مقاله ای کامل درباره انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

نویسنده Zohreh Gholami, قبل از ظهر 08:46:03 - 12/21/11

« سنسورهاي القائي, Inductive proximity switch | مقاله ای کامل پیرامون پیزاالکتریک »

0 اعضا و 1 مهمان درحال دیدن موضوع.

Zohreh Gholami

مقاله ای کامل درباره انواع منابع تغذیه سوئیچینگ


چکیده:
این پروژه در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان می باشد. این نوع کنترل در نسل جدید منابع تغذیه سوئیچینگ کاملأ رواج یافته است. این پایان نامه در مورد انواع منابع تغذیه سوئیچینگ و مزایا و معایب هر یک از آنها و تفاوتهای بین انواع مختلف کنترل با حلقه های فیدبک و معرفی و طرز کار آی سی های PWM با کنترل جریان از شرکتهای مختلفی همچون:
MICROCHIP – ON SEMICONDUCTOR –TEXAS INSTRUMENT و غیره پرداخته است.


مقدمه:
ايده منابع تغذيه سوئيچينگ در سال 1970 توسط مهندسان الكترونيک مطرح گرديد كه در ابتدای امر از بازدهی پايينی برخوردار بود ولی در مقايسه با باتري ها و منابع تغذيه آنالوگ وزن و حجم كوچكتر ولی در عين حال توان بالايی داشتند.

در طرح های نخستين منابع تغذیه از عناصر ابتدايی نظيرBJT  و مداراتMONOSTABL و ASTABL استفاده می شد كه اين خود باعث كاهش راندمان چيزی درحدود 68%می شد. امروزه منابع تغذيه سوئيچينگ جايگاه خاصی در صنعت برق و الكترونيک و مخابرات يافته اند و بدليل برتريها و مزايای زيادی كه نسبت به ديگر منابع تغذيه دارا می باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف كرده اند تا جايی كه گروهی از مهندسان الكترونيک در بهبود و كاراييها و كيفيت آنها تحقيقات گسترده ای انجام داده اند البته نتيجه اين تلاشها پيشرفت روزافزونی است كه در ساخت اين سيستم ها  پديد آمده است. البته پيشرفت درتكنولوژی ساخت قطعات نيز تاثيربسزايی درمنابع تغذيه سوئيچينگ داشته است.

با پيداش ماسفتهای سريع و پرقدرت تلفات ترانزيستوری بطور چشمگيری كاهش پيدا كرد وعمده تلفات در ترانسها خلاصه شد كه برای غلبه بر اين مشكل فركانس كاری مدار را تا حد MHZ 1 افزايش دادند.

بنابراين در اصل سعی شده تا درانجام تحقيق از آخرين فن آوري های روز استفاده شود. اميد آنكه مورد قبول محققان و مهندسان اين رشته واقع شود.


بخش اول:
مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ

مقايسه منابع تغذيه سوئيچينگ با منابع تغذيه خطی:
بنا بركاربرد 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 آنها 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.


مزايای منابع تغذيه 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 درعين حال با كارایی بيشتری عمل كنند.
5- در توانهای بالا استفاده می شوند.
6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابليتهای مدارات مجتمع


معايب منابع تغذيه خطی:
تمام مزايايی كه درمنابع تغذيه سوئيچينگ گفته شد عيبهای بود كه درمنابع 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 بيشترازورودی باشد.


معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:
تمام مواردی كه به عنوان مزيت در درمنابع تغذيه خطی ذكر شد به عنوان عيوب منابع تغذيه سوئيچينگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زيراشاره می شود:
1- نياز به فيلتر كردن خروجی و حذف نويزهای توليدی
2- ناپايداری ولتاژ
3- حساسيت زياد به امواج محيط بگونه ايكه بعضاً در برابر ديش های مخابراتی اصلا عمل نمی كنند.



بخش دوم:
اصول منابع تغذیه سوئیچینگ

1-2: 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 سوئيچينگ است. شکل ( 1-2 )  یک رگولاتور سوئيچينگ را نشان می دهد.


1.png
شکل (1-2 )  رگولاتور سوئيچينگ ساده



2-2: 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 اینرو می توان  چاپرها را به دو دسته  سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.



2.png
شکل ( 2-2 ) چاپر کاهنده


3.png
شکل ( 3-2 ) چاپر افزاینده


شکل ( 2-2 ) 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 ( 3-2 ) 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 میشود 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 تغییر داده می شود. 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 ولتاژخروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.


3-2: 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 کلیدزنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.

از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.
                 



4.png
شکل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ


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 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 سلفها 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 ( 4-2 ) نشان داده شده است.



بخش سوم:
رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده
1-3: رگولاتور باک ( Buck ):
در یک رگولاتور باک مقدار متوسط ولتاژ خروجی Vout کمتر از ولتاژ ورودی Vin است. نمودار مدار یک رگولاتور باک که از یک MOSFET قدرت به عنوان سوئیچ استفاده می کند در شکل ( 1-3 ) نشان داده شده است که مشابه یک چاپر کاهش پله ای می باشد. طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد.

حالت اول هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور در t=0 روشن می شود. جریان ورودی که صعودی می باشد از سلف و فیلتر و مقاومت بار عبور می کند. حالت دوم هنگامی شروع  می شود که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می شود به خاطر وجود انرژی ذخیره شده در سلف دیود هرزگرد هدایت می کند و جریان سلف به عبور از خازن و بار و دیود ادامه می دهد. جریان سلف تا زمان روشن شدن دوباره ترانزیستور در سیکل بعدی نزول می کند.

مدارهای معادل برای حالتهای مختلف کاری در شکل ( 1-3 ) نشان داده شده اند. شکل موجهای ولتاژو جریان نشان داده شده برای حالت پیوسته جریان در سلف می باشند. بسته به فرکانس کلیدزنی و اندوکتانس فیلتر جریان سلف می تواند ناپیوسته نیز باشد. رگولاتور باک ساده و بازده آن بیش از 90% است و فقط به یک ترانزیستور نیاز دارد.

در این رگولاتور ولتاژ خروجی فقط یک قطبیت داشته و جریان خروجی یکسویه است. همچنین برای جلوگیری از اتصال کوتاه در مسیر دیود به یک مدار محافظ نیاز است. ساده ترین وآسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.



5.png
شکل (1-3 )  رگولاتور باک


شکل (1-3 )  شکل موج های ولتاژ و جریان
[/center]


معایب رگولاتور باک:
1- به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 2 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی باشد.
2- هنگامی که سوئیچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ ودیود منجر می شود (لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود).
3- سوئیچ های قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند به همین دلیل خروجی را به بار وصل می کنند (راه حل آن حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک تریستور موازی است). علی رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از 100 وات توان به خروجی را دارند.



انواع مقاله های دانشگاهی, انواع رگولاتورهای ولتاژ, حالت شبه رزونانسی, دياگرام داخلی تراشه, رگولاتور فلای بک, رگولاتور پوش پول, شكل موج ها و دياگرام رگولاتور نيم پل, طرح پايه حالت كنترل ولتا‍ژ, طرز کار آی سی ها, عناصر رگولاتورهای سوئيچينگ, نحوه اتصال قطعات نوسان ساز, نحوه محدود كردن جريان, نسل جدید منابع تغذیه, نمودار هيسترزيس, پروژه های رشته الکترونیک, پروژه های رشته ی برق, پیشگامان متا, meta4u.com

Tags:

Share via facebook Share via linkedin Share via telegram Share via twitter Share via whatsapp

https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/clip.png
مقاله ای کامل درباره کانسارها

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات معدن

2 ارسال
4883 مشاهده
آخرین ارسال: بعد از ظهر 12:42:54 - 09/04/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/xx.png
مقاله ای کامل درباره شالیکاری در خشکسالی

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات امورزراعی و دامی, Agronomy & Domestics Articles

0 ارسال
3952 مشاهده
آخرین ارسال: قبل از ظهر 11:48:53 - 07/27/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/xx.png
مقاله ای کامل درباره نذر و نذری

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات فرهنگ و معارف

2 ارسال
8891 مشاهده
آخرین ارسال: بعد از ظهر 18:40:09 - 12/10/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/clip.png
مقاله ای کامل درباره الیاف فلزی

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات نساجی, Textile Articles

2 ارسال
9505 مشاهده
آخرین ارسال: بعد از ظهر 13:46:17 - 09/19/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/xx.png
مقاله ای کامل درباره آمار فازی

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات آمار, Statistics Articles

3 ارسال
5401 مشاهده
آخرین ارسال: بعد از ظهر 14:30:34 - 08/28/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/xx.png
مقاله ای کامل درباره بلوتوث *Bluetooth*

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات کامپیوتر, Computer Articles

2 ارسال
3338 مشاهده
آخرین ارسال: بعد از ظهر 15:35:25 - 08/14/11
توسط
Zohreh Gholami
https://www.meta4u.com/forum/Themes/Comet/images/post/xx.png
مقاله ای کامل درباره حضرت زینب(س)

نویسنده Zohreh Gholami در مقالات فرهنگ و معارف

1 ارسال
2824 مشاهده
آخرین ارسال: قبل از ظهر 11:01:59 - 12/14/11
توسط
Zohreh Gholami