منابع تغذیه الکتریکی

منابع تغذیه

منابع تغذیه الکتریکی 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.

پارامتر ها و مدل ها در منابع تغذیه الکتریکی

یکی 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.

انواع منبع تغذیه

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

دو روش برای ثابت نگه داشتن ولتاژ

برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی یك منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می باشد. منبع تغذیه سوئیچینگ یك واحد تغذیه توان است كه به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان های یكسو كننده جریان و فیلتر استفاده می شود.

مشکلات منابع تغذیه الکتریکی خطی

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 فركانس کار ترانس ها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانس های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند.

در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فركانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس ها به میزان قابل توجهی كاهش یافته است. در نتیجه اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است.

راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یك منبع خطی با تلف كردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو می كند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیكل سوئیچ، ولتاژ و جریان خروجی كنترل می شود. با یك طراحی خوب در روش سوئیچینگ می توان به حدود 90 درصد بازدهی دست یافت.

طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ

در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بدلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی 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.

مقايسه منابع تغذیه الکتریکی سوئيچينگ با منبع تغذيه خطی

بنا پركاربرد منابع تغذيه انتخاب بين منابع تغذيه خطی يا سوئيچينگ صورت می گيرد كه هر يک دارای مزايا و معايب نسبت به يكديگر می باشند كه در ذيل به آن ها اشاره می شود.

مزايای منابع تغذيه خطی:

1. طراحی مدارات بسيار ساده صورت می گيرد.
2. قابليت تحمل بار زياد
3. توليد نويز ناچيز و نويزپذيری بسيار اندک
4. در كاربردهای توان پايين ارزانتر می باشند.
5. زمان پاسخدهی بالایی را دارند.

معايب منابع تغذیه الکتریکی خطی

تمام مزايايی كه درمنابع تغذيه سوئيچينگ گفته شد عيب های بود كه در منابع تغذيه خطی وجود داشت و علاوه بر آن:

1. بدليل كم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزيستورهای خروجی زياد می باشد كه درنتيجه نياز به خنک كننده سيستم سرمايش تحت فشار می باشد.
2. تنها بصورت يک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی بايد 2 تا 3 ولت بيشتر از ورودی باشد.

مزايای منابع تغذیه الکتریکی سوئيچينگ

1. وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2. بالا بودن راندمان از68% تا 90%
3. داشتن مقدار بيشتری سطح ولتاژ در خروجی
4. بدليل افزايش فركانس كاری اجزای ذخيره كننده انرژی می توانند كوچكتر و در عين حال با كارایی بيشتری عمل كنند.
5. در توان های بالا استفاده می شوند.
6. كنترل آسان خروجی با استفاده از قابليت های مدارات مجتمع

معايب منابع  تغذیه سوئيچينگ

تمام مواردی كه به عنوان مزيت درمنابع تغذيه خطی ذكر شد به عنوان عيوب منابع تغذيه سوئيچينگ به شمار می رود علاوه بر آن به موارد زير اشاره می شود:

1. نياز به فيلتر كردن خروجی و حذف نويزهای توليدی
2. ناپايداری ولتاژ
3. حساسيت زياد به امواج محيط به گونه اي كه بعضا در برابر ديش های مخابراتی اصلا عمل نمی كنند.

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

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.

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. 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:

1. عملکرد فرکانس ثابت: در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید عوض میشود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس (PWM) نام دارد.
2. 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.

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.

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 کم میشود. 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 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.

 برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 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.