خانه / دسته‌بندی نشده / روش های سوییچینگ و ایزولاسیون

روش های سوییچینگ و ایزولاسیون

در دنیای الکترونیک امروزی هر سیستم یا مدار الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه دارد که دارای خصوصیاتی مانند
راندمان بالا، توان اتلافی پایین، سطح ولتاژ یا جریان کنترل شده و دقیق و ابعاد فیزیکی پایین و … باشد. خصوصیاتی که ترانس های سیم پیچ دار سنتی فاقد آن هستند.
راه حل استفاده از منابع تغذیه سوییچینگ ( Switch Mode Power Supply : SMPS ) است.
در این نوع منابع تغذیه, تغییر توان الکتریکی از طریق تغییر سطح ولتاژ و یا تبدیل AC به DC،DC به DC و DC به AC و یا AC به AC میسر می شود.

مزایا و معایب رگولاتورهاي سوییچینگ :
– مزایاي منابع سوییچینگ عبارتند از :
– افزایش راندمان در حدود 68 %تا 90 %و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع
را به انتخاب حرارت گیریا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منوط کرده است.

– به دلیل اینکه قدرت خروجی ازیک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC دریک قطعه
مغناطیسی ذخیره میشود تأمین میگردد، لذا با اضافه کردن تنهایک سیم پیچ میتوان
خروجی دیگري را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام میشود.
– به دلیل افزایش فرکانس کاري به حدود 50 تا 60 کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژي
میتوانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.
– برخلاف منابع خطی، در توان هاي خیلی بالا قابل استفاده هستند.
-قابل تغییر بدون افزاینده یا کاهنده

 

همه موارد ذکر شده در بالا، به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیري منجر
میشود.
معایب منابع سوییچینگ عبارتند از :
– طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.

– نویز قابل ملاحظه اي ایجاد میکنند و البته میتوان با کمک فیلتر و محافظ آن را کاهش داد
(EMI ،RFI و ریپل بیک پوتیک خروجی).
– ماهیت کار این منابع که براساس برشیک ولتاژ DC است باعث میشود که زمان رسیدن
ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد باشد این زمان اصطلاحاً زمان
پاسخ گذرا گویند.
– شامل ترکیبات خارجی اضافه از جمله، خازن ها و سلفها میباشد

چگونگی عملکردیک منبع تغذیه سوییچینگ :
همانطور که ذکر شدیک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک
قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار میکند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ 2 نیمه هادي
خروجی با ورودي در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادي باید تلف شود که بعضا زیاد است
و مهمترین عامل پائین بودن راندمان میباشد.
دلیل این امر هم، همانطور که در ابتداي بحث رگولاتورهاي خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در
حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوري آن هر دو زیاد است.
اما یک رگولاتور سوییچینگ را میتوان بعنوانی ک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که دریک منبع
از نوع سوییچینگ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکردترانزیستور خروجی انجام میگیرد.
به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه
هادي در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است.
دلیل نامگذاري این منابع به نامهاي خطی و سوییچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادي است.

انواع منابع تغذیه سوییچینگ :
منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندي هستند :
– فوروارد Forward
– فلاي بک Flyback

با وجود شباهت هاي فراوان، تفاوتهاي متمایز کننده اي هم وجود دارد. نحوهي عملکرد و چگونگی
قرارگیري عنصر مغناطیسی تعیین کنندهي نوع مدار است.
عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از :
– یک منبع سوییچ جهت تهیه موج pwm.
– القاگر (در مورد منابع پیشرفته، القاگر جاي خود را به ترانس میدهد).
– سوییچ قدرت (ترانزیستور قدرت)
– خازن ذخیره کنندهي انرژي در خروجی
– شبکه هاي حس کننده و عمل کننده بازخورد.

رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد :
آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل زیر است.

حال به توضیح مختصري در مورد قطعات بکار رفته میپردازیم.

سوییچ قدرت :
یک ترانزیستور قدرتیایک MOSFETیا IGBT میباشد که فرکانس قطع و وصل آن
باید از فرکانس کاري مدار خیلی بالاتر باشد.
القاگر :
یک عنصر ذخیره کننده انرژي است و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار است. البته
امکان وجودیک ترانسفورماتور به جاي القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون
وجود دارد (اولیهي این ترانس جاي القاگر و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه میکند).
خازن :
یک عنصر ذخیره کننده انرژي است براي اینکه مقدار ولتاژ خروجی در مقدار مشخص خود
باقی بماند و ریپل زیادي نداشته باشد.
– یکسوکننده
یک دیود فوق سریع است که معمولاً از دیود شاتکی استفاده میشود که البته باید زمان قطع و
وصل آن بسیار کم باشد

هر دوره از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است که عبارتند از :
– Ton : هنگامیکه سوییچ بسته است، جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و
بار قرار میگیرد در این حالت دیود خاموش است.
– Toff : هنگامیکه سوییچ باز میشود، در این حالت القاگر، فیلتر و بار از طریق دیود تأمین
میگردد و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه مییابد.
براي محاسبه ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودي میتوان نوشت :

پس چنین منابعی ولتاژ با پلاریتهي مخالف و بزرگتر از ولتاژ ورودي نمیتوانند تولید کنند.

رگولاتور سوییچینگ حالت فلاي بک :
آرایش کلی منابع نوع فلاي بک مطابق مدار شکل زیر میباشد.سوییچینگ حالت فلای بک

                                                                                                                                                      رگولاتور حالت فلای بک

با روشن شدن سوییچ قدرت، القاگر از طریق منبع پر انرژي میگردد، در این حالت دیود قطع
میباشد. با خاموش شدن سوییچ، جریان بار از طریق دیود، القاگر و تغذیه ادامه میبابد.

پس در این حالت ولتاژ خروجی برابر است با:

پس چنین منابعی ولتاژ بزرگتر از ولتاژ ورودي را میتوانند تولید کنند.
توجه به این نکته که علی رغم شباهت هاي فراوان حالت فلاي بک و فوروارد، تفاوت عمده ي
این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است که در این زمان، در مدار فوروارد تغذیهي باز از راه
القاگر و دیود ادامه مییابد، در حالی که در مدار فلاي بک این کار از راه تغذیه، القاگر و دیود
انجام می شود.

بررسی ایزولاسیون سوییچینگ

منابع تغذیه سوییچینگ از نظر توپولوژی به دو قسمت تقسیم میشود

1-توپولوژی‌های بدون ایزولاسیون ترانسفورمری

2-توپولوژی‌های با ایزولاسیون ترانسفورمری

توپولوژی‌های بدون ایزولاسیون ترانسفورمری

منابع تغذیه سوئیچینگ بدون ایزولاسیون ترانسفورمری زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که عمل ایزولاسیون توسط عناصر و قطعات دیگری انجام گرفته باشد.
این عناصر معمولا یک ترانس 50-60 هرتزی یا منابع تغذیه باک ایزوله شده هستند.
کاربرد نوعی این منابع تغذیه معمولا  در جاهایی است که سیستم یک منبع تغذیه اصلی دارد
ولی در جاهای مختلف آن نیاز به ولتاژهای متفاوتی می باشد.
یادگیری و درک منابع تغذیه بدون ایزوله معمولا خیلی آسان می باشد و
به خاطر همین اکثر تولید کنندگان و شرکت ها مثال های طراحی خود را از منابع تغذیه بدون ایزوله انتخاب می کنند.
طراحان حرفه‌ای منابع تغذیه سوئیچینگ معمولا از آرایش های منابع غیر ایزوله کمتر استفاده می کنند
و این به خاطر مشکلاتی است که از غیر ایزوله بودن این منابع ناشی می شود.

به طور کلی سه نوع منبع تغذیه غیر ایزوله وجود دارد که عبارت اند از:

  • منبع تغذیه باک (کاهنده ولتاژ)
  • منبع تغذیه بوست (افزاینده ولتاژ)
  • منبع تغذیه باک-بوست (معکوس گر)

هر یک از این توپولوژی ها دارای یک خروجی بوده و معمولا اضافه کردن خروجی های بیشتر عملی نمی باشد.
همچنین منابع غیر ایزوله دارای محدودیت هایی می باشند که یکی از آن ها در رابطه با ولتاژ ورودی و خروجی آن ها می باشد.
بنابراین طراح باید قبل از استفاده از این توپولوژی ها، این فاکتورها را در نظر بگیرد.

توپولوژی‌های منابع تغذیه سوئیچینگ با ایزولاسیون ترانسفورمری

همانطور که در توپولوژی های بدون ایزولاسیون ترانسفورمری دیدیم، در این پیکربندی ها فقط قطعات نیمه هادی
عمل ایزولاسیون را بین خروجی و منبع ورودی انجام می دادند. قطعات نیمه هادی به کار رفته در منابع تغذیه معمولا ولتاژ شکست نسبتا پایینی دارند
و همچنین بدترین MTBF را بین قطعات دارا می باشند. این به این دلیل نیست که قطعات نیمه هادی به درستی
ساخته نشده‌اند بلکه به خاطر عوامل گرمایی و شرایط عملیاتی بد نظیر حالت های گذرا می باشند.
منابع تغذیه سوئیچینگ با ایزولاسیون ترانسفورمری، یک حصار عایقی فیزیکی توسط سیم های عایق شده به وجود می آورد.
انرژی در یک ترانسفورمر از طریق یک هسته فریت از سیم پیچ ورودی به خروجی می رسد.
ایزولاسیون ترانسفورمری هزاران ولت را می تواند قبل از ورود به حالت شکست تحمل کند.
و این در واقع یک حصار عایقی دومی و محافظ در برابر خرابی قطعات نیمه هادی می باشد.
این امر تا حد زیادی از خرابی های پشت سرهم یک محصول نهایی جلوگیری می کند.

 

به بیان ساده تر رگولاتورهای با ایزولاسیون ترانسفورمری، عملکردی شبیه رگولاتورهای بدون ایزوله دارند.
و همچنین مانند توپولوژی های بدون ایزوله دارای مدهای Forward و Flyback می باشند.
در واقع ترانسفورمر عمل کاهش و یا افزایش ولتاژ را انجام می دهد. مزیت بزرگ دیگر ترانسفورمر این است
که به راحتی می توان خروجی های متعددی را برای منبع تغذیه اضافه کرد.
به خاطر این دلایل توپولوژی های با ایزولاسیون ترانسفورمری، تقریبا یک انتخاب جذاب برای تمامی کاربردها می باشد

 

درباره‌ی امیر

همچنین ببینید

سیستم های SCADA در شبکه های قدرت

  SCADA هدف اصلی از یک سیستم مدیریت انرژی، پشتیبانی کردن فعالیت های اتاق کنترل …

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *