منابع تغذیه ( الکتریسیته )

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 شود 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 فرکانس 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 کرد.
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 خطي، در ترانهاي خيلي بالا قابل استفاده هستند.
معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:
۱- اولاً طرح چنين منابعي اصولاً پيچيده است.
۲- نويز قابل ملاحظه اي از آنها به محيط انتشار مي يابد.( به علت فركانس كاري بالا)
۳- به علت ماهيت كار اين منابع كه با جريان DC برش دار كار مي كند زميون به ولتاژ خروجي كندتر صورت مي گيرد.
معايب اين منابع ناچيز بوده و به كمك طراحي بهينه قابل رفع مي باشد:

كليات عملكرد منابع تغذيه سوئيچينگ در بحث قبل گفته شد. اكنون به تفصيل و با دقت شروع به توضيح منابع تغذيه سوئيچينگ مي كنيم.
براي توليد جريان معرفي قطعات مغناطيسي ( سلف و ترانس ) احتياج به يك جريان متناوب داريم. در منابع تغذيه سوئيچينگ براي بازده بالاتر سادگي كار و علكرد و بازده بهتر نيمه هاديها كه فقط در نقطه قطع و اشباع مار مي كنند از يك ولتاژ DC برش خورده ( موج مربعي ) كه در هسته قطعه مغناطيسي به صورت AC ذخيره مي شود، استفاده مي شود، براي توليد اين موج مربعي مورد نظر با فركانس دلخواه از دو روش زير استفاده مي شود:
۱- فوروارد

۲- فلاي بك

۱- فوروارد :
در اين روش جريان ورودي به قطعه مغناطيسي با فركانس خاص دائم قطع و وصل مي شود كه باعث توليد يك جريان DC برش خورده يا يك موج مربعي منظم مي شود.
۲- فلاي بك :
در اين سيستم براي توليد جريان DC برش خورده جريان ارسالي به قطعه مغناطيسي و خازن دائم و با فركانس خاص در حال اتصال كوتاه شدن است ( شورت مسير كوئيت ) كه همان نتيجه روش فوروارد را در بر دارد.

بررسي كلي بخش هاي تشكيل دهنده منبع تغذيه سوئيچينگ:
۱- فيلتر EMI
اين بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 كه يك فيلتر را مي سازند، تشكيل شده است. وظيفه عمده اين قسمت:
۱- ممانعت از تشعشع راديويي در فركانس كاري و تزريق نويز حاصل از سوئيچينگ به خط تغذيه اصلي Vin .
2- جلوگيري از ورود اسپايك هاي موجود در تغذيه Vin به مدار.
توجه : فركانس قطع اين فيلتر نبايد از ۲ تا ۳ برابر فركانس كار تغذيه بيشتر باشد.
۲- خازن فيلتر ورودي:

شامل يك خازن است كه وظيفه ذخيره انرژي را برعهده دارد و معمولاً مركب از دو خازن است. يك خازن الكتروليت يا تانتاليوم براي مولفه هاي جريان در فركانس تغذيه و يك خازن سراميك براي مولفه هاي هارمونيك فركانس سوئيچينگ.
۳- ترانسفورمر :
اين قسمت وظيفه ايزولاسيون DC و تغيير سطح ولتاژ را برعهده دارد.
۴- سوئيچ قدرت :
براي اينكار از يك نيمه هادي قدرت استفاده مي شود. مي توان از يك ترانزيستورBJT استفاده كرد اما معمولاً از Mosfet هاي قدرت استفاده مي شود و چون هم جريان ورودي ( گيت ) بسيار ناچيزي دارند و هم براي كار در دو ناحيه قطع و اشباع ( سوئيچينگ ) بسيار مناسبند. حساسترين و آسيب پذيرترين قطعه در منبع تغذيه سوئيچينگ همين قطعه است.
۵- يكسو كننده خروجي :
اين يكسو كننده ها ( ديودها ) وظيفه يكسو سازي ولتاژ خروجي را بر عهده دارند. براي اينكار استفاده از ديود هاي معمولي مناسب نيست و بايد از ديودهاي سريع و خيلي سريع استفاده كرد.
۶-فيلتر خروجي :

وظيفه ذخيره انرژي در زمان روشني و ارائه آن را به بار در زمان خاموشي ترانزيستور برعهده دارد و رگوله و صاف كردن جريان خروجي را بر عهده دارد.

توليد يك منبع تغذيه سوئيچينگ :
اكنون اقدام به بررسي آرايش كلي فرآيند توليد منبع تغذيه سوئيچينگ مي كنيم. چند عامل ممتاز كننده آرايش هاي مختلف شامل :
۱- حداكثر جريان اوليه كه تعيين كننده حد تحمل نيمه هادي قدرت است.
۲- مقدار ولتاژي كه بايد روي اوليه ترانس بيفتد.

۳- بخشي از سخن مغناطيسي B-H ( مربوط به هسته اي كه انرژي را به شكل مغناطيسي در خود ذخيره مي كند ) كه اين نشان دهنده آن است كه كدام آرايش ترانسفورماتور كوچكتري را براي يك توان مشخص دارد.
۴- ايزولاسيون ورودي از ز كه ايزولاسيون DC خروجي را از ورودي تامين مي كند. و اين اجازه را به طراح مي دهد كه خروجي هاي متعددي را به راحتي اضافه كند.
۵- قيمت و قابليت اطمينان: طراح همواره به دنبال طراحي با حداقل قطعه و هزينه بدون تاثيرگذاري سوء در عملكرد و يا بروز حالات ناخواسته است.

اولين مسئله در فرآيند توليد منبع تغذيه سوئيچينگ توان و ولتاژ منبع تغذيه مي باشد. براي انجام اين مهم بايد آشنا به موارد استفاده انواع رگولاتورهاي سوئيچينگ باشيم.
رگولاتورهاي سوئيچينگ فاقد ترانسفورماتور ايزوله كننده :
۱- كاهنده Buck
2- افزاينده Boost
3- Buck & Boost معكوس كننده

رگولاتور Buck :
ساده ترين سيستم در ميان رگولاتورها همين نوع مي باشد. اين رگولاتور داراي معايب بسياري است. اما با وجود تمام معايب توان تحويل بيش از w 1000 را به بار دارا مي باشد. اين رگولاتور نوعي رگولاتور فوروارد است.

رگولاتور افزاينده Boost :
اين رگولاتور نوعي رگولاتور فلاي بك است كه خروجي آن برخلاف نوع كاهنده بزرگتر تا مساوي ورودي است.
در اين آرايش (Boost ) ما مي توانيم به ولتاژ بالاتري به نسبت ورودي دست پيدا كنيم. اما توان كار اين مدار بسيار محدودتر بوده و در توان هاي تا w 200 مناسب است.

رگولاتور Buck & Boost :
اين نوع رگولاتور فلاي بك بوده كه عملكرد آن خيلي به عملكرد رگولاتور Boost شبيه است. به علاوه به عنوان يك رگولاتور معكوس كننده هم شناخته مي شود. اين نوع رگولاتور بسيار مناسب تر از دو نوع ديگر بوده و با وجود معايب خود بر دو نوع ديگر برتري دارد، اما توان تحويلي آن تا w 100 مي باشد كه خود جزء معايب آن است.

 

رگولاتور سوئيچينگ با ترانسفورماتور ايزوله كننده‌ :
استفاده از رگولاتورهاي ترانسفورمري بسيار متداولتر و مناسبتر است زيرا اين رگولاتورها به علت وجود عايق سيم ها در ترانس داراي ايزولاسيون بسيار بالا بوده و براي افزودن به خروجي ها تنها احتياج به افزودن يك سيم پيچ است و مزيت بزرگ ديگر اين رگولاتورها انتخاب هر ولتاژ ( كاهنده يا افزاينده ) بدون هيچ محدوديت تنها با تكيه بر محاسبات سيم پيچ ترانس محيا مي شود. در اين رگولاتورها نيز دو نوع فوروارد و فلاي بك وجود دارد كه البته نوع كاربري اين دو نوع رگولاتور در آرايش تغذيه ترانس متفاوت است كه منجر به تقسيم بندي رگولاتورهاي ترانسفورمري به انواع زير مي شود :
۱- فلاي بك
رگولاتورهاي سوئيچينگ ترانسفورمري ۲- پوش پول
۳- نيم پل
۴ – تمام پل

۱- فلاي بك :
اساس كاراين رگولاتور بسيار شبيه رگولاتور (Boost)است با اين تفاوت كه از يك سيم پيچ ثانويه در كنار سلف اين رگولاتور كمك گرفته شده است. شكل مدار علمي فلاي بك ترانسفورمري به صورت زير مي باشد.

۲- رگولاتور پوش پول push- pull :
اين روش كه نوعي فور وارد است داراي مزاياي بسياري است كه مي تواند تواني تا ۳ برابر نوع فلاي بك را توليد كند. بزرگترين اشكال اين منابع تغذيه غير همسان بودن دو ترانزيستور آنها مي باشد. كه اين مسئله باعث غير متوازن شدن جريان تحويلي به ترانس و فشار نامناسب بر روي خود ترانزيستورها مي شود. براي همين منظور طراحان روش هاي نيم پل و تمام پل را ترجيح مي دهند.
۳- رگولاتور نيم پل :
در اين طرح اوليه ترانس داراي يك سيم پيچ است و به علت اينكه اين نصف ولتاژ ورودي مستقيم روي سيم پيچ مي افتد، خطر اشباع وجود ندارد. اين نوع رگولاتورها در محدوده w50 تا w 500 مناسبترين انتخاب هستند. در ترانهاي كمتر نوع فلاي بك و در توان بالاتر تمام پل توصيه مي شود.

۴- رگولاتور تمام موج :
در اين نوع منابع تغذيه از ۴ ترانزيستوربراي تغذيه اوليه ترانس استفاده شده است كه اين مسئله باعث انتقال تمام ولتاژ ورودي بر روي اوليه ترانس مي شود. اين روش جريان عبوري را كاهش داده و امكان انتقال توان را تا حد قابل توجهي افزايش مي دهد. محدوده مناسب عملكرد اين رگولاتورها w400 تا چند كيلو وات است.

نيمه هادي ها در منابع سوئيچينگ :
الف – ترانزيستورها :
ترانزيستورها از بدو ورود منابع تغذيه سوئيچينگ يكي از مهمترين وظايف را در توليد اين منابع ايفا كرده اند. بخش سوئيچ دستگاه كه همان برش دهنده جريان DC يا توليد يك موج مربعي با توان بالا در مدار مي باشد، بدون استفاده از ترانزيستورها ممكن نيست. اولين ترانزيستوري كه به نظر مي رسد يك BJT با فرمان گرفتن از يك مدار ديگر كه مي تواند ترانزيستوري يا IC دار باشد شروع به سوئيچ كردن مي كند كه به معني استفاده از ترانزيستورها در ناحيه قطع و اشباع مي باشد. اين مسئله كمك زيادي به نيمه هادي براي بازدهي بالا و توان مناسب توليدي آن مي كند اما خود BJT كاملاً خطي نبوده و مشكلاتي مانند زمان خاموش شدن زمان روشن شدن و … دارد. در اولين ديدگاه فركانس توليدي ما بسيار محدود مي شود كه

خود از معايب بزرگ است. در مرحله بعد مي توان مشاهده كرد كه حتي در فركانس هاي مناسب هم BJT موج مربعي مناسبي را در خروجي خود به همراه ندارد كه خود باعث مشكلات فراواني در هسته قطعه مغناطيسي مي شود كه بازخورد اين انرژي هاي ناخواسته ممكن است باعث آسيب رسيدن به خود نيمه هادي نيز شود. مشكل ديگر مصرف جريان در بيس BJT است كه خود باعث بروز چند مشكل مي شود. يكي خود مصرف و نياز بيس به جريان و زمان تامين جريان كافي باعث اشكال ناخواسته در خروجي موج مربعي موردنظر مي

شود. اين مشكل تا حدي بوسيله مدارات ديگر قابل رفع است. مدارات هدايت بيس معمولاً خود شامل يك يا چند ترانزيستور ديگر مي باشد. از نظر كلي هر چند BJT ها در ناحيه اشباع با بازده بالاتري كار مي كنند، اما ساختار كلي آنها مناسب براي كار در ناحيه فعال مي باشد كه به همين دليل و دلايل ذكر شده در بالا طراحان معمولاً از استفاده BJT ها در مدارات سوئيچينگ كمتر استفاده مي كنند و به جز مدارات محدود كه در استفاده هاي خاص مي باشد و اولين و قديميترين مدارات سوئيچينگ كمتر مورد استفاده قرار مي گيرند و بيشتر نظرها به سوي نيمه هادي هايي جلب مي شود كه براي سوئيچينگ مناسب باشند.