منبع تغذيه سوييچينگ

شرح کلي مدار
امروز مي خواهم به ذکر يک نمونه عملي از منابع تغذيه سوئيچينگ بپردازم تا با بررسي مدار آن، عملکرد اين سيستم براي شما بيشتر روشن شود. حال با توجه به مدار به شرح اجزاء مختلف آن خواهم پرداخت.
مداري را که به عنوان يک مثال عملي مشاهده مي نماييد، مدار يک منبع تغذيه سوئيچينگ ۲۰۰ وات ATX متعلق به کامپيوتر شخصي است که توسط شرکت TDK طراحي و ساخته شده است.
براي ديدن نقشه فوق در اندازه بزرگتر (اصلي) اينجا را کليک کنيد.
در اين منبع تغذيه سوئيچينگ از يک آي سي با شماره TL494 استفاده شده و همچنين از يک مبدل که ترانزيستور هاي آن با آرايش پوش- پول عمل رگولاسيون خروجي را انجام مي دهند استفاده شده است. ولتاژ خط برق شهر پس از عبور از مدار فيلتر ورودي متشکل از (C1, R1, T1, C4, T5) به بلوک يکسوساز هدايت مي شود. مدار يکسوکننده از نوع پل ديودي تمام موج مي باشد که نسبت به ساير يکسو کننده هاي ديگر از هر لحاظ مقرون به صرفه تر است. هنگامي که کليد تبديل از حالت ۲۳۰ ولت بر روي ۱۱۵ ولت قرار گيرد، در نتيجه مدار سيستم دو برابر کننده وارد عمل مي شود. مقاومت هاي واريستور (مقاومت متغير با ولتاژ) Z1 و Z2 داراي عملکرد محافظت از اضافه ولتاژ در ورودي مي باشند. مقاومت ترميستور (مقاومت متغير با دما) NTCR1 جهت محافظت در برابر جريان هجومي در هنگام شارژ C5 و C6 مورد استفاده قرار گرفته است.

 

مقاومت هاي R2 و R3 فقط براي تخليه نمودن بار الکتريکي داخل خازن ها و جلوگيري از خطر برق گرفتگي در هنگام قطع بودن (خاموش بودن) منبع تغذيه به کار مي روند. در هنگام اتصال منبع تغذيه به برق شهر، C5 و C6 با هم در ابتدا تا حد بالا تر از ۳۰۰ ولت شارژ مي شوند.

قسمت ثانويه منبع تغذيه به صورت کنترل شده توسط Q12 راه اندازي شده و سپس ولتاژ در خروجي قسمت ثانويه ظاهر مي شود. در پي آن IC3 که يک رگولاتور ولتاژ ۵ ولت مي باشد، ولتاژ ۵ ولتي مورد نياز مادر برد را براي راه اندازي گيت هاي منطقي و ساير موارد ديگر تأمين مي نمايد.

سپس ولتاژ تثبيت نشده از طريق D30 به چيپ کنترلي اصلي يعني IC1 و همچنين ترانزيستورهاي Q3 و Q4 هدايت مي شود. وقتي منبع تغذيه اصلي در حال کار بود، ولتاژ ۱۲ ولت خروجي از طريق ديود D به سمت IC1 هدايت مي شود.
حالت کم¬مصرف Stand By

در حالت کم¬مصرف Stand By توسط ولتاژ مثبت در پايه PS-ON که از طريق مقاومت R23 از مدار ثانويه منبع تغذيه تأمين شده مانع از کار کردن قسمت اصلي منبع تغذيه ميشويم. چون ترانزيستور Q10 باز شده و در نتيجه ترانزيستور Q1 نيز در حالت باز قرار گرفته و در پي آن ولتاژ مبناي ۵ ولت پايه شماره ۱۴ IO1 براي پايه شماره ۴ IO1 تأمين ميشود. و مدار در نهايت به حالت مسدود شده کليدزني خواهد شد. ترانزيستورهاي Q3 و Q4 هدايت خواهند کرد و سيم پيچ ترانسفورماتور کمکي T2 را اتصال کوتاه خواهند نمود. توسط پايه شماره ۴ IO1 ما قادريم که پهناي پالس خروجي را تعيين نماييم. صفر بيانگر بيشترين پهناي پالس و ۵ ولت بيانگر اين است که پهناي پالسي وجود ندارد.

 

تشريح کارکرد منبع تغذيه
وقتي کسي کليد روشن شدن کامپيوتر را فشار دهد، در نتيجه مادربرد صفر منطقي يا زمين منطقي را براي پايه PS-ON فراهم مي نمايد. ترانزيستور Q10 بسته شده و در نتيجه Q1 نيز بسته مي شود و خازن C15 از مسير مقاومت R15 شروع به شارژ شدن نموده و در پايه شماره ۴ IC1 شاهد شروع کاهش ولتاژ دو سر مقاومت R17 به سمت صفر مي باشيم. به علت اين ولتاژ بيشترين مقدار پهناي پالس بطور پيوسته افزوده شده و باعث راه اندازي نرم و بدون اشکال قسمت اصلي منبع تغذيه خواهيم بود. در حالت عملکرد طبيعي منبع تغذيه دائماً توسط IC1 کنترل مي شود. زماني که ترانزيستور هاي Q2 و Q1 بسته اند، ترانزيستورهاي Q3 و Q4 باز مي باشند. وقتي که مي خواهيم يکي از ترانزيستور¬هاي قدرت Q1 و Q2

را باز کنيم، مجبور هستيم که تحريک ترانزيستور هاي Q3 و Q4 را برداريم. جريان از مسير مقاومت R46 و ديود D14 و همچنين سيم پيچ T2 جاري مي شود. اين جريان باعث مي شود که ولتاژ تحريک بيس ترانزيستور قدرت فراهم شده و به دليل وجود فيدبک مثبت ترانزيستور خيلي سريع در حالت اشباع قرار گيرد. با سپري شدن اين ضربه ناگهاني، هر دو ترانزيستور باز مي شوند. فيدبک مثبت از بين رفته و Overshoot در سيم پيچ تحريکي را ايجا مي کند که باعث بسته شدن سريع ترانزيستور قدرت مي شود. مجدداً اين فرايند در ترانزيستور دوم تکرار مي شود. ترانزيستور هاي Q1 و Q2 متناوباً ولتاژ مثبت و منفي را به يکي از دو سر سيم پيچ اوليه متصل مي نمايند. جريان الکتريکي از مسير شاخه اميتر Q1 (کلکتور Q2) را در سيم پيچ ثالثيه جاري شده و ترانسفورماتور T2 را تحريک مي نمايد. و سپس از سيم پيچ اوليه ترانسفورماتور T3 و خازن C7 و مرکز مجازي ولتاژ تغذيه ورودي مسير خود را تکميل مي نمايد.
پايداري ولتاژ خروجي

خروجي هاي +۵v و +۱۲v توسط مقاومت هاي R25 و R26 دائماً اندازه گيري مي شوند و براي پايدار نگه داشتن آنها را به IC1 ارسال مي نمايند. ساير ولتاژ ها از لحاظ پايداري مواظبت نمي شوند و مقدار آنها را با تعداد دور سيم پيچي ترانس و ديود ها به دست مي آورند. در مقدار خروجي ميزان رأکتانس سيم پيچي به دليل کار در فرکانس بالا اهميت زيادي دارد. همان طور که مي دانيد در جريان مستقيم تعداد دور سيم پيچي اهميتي ندارد و همواره ولتاژي روي سيم پيچ افت نمي نمايد. اما با بالا رفتن فرکانس تعداد دور سيم پيچي و نوع هسته در ميزان افت ولتاژ روي سيم پيچ دخالت زيادي دارد. معمولاً ولتاژ هاي خروجي حدود ۱۰% مجاز هستند که انحراف از مقدار نامي خود داشته باشند. کنترل کننده IC1 با استفاده از Error Amplifier در پايه شماره ۲ خود حاصل از مقاومتهاي مقسم ولتاژ R24/R19 و مقدار ولتاژ مبناي ۵ ولت را در پايه ۱۴ خود مقايسه نموده و اين انحراف ۱۰% را جبران مي نمايد.

Power Good
مادربرد به سيگنال Power Good نياز دارد. وقتي که همه ولتاژ هاي خروجي به حالت پايداري رسيده باشند، پايه Power Good مقدار ۵ ولت يا يک منطقي مي شود. Power Good معمولاً به پايه RESET بر روي مادربرد متصل مي شود.
پايداري ولتاژ ۳٫۳ ولت
به مداري که به ولتاژ ۳٫۳ ولت متصل است توجه کنيد. اين مدار اضافه ولتاژ پايداري را به دليل افت ولتاژ در کابل ايجاد مي نمايد. يک سيم پيچ کمکي براي اندازه گيري ولتاژ ۳٫۳ ولت در مادر برد در نظر گرفته شده است.
مدار اضافه ولتاژ
اين مدار از ترکيب ترانزيستور هاي Q5 و Q6 و تعداد ديگري از قطعات ساخته شده است. اين مدار کليه ولتاژ هاي خروجي را از لحاظ ايجاد اضافه ولتاژ در آنها محدود نموده و محافظت مي نمايد.
براي مثال اگر اشتباهاً بين خروجي هاي +۵v و -۵v اتصال کوتاهي به وجود آيد، از طريق مسير D10، R28 و D9 ولتاژ مثبت به پايه بيس Q6 مي رسد. اين ترانزيستور اکنون باز است و ترانزيستور Q5 نيز باز مي باشد. ولتاژ +۵v از پايه ۱۴ کنترل کننده IC1 از مسير D11 به پايه شماره ۴ کنترل کننده IC1 رسيده و منبع تغذيه را بلوک مي کند. از طرف ديگر Q6 توسط ولتاژ رسيده به بيس خود روشن شده و مدار برق ورودي منبع تغذيه را قطع مي کند.
معرفي پايه¬هاي خروجي منبع تغذيه سوئيچينگ ATX
پايه سيگنال رنگ اول رنگ دوم
۱ ۳٫۳v نارنجي بنفش
۲ ۳٫۳v نارنجي بنفش
۳ GND مشکي مشکي
۴ ۵v قرمز قرمز

۵ GND مشکي مشکي
۶ ۵v قرمز قرمز
۷ GND مشکي مشکي
۸ PW_OK خاکستري نارنجي

۹ ۵v_SB بنفش قهوه¬اي
۱۰ ۱۲v زرد زرد
۱۱ ۳٫۳v نارنجي بنفش

۱۲ -۱۲v آبي آبي
۱۳ GND مشکي مشکي
۱۴ PS_ON سبز خاکستري
۱۵ GND مشکي مشکي

۱۶ GND مشکي مشکي
۱۷ GND مشکي مشکي
۱۸ -۵v سفيد سفيد
۱۹ ۵v قرمز قرمز
۲۰ ۵v قرمز قرمز

.

اصول کار منابع تغذيه سوئيچينگ به زبان ساده::
امروز يک مبحث تازه اي را بررسي مي کنم. و اين مبحث در مورد ساختار و عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ است. حتماً شما با خودتان مي گوييد که چرا وبلاگي که ادعا مي کند در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ مطالبي را ارائه مي دهد. هيچ چيزي از نحوه عملکرد اين منابع تغذيه را به ميان نياورده و توضيحي در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ نداده است. به همين دليل امروز سعي ميکنم با ارائه مطالب جديد اين عيب خود را تا حدودي رفع کنم. طبق نظراتي که دوستان و مراجعين به وبلاگ با من در ميان گذاشته اند همه متفقاً از من خواسته اند که توضيحي در مورد عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ براي آنها بدهم. تا مسئله تبديل ولتاژ و جريان در اين منابع تغذيه براي آنها روشن شود. خوب اگر شما هم با نظر اين دوستان موافق
اينجا سعي کرده ام که تا جايي که امکان دارد مطالب را ساده بيان کنم. همچنين سعي مي کنم که از مدارات الکترونيک و بحث رياضي و فرمول هاي پيچيده تا جايي که مي شود پرهيز کنم.

همان طور که مي دانيد در منابع تغذيه معمولي ابتدا برق شهر را از ترانسفورماتور کاهنده يا افزاينده عبور مي دهند و سپس عمل يکسو سازي و بعد از آن عمل رگولاسيون يا تثبيت ولتاژ را انجام مي دهند. عمل کاهش يا افزايش ولتاژ و جريان فقط با ترانسفورماتور انجام مي شود. اما در منابع تغذيه سوئيچينگ برق شهر را مستقيماً يکسو نموده و پس از عبور از يک مدار کليد زني يا همان چهار نوع رگولاتور معروف کاهنده، افزاينده، فلاي بک و Cuk عبور مي دهند تا جريان دوباره به AC تبديل شود و عمل کاهش يا افزايش را روي آن انجام مي دهند. پس از آن براي ايزولاسيون انرژي الکتريکي را از ترانسفورماتور عبور داده و پس از يکسو سازي و عبور از صافي آن را به بار تحويل مي دهند.
امروز يک مبحث تازه اي را بررسي مي کنم. و اين مبحث در مورد ساختار و عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ است. حتماً شما با خودتان مي گوييد که چرا وبلاگي که ادعا مي کند در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ مطالبي را ارائه مي دهد. هيچ چيزي از نحوه عملکرد اين منابع تغذيه را به ميان نياورده و توضيحي در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ نداده است. به همين دليل امروز سعي ميکنم با ارائه مطالب جديد اين عيب خود را تا حدودي رفع کنم. طبق نظراتي که دوستان و مراجعين به وبلاگ با من در ميان گذاشته اند همه متفقاً از من خواسته اند که توضيحي در مورد عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ براي آنها بدهم. تا مسئله تبديل ولتاژ و جريان در اين منابع تغذيه براي آنها روشن شود. خوب اگر شما هم با نظر اين دوستان موافق
حتماً اين سوال را از خود خواهيد پرسيد که چرا لقمه را دور سر تابانده و سيس وارد دهان مي کنيم! يعني چرا از همان روش اول که يک مرحله يکسو سازي و صافي داشت و همچنين داراي توپولوژي مداري بسيار ساده تري نسبت به منبع تغذيه سوئيچينگ است استفاده نکنيم؟ همچنين از خود خواهيد پرسيد که چرا دوباره کاري کنيم و جريان AC را DC و سپس آن را دوباره به AC و باز دوباره به DC تبديل کنيم؟ حتماً شما خواهيد گفت که تو عقلت را از دست داده اي يا پول و وقت باد آورده اي داري و مي خواهي سرمايه ات را حيف و ميل کني. اگر قصد چنين کاري را داشتي چرا از همان اول قصد خود را به ما بالا بين
مي گفتي و نام وبلاگ خود را هم نظريات پوچ يک اَبلَه مي گذاشتي و ما را هم اينقدر معطل نمي کردي!
اولاً براي دفاع از خودم بايد به اين نکته اشاره کنم که اگر خصوصيات من را از آنهايي که مرا خوب مي شناسند و با من مدت کوتاهي زندگي کرده اند سوال نماييد، قطعاً مرا فردي با در آمد ناچيز و اما بسيار خسيس و محتاط در خرج کردن و سرمايه گذاري معرفي مي کنند. همچنين به شما خواهند گفت که آرش محمدي تودشکي فردي است که خيلي سر خودش معطل است و دائماً براي خود کارت تبريک چاپ مي کند و هر وقت با او کاري داريم و مي خواهيم قرار ملاقات با او بگذاريم، با جوابي سر بالا که من خيلي کار دارم ما را از سر خود باز مي کند. و يا اگر با ما قرار گذاشت وقت خيلي کمي را به ما اختصاص مي دهد. حتماً قانع شده ايد که من وقت و پول خود را بي هوده تباه نمي کنم.

ثانياً پاسخ سوال شما بسيار ساده است و حتماً شما را قانع خواهد نمود. ما در منابع تغذيه معمولي از يک ترانسفورماتور استفاده مي کرديم که تلفات انرژي در آن خيلي زياد بود و راندمان کمي داشت و فقط مقدار ولتاژ و جريان خروجي آن را يکبار و آن هم فقط موقع مونتاژ ترانسفورماتور مي توانستيم تغيير دهيم. همچنين هيچ کنترلي ورودي و خروجي آن از لحاظ فيدبک و کنترل حالات مختلف تغييرات بار نداشتيم. همين موضوع عدم انعطاف پذيري اين منابع تغذيه قديمي و معمولي را اثبات مي کند.

اما در منابع تغذيه سوئيچينگ برق شهر خيلي ساده يکسو سازي شده و پس از عبور از صافي به طبقه بعدي تحويل داده مي شود با اين کار از آنجايي که ولتاژ برق شهر را مستقيم يکسو مي کنيم، و ولتاژ آن معمولاً زياد است نياز به خازن صافي کوچک اما با تحمل ولتاژ بالا و عايق بندي خوب و ارزان قيمتي داريم. در اين طبقه ما دوباره جريان DC را به AC با فرکانس
بالا بين ۲۰KHz الي ۱MHz (معمولاً اکثر منابع تغذيه سوئيچينگ با فرکانسي حدود۶۵KHz کار مي¬کنند.) تبديل نموده و آن را پس از کاهش يا افزايش از ترانسفورماتور افزاينده يا کاهنده و يا ترانسفورماتور ۱:۱ عبور مي دهند. با اين کار اولاً يک محيط کنترلي انعطاف پذير براي کنترل فيدبک دار با استفاده از کنترل Duty Cycle ترانزيستور کليد زني براي کاهش و افزايش

ميزان ولتاژ و جريان ايجاد نموده ايم. ثانياً با بالا بردن فرکانس جريان AC در حد چندين کيلوهرتز نياز به ترانسفورماتور از لحاظ ابعاد بسيار کوچکتر يعني با ابعادي حدود ۱/۴۰۰ الي ۱/۲۰۰۰ نياز داريم و نيز راندمان ترانسفورماتور از ۵۵% به حدود ۹۹٫۹% خواهد رسيد. شما با مقايسه يک منبع تغذيه سوئيچينگ کامپيوتر و يک ترانسفورماتور با همان قابليت از لحاظ ظرفيت انتقال توان از نقطه نظر حجم، وزن و ابعاد مي توانيد به صحت اين ادعاي من پي ببريد. همچنين در ثانويه ترانسفورماتور پس از يکسو سازي و عبور از صافي سلف و خازن يک انرژي با ري

پل خيلي کوچکتر از مدل معمولي منبع تغذيه هاي قديمي خواهيم داشت. و همچنين بار ما مي تواند متغير باشد. چون به دليل وجود فيدبک کنترل Duty Cycle همواره عمل استابيلازينگ و پايداري خروجي را نسبت به تغييرات بار و نيز برق شهر انجام مي دهيم. همچنين به دليل استفاده فرکانس بالا نياز به خازن کوچکي براي عمل صافي در خروجي خواهيم داشت. مزاياي منبع تغذيه سوئيچينگ قيمت تمام شده يک منبع تغذيه را حدود بيش از ۱/۱۰۰۰ کاهش مي دهد

 

مدار ارائه شده در این بخش یک منبع تغذیه با کیفیت بالا می باشد با یک خروجی تثبیت شده متغییر که می تواند در هر مقداری بین صفر و سی ولت تنظیم شود. مدار همچنین از یک محدود کننده جریان خروجی الکترونیکی بهره می برد که به طور موثر جریان خروجی را از ۲mA تا ۳A کنترل می کند. این خصوصیات حضور این منبع تغذیه را در آزمایشگاه مجرب ها ضروری می سازد چرا که امکان محدود کردن جریان ماکزیممی در هنگام تست مدار وجود دارد و شما می توانید بدون ترس از جریان کشی مدار و آسیب دیدن آن به تغذیه متصل نمایید. همچنین نمایشگر بصری منبع تغذیه به شما نشان می دهد که جریان مودر نیاز مدار بیش از حد مجاز است یا خیر.
خصوصیات

_ اندازه کوچک ساخت آسان وعملکرد ساده
_ ولتاژ خروجی قابل تنظیم
_ محدود گر جریان خروجی با نمایشگر بصری
_ حفاظت کامل از وسیله در حال تغذیه در برابر اضافه بار وعملکرد بد

جهت مشاهده مدار و توضیحات کامل بر روی ادامه مطلب کلیک کنید.

در ابتدا یک ترانس اصلی کاهنده با خروجی ۲۴v و۳A انرژی مورد نیاز مدار را تامین می نماید که به دو پایه ورودی مدار یعنی پایه ۱و۲ وصل می شود کیفیت خروجی نهایی به کیفیت ترانس وابسته است ولتاژ ثانویه ترانس با پل دیودی متشکل از D1_D4 یکسو می شود ولتاژ AC گرفته شده از خروجی پل با فیلتر متشکل از خازن صافیC1 و مقاومتR1 صاف می

شود. این مدار دارای خصوصیات منحصر به فردی است که آن را از دیگر منابع تغذیه این کلاس مجزا می کند به جای استفاده از یک چینش متغییر فیدبک برای کنترل ولتاژ خروجی مدار از یک تقویت کننده با بهره ثابت برای تولید ولتاز مرجع لازم برای کار کرد ثابت آن استفاده می کند ولتاژ مرجع در خروجی U1 تولید می شود نحوه عملکرد مدار بدین گونه است که دیود D8 یک زنر ۵٫۶ ولت در ضریب دمای صفر جریان اش کار می کند ولتاژ خروجی U1 به تدریج افزایش پیدا می کند تا D8 روشن شود وقتی این اتفاق افتاد مدار تثبیت می شود وولتاژ مرجع زنر ۵٫۶ ولت روی مقاومتR5 ظاهر می شود جریانی که از ورودی noninverting آپ امپ می گذرد قابل صرف نظر کردن است. بنابر این همان جریانی که از R5 میگذرد از R6 نیز عبور خواهد

کرد و از آنجا که دو مقاومت یک مقدار دارند ( بهتر است دو مقاومت را در هنگام ساخت با اهم متر اندازه گیری کنید تا یک اندازه داشته باشند چون مقاومت ها به خاطر تلرانسشان با مقدار نامی خود متفاوت اند ) ولتاژ روی هر دوی آنها در حالت سری دقیقاَ دوبرابر ولتاژ هر یک از انها ست بنابر این ولتاژ ظاهر شده در خروجی آپ امپ ( پایه ۶ ) دو برابر ولتاژ مرجع زنر یعنی ۱۱٫۶ ولت خواهد بود. مدار مجتمع U2 دارای یک عامل تقویت ثابت تقریباَ ۳X است و ولتاژ مرجع ۱۱٫۲ ولت را تقریباَ تا ۳۳ولت افزایش می دهد.