منابع تغذیه

منابغ تغذیه به طور کلی وظیفه تامین انرژی را در مدارات آزمایشگاهی و تستینگ به عهده دارند. مقدار جریان خروجی و ولتاژ خروجی پارامتر های اصلی در انتخاب منابع تغذیه است. منابع تغذیه آزمایشگاهی باید قابلیت نمایش و تنظیم دقیق میزان جریان و ولتاژ خروجی را دارا باشند تا کاربر بتواند با توجه به ولتاژ و جریانی که نیاز مدارات الکترونیکی است آزمایش های خود را بررسی کند. کی از پارامتر های مهم در منابع تغذیه امکان سری و موازی کردن منابع است. در منابع تغذیه دوبل می توان با سری کردن دو منبع ولتاژ خروجی را دوبرابر کرد و یا با موازی کردن منابع جریان خروجی را دوبرابر نمود. برخی مدل های منابع تغذیه قابلیت اتصال به کامپیوتر جهت ثبت مقادیر در حال تست و رسم گراف برای آنالیز مدارات در حال تست  امکان پذیر است.

منابع تغذیه به دو دسته تقسیم بندی می شوند منابع تغذیه آنالوگ و دیجیتال

برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی یک منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می باشد. منبع تغذیه سوئیچینگ یک واحد تغذیه توان است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان های یکسو کننده جریان و فیلتر استفاده می شود. تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی، مشکلات منبع تغذیه خطی می باشند. سه عامل اصلی در تفاوت این دو روش عبارتند از فرکانس کار ترانس ها در روش خطی ۵۰ تا ۶۰ هرتز است. ترانس های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فرکانس بالای ۵۰ تا ۲۰۰ کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس ها به میزان قابل توجهی کاهش یافته و در نتیجه اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است.

راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یک منبع خطی با تلف کردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو می کند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ، ولتاژ و جریان خروجی کنترل می شود. با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ می توان به حدود ۹۰ درصد بازدهی دست یافت.

در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بدلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الکترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آنها از فیلتر ای.ام.آی و اتصالات آر.اف استفاده می شود. طراحی منبع تغذیه خطی بسیار ساده بوده و اثرات نویز در خروجی بسیار کمتر است.

مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی:

بنا پرکاربرد منابع تغذیه انتخاب بین منابع تغذیه خطی یا سوئیچینگ صورت می گیرد که هر یک دارای مزایا و معایب نسبت به یکدیگر می باشند که در ذیل به آنها اشاره می شود.

مزایای منابع تغذیه خطی:

۱- طراحی مدارات بسیار ساده صورت می گیرد.

۲- قابلیت تحمل بار زیاد

۳- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک

۴- در کاربردهای توان پایین ارزانتر می باشند.

۵- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.

مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:

۱- وزن و حجم کمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.

۲- بالا بودن راندمان از۶۸% تا ۹۰%

۳- داشتن مقدار بیشتری سطح ولتاژ در خروجی

۴- بدلیل افزایش فرکانس کاری اجزای ذخیره کننده انرژی می توانند کوچکتر و در عین حال با کارایی بیشتری عمل کنند.

۵- در توان های بالا استفاده می شوند.

۶- کنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیت های مدارات مجتمع

معایب منابع تغذیه خطی:

تمام مزایایی که درمنابع تغذیه سوئیچینگ گفته شد عیب های بود که در منابع تغذیه خطی وجود داشت و علاوه بر آن:

۱- بدلیل کم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزیستورهای خروجی زیاد می باشد که درنتیجه نیاز به خنک کننده سیستم سرمایش تحت فشار می باشد.

۲- تنها بصورت یک رگولاتور کاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی باید ۲ تا ۳ ولت بیشتر از ورودی باشد.

معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:

تمام مواردی که به عنوان مزیت درمنابع تغذیه خطی ذکر شد به عنوان عیوب منابع تغذیه سوئیچینگ به شمار می رود علاوه بر آن به موارد زیر اشاره می شود:

۱- نیاز به فیلتر کردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی

۲- ناپایداری ولتاژ

۳- حساسیت زیاد به امواج محیط به گونه ای که بعضا در برابر دیش های مخابراتی اصلا عمل نمی کنند.

۱-۲: انواع رگولاتورهای ولتاژ:

مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی ( ترانزیستور ) بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود.

یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت  به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل ( ۱-۲ ) یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.

شکل (۱-۲ )  رگولاتور سوئیچینگ ساده

 

۲-۲: چاپرهای DC:

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تبدیل یک منبع DC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژ متغیر می باشد. چاپر DC وسیله ای است که مستقیمأ DC را به DC تبدیل می کند. چاپر  می تواند به جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع DC بکار گرفته شود. از این رو می توان  چاپرها را به دو دسته  سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

شکل ( ۲-۲ ) چاپر کاهنده

شکل ( ۳-۲ ) چاپر افزاینده

شکل ( ۲-۲ ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود. در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.

از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( ۳-۲ ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای)  نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در  سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز می شود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.

اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.

چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :

۱- عملکرد فرکانس ثابت: در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.

 ۲- عملکرد فرکانس متغییر: در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژ خروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیک هایی با فرکانس های غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.

۳-۲: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولأ از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلید زنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( ۴-۲ ) نشان داده شده اند.

شکل ( ۴-۲ ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ

از شکل ( ۴-۲ ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیک هایی می باشد.

مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک فیلتر LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود ۱۰۰ مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.

 برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر ۰٫۵ میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر ۵۰ میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.

این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلف ها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.

ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل در شکل ( ۴-۲ ) نشان داده شده است.