مقاله کامل در مورد منبع تغذيه

فهرست
مقدمه
1: مروري بر منابع تغذیه
1-1: دلیل انتخاب SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی
2-1: چگونگی تنظیم خروجی در SMPS
3-1: يك نمونه SMPS داراي چه مشخصاتي است؟
4-1: کاربرد دیگر SMPS ها به عنوان اینورتر یا UPS
5-1: انواع مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ
2: روشهای کنترل در منابع تغذیه
1-2: کنترل شده حالت ولتاژ
2-2: کنترل شده حالت جریان
3: قطعات یک منبع تغذیه سوئیچینگ
1-3: هسته و سیم پیچ
2-3: ترانزیستور
3-3: MOSFET هاي قدرت
4-3: يكسوكننده ها
5-3: خازنها
منابع
منابع تغذیه
مقدمه
بعضی از تجهیزات الکترونیکی نیاز به منابع تغذیه با ولتاژ و جریان بالا دارند. بدین منظور باید ولتاژ AC شهر توسط ترانسفورماتور کاهنده به ولتاژ پایینتر تبدیل و سپس یکسوسازی شده و به وسیله خازن و سلف صاف و DC شود.
تا سال 1972 ، منابع تغذیه خطی برای بیشتر دستگاههای الکترونیکی مناسب بودند. اما با توسعه کاربرد مدارهای مجتمع ، لازم شد که خروجی این مدارها در برابر تغییرات جریان و یا ولتاژ شبکه برق بیشتر تثبیت گردد. آی سی های خانواده TTL به ولتاژ کاملا تثبیت شده 5V احتیاج دارند. به منظور بدست آوردن ولتاژ ثابت تر، یک سیستم کنترل فیدبک در آی سی ها ی تثبیت کننده به کار برده می شود. تا سال 1975 ، آی سی های موجود مثل 723 و CA3085 قادر به تثبیت ولتاژ ثابت مورد نظر نمونه برداری می کردند. این منابع، منابع تغذیه تثبیت شده خطی نامیده می شد.
امروزه تراشه های یکپارچه تنظیم ولتاژ برای جریانهای تا 5A در دسترس می باشد. این تراشه ها مناسب می باشند. اما راندمانی زیر 50% دارند و تلفات حرارتی آنها در بار کامل زیاد است.
منابع تغذیه سوئیچینگ دارای راندمان بالایی می باشند. این منابع در سال 1970 هنگامی که ترانزیستورهای سوئیچینگ سرعت بالا با ظرفیت زیاد در دسترس قرار گرفت، ابداع شدند. ولتاژ خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ به وسیله تغییر چرخه کار (Duty Cycle) یا فرکانس سیگنال ترانزیستورهای کلید زنی کنترل می شود. البته می توان با تغییر هم زمان هر دوی آنها نیز ولتاژ خروجی را کنترل نمود.
یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) شامل منطق کنترل (Control Logic) و نوسان ساز می باشد. نوسان ساز سبب قطع و وصل عنصر کنترل کننده (Control Element) می گردد. عنصر کنترل کننده معمولا یک ترانزیستور کلید زنی ، یک سلف و یک دیود می باشد. انرژی ذخیره شده در سلف با ولتاژ مناسب به بار واگذار می شود، با تغییر چرخه کار یا فرکانس کلید زنی، می توان انرژی ذخیره شده در هر سیکل و در نتیجه ولتاژ خروجی را کنترل نمود. با قطع و وصل ترانزیستور کلیدزنی ، عبور انرژی انجام و یا متوقف می شود. اما انرژی در ترانزیستور تلف نمی شود. با توجه به اینکه فقط انرژی مورد نیاز برای داشتن ولتاژ خروجی با جریان مورد نظر، کشیده می شودع راندمان بالایی بدست می آید. انرژی به صورت مقطعی تزریق می شود. اما ولتاژ خروجی به وسیله ذخیره خازنی ثابت باقی می ماند.
1
1-1: دلیل انتخاب SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی:
انتخاب بين يك منبع تغذيه خطي يا سوئیچینگ مي تواند بر اساس كاربرد آنها انجام مي شود. هر يك مشخصات، مزايا و معايب خاص خود را دارند، همچنين حوزه هاي متعددي وجود دارد كه تنها يكي از اين دو نوع مي تواند مورد استفاده قرار گيرند و يا كاربردهايي كه يكي از بر ديگري برتري دارد.
مزاياي منابع تغذيه خطي:
نخست سادگي (طرح مدار بسيار ساده است و با قطعات كمي به راحتي اجرا مي شود).
دوم قابليت تحمل بار زياد نويز ناچيز يا كم در خروجي و زمان پاسخ دهي بسيار كوتاه.
براي توان هاي كمتر از 10W ارزانتر از مدارهاي مشابه سوئیچینگ مي شود.
معايب منابع تغذيه خطي:
تنها به صورت رگولاتور كاهنده قابل كاربرد هستند(ورودي حداقل بايد 2 تا 3 ولت از خروجي بيشتر باشد).
عدم انعطاف پذيري تغذيه، افزودن هر خروجي مستلزم اضافه كردن سخت افزار زيادي است.
بهره متوسط چنين منابعي كم و نوعا 30% تا 40% است. اين تلفات توان در ترانزيستور خروجي توليد حرارت مي كند و نياز به ترانزيستور قوي تر را مطرح مي كند،در توانهاي كمي بالا نياز به گرماگير بر روي ترانزيستورها دارد.
تمامي اين معايب در منابع تغذيه هاي سوئیچینگ رفع شده است:
افزايش راندمان به حدود 68% تا 90% كاركرد ترانزيستور در نواحي قطع و اشباع به انتخاب حرارت گير يا خنك كننده و ترانزيستور كوچكتر منجر شده است.
به دليل اينكه قدرت خروجي از يك ولتاژ DC بريده شده كه به شكل AC در يك قطعه مغناطيسي ذخيره مي شود، تامين مي گردد. لذا با اضافه كردن تنها يك سيم پيچ مي توان خروجي ديگري را بدست آورد، كه در مقام مقايسه بسيار ارزانتر و ساده تر تمام مي شود.
به علاوه به دليل افزايش فركانس كاري به حدود 15KHz تا 60KHz اجزا ذخيره كننده انرژي مي توانند خيلي كوچكتر انتخاب شوند:
برخلاف منابع تغذيه خطي، در توانهاي خيلي بالا قابل استفاده هستند.
همه اين موارد به كاهش هزينه و توان تلفاتي و افزايش بهره دهي و انعطاف پذيري منجر مي شود. معايب اين نوع منابع ناچيز بوده و به كمك طراحي بهينه قابل رفع مي باشد.
از جمله معايب آن مي توان به موارد زير اشاره كرد:
طرح چنين منابعي اصولا مشكل و پيچيده است.
نويز قابل ملاحضه اي از آنها به محيط انتشار مي يابد و اين اشكالي است كه نبايد در مرحله طراحي ناديده گرفته شود.
به دليل ماهيت كار اين منابع كه بر اساس برش يك ولتاژ C استوار است، زمان رسيدن ولتاژ خروجي به مقدار مطلوب در مقايسه با منابع تغذيه خطي زياد است. اين زمان اصطلاحا زمان پاسخ ناپايدار ناميده مي شود.
هر يك از منابع حوزه هاي كاري خود را دارند، عموما براي مدارهاي با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهاي تغذيه شونده با باطري هاي قابل حمل تغذيه سوئیچینگ برتري دارد، ولي براي ولتاژ هاي ثابت و كم منابع خطي ارزانتر و مناسبتر هستند.
راندمان SMPS به دلیل تلفات کمتر توان، بالاتر می باشد. وزن و اندازه آنها به خاطر ترانسفورماتورهای کوچکتر با هسته فریت سبکتر، کوچکتر می باشد. افزایش فرکانس ابعاد ترانسفورماتور را به ازای قدرتهای یکسان کاهش می دهد. از هسته های آهنی در فرکانسهای بیشتر از 400Hz به دلیل داغ شدن هسته نمی توان استفاده کرد.
در منابع تغذیه سوئیچینگ حذف ریپلهای خروجی به خوبی منابع تغذیه خطی انجام نمی گیرد زیرا خازنهای کوچک و با کیفیت بالا مورد نیاز است.
پارازیتهای RF به دلیل قطع و وصل جریانهای بالا یکی دیگر از معایب SMPS می باشد. این پارازیتها را می توان با پوشش هسته فریت و کل مدار کاهش داد. در تلویزیون، SMPS با فرکانس خط (15625Hz) سنکرون می شود و در نتیجه اثر کلیدزنی در صفحه تلویزیون ظاهر نمی شود.
امروزه، بیشتر تلویزیونهای رنگی فط از SMPS برای تغذیه لامپ و قسمتهای مختلف استفاده می کنند. کامپیوترهای شخصی نیز از SMPS برای تولید ولتاژهای 5V , 12V و 24V با جریان بالا استفاده می کنند. مهمترین مزیت SMPS ها، وزن کم آن می باشد.
2-1: چگونگی تنظیم خروجی در SMPS
تنظیم SMPS با تغییر نرخ on و یا سرعت تکرار کلیدزنی و یا هر دوی اینها انجام می گیرد. به هنگام تغذيه قدرت، جريان به سيم پيچ تزريق و در نتيجه انرژي در آن ذخيره مي شود. سپس اين انرژي از طريق ديودهاي با سرعت بالا به خازنهاي الكتروليت ذخيره كننده، واگذار مي گردد. ولتاژ دو سر خازن صاف است . مي تواند با DC را تغذيه كند. با افزايش بار، ولتاژ خروجي افت مي كند. اين افت، با افزايش پهناي پالس كه سبب افزايش جريان سيم پيچ مي شود، جبران مي گردد. در واقع، افزايش پهناي پالس سبب مي شود كه انرژي بيشتري در هر دوره در ميدان مغناطيسي ذخيره كردد.
چنانچه ولتاژ مورد نظر از مقدار مورد نظر بيشتر شود مي توان با كاهش پهناي پالس مقدار انرا تنظيم نمود. امروزه مدارهاي مجتمع براي انجام وظايف بالا در دسترس هستند. آي سي 2524 يا 3524 از اين نوع مي باشند. در فصل های بعد در مورد این آی سی و مشخصات آن به همراه نمونه منبع تغذیه سوئیچینگ توضیح داده می شود.
3-1: يك نمونه SMPS داراي چه مشخصاتي است؟
يك SMPS را مي توان براي ولتاژ خروجي مورد نياز طراحي نمود. SMPS داراي يك آي سي كنترل، يك يا دو ترانزيستور كليدزني، تعدادي ديود كليدزني سرعت بالا، مجموعه اي از خازنهاي با

فایل : 30 صفحه

فرمت : Word