مقاله کامل منابع تغذيه

سعید اکبری زاده
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: ترانزیستور3-3: 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 كيفيت بالا، يك هسته فريت و تعدادي قطعه ديگر مي باشد. مشخصات دقيقتر يك نمونه SMPS مي تواند به قرار زير باشد:
يك هسته از نوع LOT
يك ترانزيستور سوئیچینگ مانند BU208
يك مدولاتور پهناي پالس تنظيم كننده مانند آي سي SG3524
ويژگيها و تواناييهاي مدار براي نمونه مي تواند:
خروجي 5v , 5A براي كاربردهاي كامپيوتري و ديجيتالي
خروجي و 1A براي مدارهاي RS232 و خطي
جداسازي (ايزوله بودن) خروجي از تغذيه ورودي برق شهر
عمل جداسازي خروجي از ورودي با قرار دادن تعدادي سيم پيچ روي هسته فريت به آساني انجام مي گيرد. در بعضي از SMPS ها، حتي از ايزولاتور نوري نيز استفاده مي شود زيرا مدار كنترل در ارتباط مستقيم با برق شهر است.
مدار كنترل، پالسهاي كليدزني مناسب را توليد و از خروجي نيز نمونه برداري مي كند. اين نوع منابع تغذيه با ايزولاتور در تلويزيونهاي رنگي و كامپيوتر به كار مي روند.
براي تامين قدرت آي سي دو روش وجود دارد:
استفاده از خروجي خود SMPS
استفاده از يك منبع تغذيه جداگانه ، براي نمونه 150mA به وسيله ترانسفورماتور با ولتاژ نامي 220V/18V .
براي روش اول شدني است اما در راه اندازي اوليه آن مشكل وجود دارد. روش دوم، نياز به مدارات و قطعات اضافي مانند ترانسفورماتور و ديود يكسو ساز و خازن صافي حجيم الكتروليت است.
در قسمت كليد زني سيم پيچها بايد داراي اندوكتانس مناسب و مقاومت كم باشند. به ازاي هر پالس تحريك، جريان بالايي به وسيله ترانزيستورهاي كليدزني از سيم پيچها عبور مي كند. پيك جريان، تابعي از ولتاژ ورودي، ولتاژ كليد، اندوكتانس سيم پيج و زمان روشن بودن ترانزيستورهاي كليدزني مي باشد.
با وصل ولتاژ تغذيه (ترانزيستور روشن) جريان در يك مدار R-L به صورت نمايي افزايش مي يابد. با قطع تغذيه (ترانزيستور خاموش) ، ولتاژ بالايي القا مي شود كه ديود طرف دوم را روشن مي كند و سپس جريان به سرعت به صفر مي رسد. براي عبور جريان ميرا شونده ، هنگام قطع ترانزيستور ، خازن و مقاومتي در نظر گرفته مي شود. در صورت نبودن اين عناصر، ولتاژ بسيار زيادي در كلكتور در لحظه قطع ترانزيستور ايجاد مي شود. يك VDR نيز به قسمت قبلي اضافه مي شود. انرژي هر سيكل برابر است با:

L اندوكتانس طرف اوليه مي باشد. يكي از روشهاي افزايش انرژي، داشتن L بزرگ است. ولتاژ تغذيه E برابر است با:

با بزرگ شدن L ، مقدار براي تغذيه داده شده ، افزايش مي يابد. هنگام پاس روشن بودن، جریان I نمی تواند به طور کافی افزایش یابد. بنابراین مقدار ، کوچک است. اگر L ، خیلی کوچک باشد، I به مقدار افزایش می یابد.در این حالت سرعت رسیدن به مقدار نهایی زیاد است اما انرژی ذخیره شده کم است. R مقداری کوچک دارد . اندازه با توجه به جریان مجاز ضربه ای ترانزيستور های کلیدزنی تعیین می گردد.
برای داشتن بزرگ، سیم پیچ و مقاومتهای دیگر را کاهش دهید، از ترانزیستور با سرعت بالا استفاده نمایید و ولتاژ تغذیه را افزایش دهید. پیک ولتاژ را با یک شبکه سری R-C در کلکتور و امیتر ترانزيستور توان خروجی کنترل کنید. کاهش این مقاومت ، پیک ولتاژ را افزایش می دهد. این مقاومت تضعیف کننده معمولا حدود تا در نظر گرفته شود. مقدار خازن C می تواند حدود 2000PF باشد. ولتاژ آن به علت ارتباط مستقیم با ولتاژ بالا و همچنین تحت تاثیر جریانهای سوئیچ بودن ، باید بالا و حدود 2KV انتخاب شود.
جریان تحریک ترانزيستورهای کلیدزنی نیز عامل مهمی است. ترانزيستور کلیدزنی مناسب انتخاب کنید. برای نمونه BU208 دارای بهره جریان بزرگی نیست. بنابراین برای جریانهای بزرگ کلید، جریان بیس بزرگ لازم است. زمان صعود جریان کلکتور با افزایش جریان بیس زیاد می شود. اگر جریان کلکتور 100mA باشد، جریان تحریک بیس باید حدود 25mA در نظر گرفته شود. به ازای جریان کلکتور 1A ، جریان بیس باید حدود 250mA باشد. به ازای جریان تحریک 25mA ، ترانزیستور کاملا روشن نمی شود و تلفات قدرت خواهد داشت. چنانچه ترانزیستور زیاد داغ شود، باید جریان تحریک بیس را افزایش داد. ترانزیستورهای قدرت خروجی را باید بر روی گرماگیر مناسب نصب شود.
4-1: کاربرد دیگر SMPS ها به عنوان اینورتر یا UPS
کار اصلی اینورترها تبدیل خروجی DC یک باتری دارای شارژ به ولتاژ AC با فرکانس برق شهر می باشد تا بتواند بارهای ضروری را تغذیه نماید. در حالت ایده‌آل، شکل موج خروجی یک اینورتر باید سینوسی خالص باشد که رابطه نزدیکی با قیمت آن دارد. قیمت یک اینورتر همچنین به
ظرفیت باتری پشتیبان، توان خروجی، درصد تنظیم ولتاژ (رگولاسیون) ، مدارهای محافظ، نشانگرهای زمان تبدیل (سرعت عملکرد) و … بستگی دارد. داشتن این ویژگی ها، اینورتر را به یک منبع تغذیه غیر قابل وقفه (UPS) تبدیل می کند.
5-1: انواع مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ
در یک منبع از نوع سوئیچینگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. منابع بر اساس نوع کنترل تغییرات خروجی و چگونگی این عمل به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند. دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از:
SMPS با مبدل پیشرو (Forward Convertor)
SMPS با مبدل برگشتی (Flyback Convertor)
با وجود شباهتهاي فراوان تفاوتهاي متمايز كننده اي هم وجود دارد. نحوه عملكرد و چگونگي قرار گيري عناصر مغناطيسي تعيين كننده نوع مدار است.
عناصر اصلي هر يك از انواع اين منابع عبارتند از:
يك منبع سوئيچ جهت تهيه موج PWM
القاگر (در مورد منابع پيشرفته تر القاگر جاي خود را به ترانس مي دهد).
سوئيچ قدرت
يكسو كننده
خازن ذخيره كننده انرژي در خروجي
شبكه هاي حس كننده و عمل با زخورد
در نوع برگشتی ، انرژی به طور کامل در میدان مغناطیسی سلف در دوره کلیدزنی ذخیره می شود. این انرژی در مدار ولتاژ خروجی هنگام باز بودن کلید تخلیه می شود. ولتاژ خروجی به دوره قطع و وصل کلید بستگی دارد. در بعضی حالتها، ممکن است ولتاژ خروجی از ولتاژ سوئیچ شده ورودی بیشتر شود.
در شکل الف ، انرژی ذخیره شده در سلف برابر می باشد که i جریان L است. با روشن شدن ترانزیستور، جریان L با توجه به ولتاژ تغذیه Vs ، مقاومت ذاتی R و انوکتانس L چوک افزایش می یابد.
در شکل ب ، همین اثر به روش دیگری برای مبدل پیشرو به دست می آید. در هر دو حالت روشن و خاموش بودن ترانزیستور از چوک جریان عبور می کند. هنگام قطع بودن ترانزیستور، دیود روشن شده و مسیر جریان را می بندد.
بنابراین انرژی در هر دو حالت به بار منتقل می شود. در این مدار، ولتاژ Vo فقط می تواند کمتر از Vs باشد. چوک هنگام روشن بودن ترانزیستور انرژی را ذخیره می کند و مقداری از ان را نیز در همین دوره به بار خروجی منتقل می کند.
دو وظیفه دیود عبارت است از: اول فراهم کردن مسیر تخلیه برای چوک ، هنگامی که ترانزیستور باز است. همچنین مانع تولید جرقه در اثر ولتاژ القایی بالا در لحظه قطع ترانزیستور می گردد. دوم آنکه ، ایجاد مسیری برای میراشدن جریان سیم پیچ.
علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلاوی بک و فوروارد تفاوت عمده این دو نوع هنگام خاموشی سوئیچ قدرت است در این زمان: در مدار فوروارد تغذیه بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام می شود.

فایل : 16 صفحه

فرمت : Word