مهندس موفق الکترونیک

یک منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند

یک منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند، از نظر مفهومی، یادگیری نحوه عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ کار دشواری نمی باشد. وقتی به یک منبع تغذیه سوئیچینگ به صورت یک جعبه سیاه نگاه کنیم که فقط ترمینال‌های ورودی و خروجی آن در اختیار ما قرار دارند، در این صورت رفتار یک منبع تغذیه سوئیچینگ شبیه یک منبع تغذیه خطی خواهد بود. تنها تفاوت اساسی بین آن‌ها این است که منبع تغذیه خطی برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار، جریان بار را که از جریان ورودی تامین می شود به صورت پیوسته رگوله می کند. در صورتی که منبع تغذیه سوئیچینگ همین کار را (رگوله کردن جریان بار جهت ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی ) با قطع و وصل کردن ولتاژ ورودی و سپس با کنترل کردن جریان متوسط آن از طریق تغییر عرض پالس انجام می دهد. زمانی که جریان خروجی بیشتری توسط بار مورد نیاز باشد با افزایش زمان روشن بودن پالس ها این عمل انجام می شود.در ادامه با میکرودیزاینرالکترونیک باشید تا بیشتر در مورد مدارات سشوئیچینگ یادبگیریم.

منبع تغذیه سوئیچینگ

در حالت کلی دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ پایه که بر اساس مدولاسیون عرض پالس (PWM ) کار می کنند وجود دارد. این دو نوع منبع تغذیه عبارت اند از

  • منبع تغذیه Forward-mode
  • منبع تغذیه Fly-back-mode

هر یک از این نام ها بر اساس عملکرد عنصر مغناطیسی که در رگولاتور استفاده می شود برگرفته شده است.

رگولاتورهای Forward-mode

رگولاتورهای Forward-mode عمل رگوله کردن را توسط چهار عنصر انجام می دهند. این چهار عنصر عبارت اند از : یک سوئیچ قدرت جهت تولید پالس PWM، یک دیود ( یا دیود catch )، یک سلف سری و یک خازن.

سوئیچ قدرت می تواند یک ترانزیستور BJT قدرت یا یک MOSFET قدرت باشد که مستقیما بین ولتاژ ورودی و قسمت فیلتر قرار گرفته است. ممکن است بین سوئیچ قدرت و قسمت فیلتر یک ترانسفورماتور جهت افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی قرار داده شود. که به رگولاتورهای Forward با ایزولاسیون ترانسفورمری (transformer-isolated) مشهور می باشند.

مطلب پیشنهادی:  طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ (ترانسفورمر مد Forward)

رگولاتورهای Forward-mode

مخزن ذخیره انرژی

دیود شنت، سلف سری و خازن شنت یک مخزن ذخیره انرژی را تشکیل می دهند و وظیفه آن ها این است که انرژی لازم را برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار خروجی در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تامین کنند. در واقع سوئیچ قدرت عمل پر کردن این مخزن انرژی را که در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تلف شده است، بر عهده دارد.

عملکرد منبع تغذیه را می توان در دو حالت قطع و وصل بودن سوئیچ قدرت بررسی کرد. ابتدا حالت وصل بودن سوئیچ قدرت را بررسی می کنیم. در این مدت، جریان خروجی از منبع ورودی عبور کرده و از طریق سلف به بار رفته و دوباره از طریق خطوط برگشتی (یا از طریق زمین) به منبع ورودی برمی گردد. در این مدت دیود در بایاس معکوس بوده و قطع می باشد. بعد از اینکه سوئیچ قدرت قطع شد، جهت جریان در سلف به صورت قبل بوده ولی پلاریته ولتاژ آن عوض شده و باعث می شود که دیود در بایاس موافق قرار گرفته و روشن شود. با روشن شدن دیود مسیر جریان خروجی از طریق سلف و دیود برقرار می شود. و بدین ترتیب انرژی ذخیره شده در سلف در زمان روشن بودن سوئیچ قدرت، از طریق دیود شنت به بار و خازن انتقال می یابد و به این ترتیب انرژی بار در زمان قطع بودن سوئیچ تامین می شود. با وصل شدن سوئیچ دوباره دیود قطع شده و در این حالت انرژی مورد نیاز از طریق منبع ورودی تامین می شود.

چرا اسم Forward 

چون هم در زمان وصل و هم در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت جریان بار از سلف عبور می کند به همین خاطر اسم Forward برای این منبع تغذیه انتخاب شده است.

مطلب پیشنهادی:  طراحی ترانسفورمر فلای بک (Flyback)

مقدار انرژی تحویل داده شده به بار توسط زمان وظیفه (duty cycle ) سوئیچ قدرت کنترل می شود. زمان وظیفه سوئیچ قدرت می تواند بین 0 تا 100 درصد تغییر کند. ولی در منابع تغذیه های عملی این مقدار معمولا بین 5 تا 95 درصد می باشد.

رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی

یک رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی و زمان وظیفه را میتوان به صورت زیر نوشت:

رگولاتورهای Forward-mode

رگولاتورهای Flyback-mode

رگولاتورهای سوئیچینگ Flyback مانند رگولاتورهای Forward از چهار عنصر اصلی تشکیل شده است. با این تفاوت که نحوه چیدمان و قرارگیری این المان ها تغییر کرده است(شکل زیر). همانطور که از شکل 2 مشخص است این بار سلف بین منبع ورودی و سوئیچ قدرت قرار گرفته است. پایه آند دیود به محل اتصال سوئیچ قدرت و سلف متصل شده است. و خازن هم بین کاتد دیود و زمین قرار گرفته است.

عملکرد مد flyback را می توان در دو حالت روشن و خاموش بودن سوئیچ قدرت بررسی نمود. اول حالتی را در نظر می گیریم که سوئیچ قدرت روشن است. در این حالت سلف مستقیما به منبع ورودی متصل بوده و یک جریانی از سلف عبور می کند در نتیجه یک انرژی در هسته سلف ذخیره می گردد. وقتی که سوئیچ قدرت قطع می شود، در این حالت جریان سلف نمی تواند تغییر جهت دهد ولی پلاریته ولتاژ آن برعکس می شود (flies back در واقع اسم flyback از اینجا گرفته شده است ). این عمل باعث می شود که دیود روشن شود و از طریق آن انرژی ذخیره شده در سلف به خازن انتقال یابد. این عمل تا خالی شدن کامل انرژی سلف ادامه می یابد.

مطلب پیشنهادی:  منبع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان

رگولاتورهای Flyback-mode

از آن جایی که ولتاژ معکوس روی سلف بیشتر از ولتاژ ورودی می باشد و این ولتاژ با ولتاژ منبع ورودی جمع می شود در نتیجه ولتاژ خروجی که روی خازن خروجی ظاهر می شود، بیشتر از ولتاژ ورودی می باشد. با توجه به این که تنها المان ذخیره کننده انرژی بار، فقط خازن فیلتر خروجی می باشد در نتیجه میزان ریپل خروجی در رگولاتورهای flyback بیشتر از رگولاتورهای Forward می باشد.

زمان وظیفه در یک رگولاتور flyback معمولا بین 0 تا 50 درصد می باشد. و این محدودیت ناشی از زمان مورد نیاز برای خالی شدن انرژی سلف به خازن می باشد. زمان وظیفه در رگولاتورهای flyback ایزوله شده با ترانسفورمر می تواند بزرگتر از حالت قبل باشد. این از تاثیر نسبت دور سیم پیج ها و اندوکتانس سیم پیج های اولیه و ثانویه می باشد.

رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی در رگولاتورهای flyback اندکی پیچیده تر می باشد. زمانی که سوئیچ قدرت قطع می باشد، سلف قبل از روشن شدن سوئیچ قدرت خود را خالی خواهد کرد.از آنجایی که مقدار volt-time شارژ و دشارژ سلف باید یکی باشد، و خروجی مبدل بوست(boost ) بدون ایزوله باید بیشتر از ولتاژ ورودی باشد در نتیجه رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی به صورت زیر خواهد بود.

فرمول محاسبه ولتاژ خروجی

 

رگولاتورهای Flyback-mode

خیلی ممنون از اینکه تا این قسمت از آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ ما را در میکرودیزاینرالکترونیک همراهی کردید.امیداواریم جلسات بعدی بزودی آماده و منتشر شوند. لطفا نظرات خودتان را در قسمت نظرات همین نوشته بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>

دیدگاهتان را بنویسید

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

10 دیدگاه

  1. دستتون درد نکنه گلهای قشنگم .

  2. بسیار خوب

  3. سلام آقای مهندس
    من یه سوال داشتم خیلی ازتون ممنون میشم اگه جواب بدین. من خروجی یه منبع تغذیه سوئیچینگ ۱۲ولت ۱۰امپری رو به یه ماژول شارژر متصل کردم برای باتری ماشین . ولتاژ سوئیچینگ رو با پتانسیومتری که داره به ۱۴/۲ ولت برای شارژ رسوندم و ماژولو روی ۱۳/۵ولت تنظیم کردم که وقتی ولتاژ باتری به اون رسید شارژ کردن رو متوقف کنه . ولی مشکل اینجاست که وقتی ماژول ولتاژ رو به باتری متصل میکنه افت ولتاژ روی بار ایجاد نمیشه و ولتاژ خروجی سوئیچینگ روی ۱۴/۲پایدار میمونه که ماژول سریع شارژ کردن رو متوقف میکنه و دوباره ولتاژ باتری افت میکنه بازم ولتاژو وصل میکنه و این رو هی تکرار میکنه که اگه اشتباه نکنم مشکل به خاطر امپدانس خروجی سوئیچینگ هست چون مدار با منابع ترانسفرماتوری خروجی که به بار متصل میشه افت ولتاژ داره تا زمانی که کم کم باتری شارژ بشه و ولتاژ دوسر باتری بیاد بالا تا به محدوده قطع شارژ برسه . حالا راه حل این مشکل چیه باید چیکار کنم که این افت ولتاژ در خروجی سوئیچینگ ایجاد بشه . خواهشمندم اگه میشه راهنماییم کنین . خیلی ممنون. و ببخشید که متن این همه طولانی شد .گفتم کامل توضیح داده باشم

  4. واقعا هر روز مطالعه میکنم بسیار عالی وجامع
    سپاس

  5. سلام خیلی خیلی ممنون واقعا عالی بود مطالبتون

    یه سوال داشتم این که کدوم توپولوژی ها در منابع تغذیه مگنترون استفاده می شود ؟
    ممنون میشم جواب بدین سپاس از لطف و محبتتون

  6. سلام….سپاسگذارم
    خیلی مفید بود
    فرهادکیایی

  7. ابراهیم حیدری

    ممنون

  8. سلام خواهشا تمنا دارم کیت یا نقشه مداری که 12ولت ورودی را به 12ولت 60 آمپر با کنترل دربرابر اتصال کوتاه را لطف کنید09138409014ناصرزارع