئيچينگ توان ورودي را به صورت پالس هايي در خروجي توليد ميكند كه به اين عمل , عمليات سويتچينگ ميگويند.عرض اين پالس ها با تواني كه در خروجي نياز داريم تغيير ميكند .زمانيكه در خروجي توان كمي نياز است عرض پالس ها باريك هستند و زمانيكه در خروجي به توان بالايي نياز داريم پالس ها عريضتر ميشوند .در حقيقت مدار در حال تشخيص توان خروجي نيست .بلكه زمان پالس ها را براي ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجي كنترل ميكند.
رگولاتور سوئيچينگ تواني را كه نميتواند در خروجي ظاهر كند را به صورت گرما مصرف نميكند برخلاف يك رگولاتور خطي كه مشاهده كرديم . بنابراين ديگر نيازي به يك heatsink بزرگ وجود ندارد .

اگر بخواهيم يك مثال خاص بزنيم , با عبور جريان ۱ آمپري در ولتاژ ۱۲ ولت راندمان ما ۷۷ درصد خواهد شد كه تنها ۵/۱
وات توسط رگولاتور مصرف ميگردد.

از آنجا كه توان ورودي وقتي كه ما محاسبه نموديم۶ وات است تنها ۱ وات در رگولاتور تلف ميگردد.در اين صورت راندمان ما ۸۳ درصد ميشود.در حالي كه رگولاتور خطي در همين شرايط ۷ وات را مصرف ميكند .

 نحوه عملکرد رگولاتور سوئیچینگ :

نمودار بالا ترکیب ساختمان داخلی LM2575-5.0. را نمایش میدهد .این ترکیب دارای یک مدار نوسان ساز برای سوئیچینگ ۵۲ کیلو هرتز میباشد. برای ایجاد یک ولتاژ مرجع برای ثابت نگه داشتن ولتاژ , از ولتاژ ۲۳/۱ ولت استفاده کرده ایم.این ولتاژ

عرض پالس ها را با توجه به ولتاژ مرجع و ولتاژ خروجی کنترل می کند. و در کنار همه اینها مدار تشخیص حرارت و محدود کننده جریان خروجی و غیره در آن وجود دارند. در صورتی که به پنجمین پین آن ولتاژ ۵+ بدهیم خروجی ما به حالت standby (حالتی که خروجی متوقف میشود) میرود. در این صورت جریان ورودی ما به ۵۰ میکرو آمپر و ما کمترین توان مصرفی را خواهیم داشت.
 مدار فیلتر کننده ریپل :
برای یک رگولاتور سوئیچینگ وجود یک فیلتر کننده ریپل در سمت خروجی واجب می باشد.از آنجا که مدار در فرکانس بالا سوئیچ می کند, ما باید مشخصات سلف و دیود و خازن را در نظر بگیریم.ما در شکل های زیر نحوه کار فیلتر را بازگو کرده ایم :
۱٫ وقتی که ترانزیستور رگولاتور روشن می شود , جریان در سلف و خازن و بار خروجی جاری میگردد. انرژی
الکتریکی در سلف و خازن ذخیره میگردد.

۲٫ وقتی که ترانزیستور رگولاتور خاموش می شود , جریان همچنان تمایل دارد در بار خروجی جریان داشته باشد بنابراین از طریق انرژی ای که در سلف و خازن ذخیره شده است در بار جریان می یابد. این جریان که ناشی از انرژی ذخیره شده در این دو است از طریق دیود مدار جریان مییابد. توجه کنید که LM2575 دارای فرکانس ۵۲ کیلو هرتزی می باشد. به همین خاطر ما از یک دیود شاتکی و یا دیودی با زمان بازیافت کم در مدارمان استفاده کردیم.چنین دیودی که در مدارات سوئیچینگ استفاده می شود به دیود آزاد رو معروف است.

۳٫ در صورتی که یک ولتاژ معکوس در وضعیتی به مدار وارد شود,که جریانی در جهت مستقیم از میان دیود میگذرد , در یک آن جریان عبور می کند. در این لحظه, عملیات یکسو سازی انجام نمی شود و

این شبیه سیم مسی است.زمانیکه آن بصورت یک دیود عمل می کند, (یعنی اجازه عبور جریان درجهت معکوس را نمیدهد),از این لحظه زمان بازیافت معکوس شروع می شود.وقتی که عملیات با فرکانس بالا انجام می شود این مشخصات اهمیت ویژه ای دارد.وقتی که دیود در وضعیت روشن است,(یعنی وضعیتی که جریان سلف بصورت مستقیم در دیود جاری است) و زمانیکه ترانزیستور از وضعیت خاموش به روشن بودن تغییر وضعیت میدهد , انرژی از ترانزیستور به زمین منتقل میگردد .نه اینکه از مدارخروجی عبورکند.

ولتاژی که در بار خروجی ایجاد میگردد در نمودار
روبرو نمایش داده شده است.در این نمودار ما ریپل

را از اندازه واقعی بیشتر نمایش داده ایم.وقتی که
ما آن را اندازه گیری میکردیم, تقریبا ۷۰ میلی ولت
بود (یعنی تقریبا ۴/۱ درصد ).

ولتاژ این ریپل به سلف و ظرفیت خازن بستگی دارد.جریان شارژ کننده ظرفیت و دشارژ کنندهآن, از خازن میگذرد.به همین خاطر ما از خازنی با ESR کم استفاده کردیم تا میزان ریپل به مینیمم برسانیم.

 نکته مهم در مورد رگولاتور سوئیچینگ :
رگولاتور سوئیچنگ در فرکانس بالا سوئیچ می کند. بنابراین, شما این توصیه ها را نیاز دارید تا در خروجی تا آنجا که ممکن است اثر نشتی را کاهش دهید.
۱٫ سیم پیچی سلف تان تا آنجا که ممکن است کوچک باشد.زیرا عاملپیدایش نویز به شمار آید.
۲٫ تنها از یک زمین استفاده کنید. سیم بندی لازم برای زمین زمانی که طولانی باشد از عوامل مهم تولید نویز در خروجی است.بنابراین همان طور که در شکل زیر نمایش دادهایم سیم بندی خازن را طوری انجام دهید که زمین شما تا حد امکان یک نقطه باشد.

 

۳٫ خازنی با ESR مینیمم استفاده کنید.از آنجا که جریان بسیار زیادی از خازن عبور میکند, این انتخاب در یک رگولاتور سوئیچنگ انتخاب درستی است.
۴٫ از نوعی سلف استفاده کنید که شار مغناطیسی آن در یک سطح, بسته باشد به عبارت دیگر از سلف حلقوی استفاده کنید زیرا جریان نشتی آن بسیار کم است و توان کمتری را هدر میدهد.

III. توصیف قطعات مورد اسفاده در این مدار :
 یک رگولاتور کاهش دهنده ولتاژ (LM2575) :
این شکل رگولاتور مبدل ۱۲ ولت به ۵ ولت را
نمایش می دهد.که برای تدارک توان مثبت استفاده
شده است.توجه کنید که از این سری رگولاتور ها
, مدل های دیگری از رنج ۳/۱ ولت تا ۳۷ ولت
وجود دارند که ما از نوع ۵ ولتی آن استفاده نمودیم.

 HeatSink: (گرما گیر)
در مورد یک رگولاتور سوئیچینگ میدانید که بطور
نسبی اتلاف توان آن کم است.بطور تقریبی توان اتلافی

آن زمانیکه ۱ آمپر در خروجی جریان میدهد. ۵/۱
وات است. در نمونه ای که ساخته ایم این اتلاف ۱ وات
است که میبینید به همین خاطر هیچ مشکلی پیش نمی آید
اگر از heatsink استفاده نکنیم اما برای اطمینان ما از

یک heatsink کوچک در مدارمان استفاده نموده ایم.
سایز آن دارای ۲۵ mm طول, ۲۳mm عرض و۱۰mm
عمق هر پره آن میباشد.

 لاستیک سیلیکون :
برای ایزوله کردن قسمت پشتی رگولاتور با heatsink
برای جلوگیری از اتصال الکتریکی آن با رگولاتور, ما از یک
ایزوله مننده در میان آنها استفاده کردیم. که نیاز به یک پیچ

۳ mm برای اتصال heatsink به رگولاتور دارد .اما در
رگولاتور یک سوراخ ۴ mm ایجاد کردیم.برای اینکه پیچ
نباید با رگولاتور تماسی نداشته باشد, ما از یک بخش دایرهای
شکل برای نصب , در سوراخ رگولاتور قرار دادیم.

 گریس سیلیکون:
از این خمیر برای بهبود بخشیدن هدایت گرمایی بهتر میان heatsink و رگولاتور استفاده میکنیم.این گریس ترکیبی از گریس سفید است.که اکسید فلزی با آن ترکیب شده تا هدایت گرمایی را بهبود بخشد.
که باید به هر دو طرف لاستیک سیلیکون مالیده شود.
البته نیاز به استفاده زیاد از آن نیست. تاثیر چندانی هم
در بخشی که بیرون از لاستیک است ندارد.

 دیود شاتکی :
با توجه به اینکه رگولاتور سوئیچینگ در فرکانس
۵۲ کیلو هرتز کار میکند ما در این فرکانس نمیتوانیم از

یک دیود معمولی استفاده کنیم چرا که دارای زمان بازیافت

بالایی است.از لحاظ میزان حمل جریان آن تقریبا ۵/۱ برابر
هر جریان خروجی را استفاده میکند.دیودی که ما در اینجا
استفاده کردیم , دیود ERB81-004 باVRRM=40v و
Io=1.7A است که ساخت شرکت Fuji Electric است.

 سلف :
ما از یک سلف حلقوی برای این کار استفاده کردیم که با
استفاده از یک سیم مسی که دور یک استونه حلقوی
پیچیده شده , ساخته شده است.که باعث کم شدن فوق العاده
شار نشتی ایجاد شده توسط سیم پیچ, به خارج می شود. که

کارآیی سیم پیچ را بهتر میکند و اثر آن را بر سایر قطعات
کاهش میدهد.
در datasheet آی سیLM2575 نموداری که نشان دهنده مقدار سلف باشد نمایش داده شده است.زمانیکه خروجی ۱ آمپر است در ولتاژ ورودی ۱۲ ولت ,سلف مقدار ۲۲۰ میکرو هانری را دارد .که ما از یک سلف ۱۲۵ میکرو هانری و ۲ آمپری استفاده کردیم. که ریپل آن ممکن است کمی کاهش یابد.

Barghiran.Persianblog.com
Powered by: Amir Hossein Akbari