مبدل DC به DC (مدارات چاپر)

مبدل‌های DC به DC امروزه بسیار پرکاربرد هستند چرا که بسیاری از ابزارهای الکترونیک صنعتی به  منابع ولتاژ DC نیاز دارند، و چنان‌چه ما بتوانیم منابعی برای آن‌ها تامین کنیم که در عین DC بودن، قابلیت تغییر نیز داشته باشند، عملکرد بسیار بهتری خواهند داشت. به عبارت دقیق‌تر با این کار آن‌ها را کنترل‌پذیرتر می‌کنیم.

مدارهای مبدل معروف به چاپر (Chopper) این امکان را برای ما مهیا می‌کنند که با تامین و تغییر منبع DC، این ابزارها و ماشین‌آلات را بیش از پیش تحت کنترل خود درآوریم.

چاپرها در حقیقت دستگاه‌های الکترونیک قدرت استاتیکی محسوب می‌شوند که ولتاژ/ توان DC  ثابت را به ولتاژ/ توان DC متغیر تبدیل می‌کنند. اگر بخواهیم دقیق‌تر و البته به زبان ساده در مورد آن‌ها صحبت کنیم، چاپرها سوییچ‌های پرسرعتی هستند که  اتصال بین بار و منبع را دائما قطع و وصل می‌کنند و به این ترتیب یک ولتاژ DC متغیر یا به عبارت بهتر، بریده بریده در خروجی ایجاد می‌کنند.

مدار چاپر می‌تواند سطح ولتاژ DC را افزایش یا کاهش دهد  و لذا مشابه همان نقش و خاصیتی را در مدار DC دارد که ترانسفر ها در مدار ac دارند.

چه قطعاتی در یک مدار چاپر وجود دارند؟

برای پاسخ به این سوال، باید دو حالت جداگانه را بررسی کنیم؛

الف- کاربردهایی که در آن‌ها چاپر قرار است در یک مدار توان پایین استفاده شود.

در این حالت چاپر ها را می‌توان از قطعاتی چون GTO, IGBT, Power BJT, Power MOSFET و … ساخت.

ب- کاربردهایی که در آن‌ها چاپر قرار است در یک مدار توان بالا استفاده شود.

قطعات تشکیل دهنده مدار چاپر در این حالت می‌توانند مواردی چون تریستور ها یا scr ها باشند.

چاپر کاهنده (Step down)

همان‌طور که از نام آن پیداست، این نوع چاپر جهت کاهش سطح ولتاژ در خروجی به کار می‌رود؛ درست مانند مبدل باک (Buck).

نموداری از این نوع چاپر را در تصویر زیر می‌بینید:

با وصل شدن اتصال چاپر (روشن شدن آن) ، همان‌طور که در مدار مشخص است، کل ولتاژ Vs روی دو سر بار خواهد افتاد ، در نتیجه Vo = Vs.

زمانی که مجددا چاپر خاموش می‌شود، ولتاژ Vs از مدار جدا شده و در نتیجه Vo= 0 می‌شود.

شکل موجی که یک مدار چاپر کاهنده در خروجی می‌سازد به صورت زیر خواهد بود:

• T_ON ← بازه زمانی‌ای که چاپر در آن روشن است.
• T_OFF ← بازه زمانی‌ای که چاپر در آن خاموش است.
• V_S ← ولتاژ ورودی یا منبع
• V_O ← ولتاژ خروجی یا ولتاژ بار
• T ← دوره تناوب چاپر (T_ON + T_OFF)

بررسی عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن مقاومتی باشد

همان‌طور که در توضیحات کلی عملکرد چاپر کاهنده گفتیم ، با روشن شدن چاپر V_O = V_S   خواهد بود و با  خاموش شدن آن V_O = 0  .

که D همان سیکل کاری (duty cycle) است و از رابطه T_ON/ T بدست می‌آید.  از آن‌جا که T_ON می‌تواند از 0  تا T متغیر باشد،  D همواره بین 0  و 1  خواهد بود و به این ترتیب ولتاژ V_O نیز همواره بین 0  تا V_S متغیر است.

پس می‌توانیم نتیجه گیری کنیم که در این نوع چاپر ولتاژ حاصل شده در خروجی همواره کمتر از ولتاژ ورودی است و به همین دلیل چاپر کاهنده خوانده می‌شود.  نمودار شکل موج ولتاژ و جریان خروجی یک چاپر کاهنده را در تصویر زیر می‌بینیم:

 بررسی عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی باشد

در این‌جا نیز بر طبق قاعده‌ی کلی چاپر کاهنده؛ در وضعیت روشن بودن چاپر V_O = V_S   خواهد بود و با  خاموشی آن V_O = 0   می‌شود.

اما در زمان روشنی چاپر داریم:

بنابراین جریان p-p بار را به شکل زیر بدست می‌آوریم:

و در زمان خاموشی چاپر :

اگر مقدار اندوکتانس L خیلی بزرگ باشد، جریانی که بار دریافت می‌کند تقریبا پیوسته خواهد بود. در زمان خاموشی چاپر، وجود سلف باعث می‌شود پلاریته بار برعکس شده و دچار تخلیه شود. جریان ناشی از تخلیه بار، از دیود در جهت مستقیم آن عبور می‌کند.

با مساوی قرار دادن عبارت های (i) و (ii) داریم:

و پس از آن، از عبارت (i) خواهیم داشت:

شکل موج ولتاژ و جریان خروجی در این حالت به شکل زیر است.

مبدل چاپر افزاینده (Boost)

چاپر افزاینده یا مبدل بوست، سطح ولتاژ دریافتی در ورودی را افزایش داده و به خروجی می‎برد. مدار وشکل موج عمومی آن را در تصاویر زیر می‌بینیم.

عملکرد چاپر افزاینده:

در این حالت، زمانی که چاپر روشن است، بار اتصال کوتاه می‌گردد. به این ترتیب ولتاژ خروجی در بازه‌ی T_ON ، برابر صفر است. از طرفی، در این بازه، سلف موجود در مدار شارژ می‌شود و V_L = V_S .

در رابطه‌ی بالا، ∆I ، جریان p-p (پیک تا پیک) سلف است.

با خاموش شدن چاپر، سلف از مسیر بار ، شروع به تخلیه می‌کند. پس در این حالت مجموع دو منبع جریان V_S (منبع اصلی) و ولتاژ سلف ، ولتاژ خروجی را می‌سازند.

حال اگر دو عبارت (iii) و (iv) را مساوی قرار دهیم؛

در اینجا نیز مانند حالت قبل، چون T_ON در بازه ی 0 تا T قرار دارد،≤ 1  0≤ D  و به این ترتیب مطابق رابطه بدست آمده، V_O در بازه‌ی 0 تا ∞ خواهد بود.

مبدل افزاینده- کاهنده (Buck-Boost)

با کمک این نوع مبدل می‌توانیم در خروجی ، بنابر نیاز هر مدار، ولتاژی با سطح بالاتر یا پایین‌تر از ورودی دریافت کنیم.

تصویری از مدار آن را در شکل زیر می‌بینیم.

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

زمانی که چاپر روشن است، ولتاژ ورودی به دو سر سلف اعمال شده و آن را شارژ می‌کند. یعنی V_L = V_S .

با خاموش شدن دیود، پلاریته‌ی سلف معکوس شده و از مسیر دیود- بار ، تخلیه می‌شود. به این ترتیب:

اگر (V) و (VI) را برابر بگذاریم:

اگر از عبارت بدست آمده برای V_O  قدر مطلق بگیریم تا اندازه آن بدست آید :

می‌دانیم که D  می‌تواند از 0 تا 1 تغییر کند، پس؛

• اگر D = 0  باشد ← V_O = 0
• گر D = 0.5  باشد ← V_O = V_S
• گر D = 1  باشد ← V_O = ∞

یعنی در بازه‌ای که D بین 0  تا 0.5  است، V_O بین 0 تا V_S است و عملکرد مبدل به شکل کاهنده است.

در بازه ای که D بین 0.5  تا 1  است هم، V_O  بین V_S و ∞ است که به معنای عملکرد افزاینده است.

در تحلیل مدار چاپر، جهت خروجی های ولتاژ و جریان برای ما مهم هستند. از طرفی می‌دانیم که قطعات نیمه‌هادی که در مدار چاپر استفاده می‌شوند، همه یک جهته هستند( مانند دیودها). اما ما می‌توانیم با چینش مناسب آن‌ها در کنار یکدیگر کاری کنیم که خروجی در جهتی که مطلوب‌مان است حاصل شود. بر همین مبنا (جهت  خروجی‌ها) نیز، مدارهای چاپر را در چند گروه دسته‌بندی می‌کنیم:

قبل از شروع تحلیل های دقیق تر، لازم است چند نکته‌ی پایه‌ای را در مورد ربع های مختلف V_O – I_O مرور کنیم؛

جهت ولتاژ خروجی و جریان خروجی نشان داده در تصویر زیر را ، جهت مثبت در نظر می‌گیریم. هر کدام از جریان و ولتاژ خروجی، اگر در جهت مخالف تصویر زیر باشند، در جهت منفی هستند.

 

حال می‌گوییم اگر ولتاژ خروجی و جریان خروجی، هر دو در جهت مثبت باشند، عملکرد چاپر در ربع اول صفحه ی V_O – I_O قرار دارد. این حالت عملکرد، به رانش مستقیم نیز معروف است.

اگر V_O در جهت مثبت باشد اما I_O در جهت منفی، در ربع دوم صفحه قرار داریم که به نام عملکرد ترمزی مستقیم  شناخته می‌شود.

حالت سوم زمانی است که هر دو مورد ولتاژ و جریان خروجی در جهت منفی باشند. در این حال در ربع سوم صفحه قرار خواهیم گرفت. این حالت عملکردی رانش معکوس نام  دارد.

و اما حالت آخر حالتی است که در آن ولتاژ جهت منفی اختیار کند و جریان جهت مثبت. که متناظر با ربع چهارم صفحه‌ی

V_O – I_O می‌شود. این مود عملکردی مود ترمزی معکوس گفته می‌شود.

حال با شناخت نواحی چهارگانه‌ی عملکردی، به سراغ تحلیل دقیق‌تر انواع پنج‌گانه چاپر ها می‌پردازیم و سه مورد اول آن‌ها را با هم بررسی می‌کنیم. برخی از این چاپر ها تنها در یک ربع عملکردی کار می‌کنند و به آ‌نها چاپرهای تک ربعی گفته می‌شود. برخی دیگر در دو ربع کاری قرار دارند که دو ربعی گفته می‌شوند. هم‌چنین ممکن است یک چاپر بتواند در هر چهار ربع صفحه فعالیت کند در این صورت به آن چاپر چهار ربعی می‌گوییم.

چاپر نوع A

این نوع چاپر یک چاپر تک ربعی است که عملکرد آن در ربع اول صفحه‌ی V_O – I_O قرار دارد و مدار آن را نیز در تصویر زیر می‌بینیم.

زمانی که چاپر روشن است، هم V_O ، هم I_O  در جهت نشان داده شده در شکل قرار دارند پس هر دو مثبت هستند و در نتیجه توان تحویلی به بار نیز مثبت خواهد بود و این به آن معناست که توان از منبع به مقصد تحویل داده می‌شود. زمانی که چاپر خاموش می‌شود، جریان از مسیر دیود جاری می‌شود. به این ترتیب V_O  مساوی صفر شده و I_O  همچنان مثبت است.

پس می‌توان نتیجه گرفت که در چاپر نوع A ، متوسط های جریان و ولتاژ خروجی همواره مثبت هستند هم‌چنین این چاپر یک چاپر کاهنده است چرا که مقدار ولتاژ خروجی همواره از ولتاژ ورودی پایین‌تر است.

چاپر نوع A ، برای فرآیند های رانش ، چاپری مناسب و ایده‌آل است.

چاپر نوع B

این چاپر نیز از نوع تک ربعی است و در ربع دوم صفحه قرار دارد. مدار آن به صورت زیر است.

لازم است به این نکته توجه کنیم که بار متصل به مدار در این حالت ها دارای یک منبع ولتاژ ثابت E است که مقدار آن از V_S بزرگ تر است.

زمانی که چاپر روشن است، V_O مساوی صفر می‌شود اما جریان در مسیر معکوس (همانطور که در شکل نشان داده شده است) جاری می‌شود. با خاموش شدن چاپر نیز جریان از E  به طرف دیود جاری می‌شود(چون E بیشتر از V_S است). پس می‌توانیم نتیجه بگیریم که در این نوع همواره  جهت جریان منفی است. اما V_O  مثبت یا صفر است. بنابراین توان بار منفی شده و می‌توانیم بگوییم توان از بار به منبع جریان می‌یابد. این نوع چاپر مناسب کاربردهای نیازمند عملکرد ترمزی مستقیم است.

چاپر نوع C

چاپر نوع C یک چاپر دو ربعی است و عملکرد آن در دو ربع اول و دوم صفحه ولتاژ- جریان قرار می‌گیرد. به عبارت دقیق‌تر، این نوع چاپر از اتصال موازی دو نوع A و B بدست می‌آید؛ مانند تصویر زیر.

زمانی که چاپر 1 روشن است، جریان از مسیر abcdefa عبور می‌کند و سلف شارژ می‌شود. بنابراین ولتاژ و جریان خروجی هر دو مثبت خواهند بود. با خاموش شدن چاپر 1، سلف از مسیر D1 تخلیه می‌شود. یعنی جریان در همان مسیر قبلی جاری شده و ولتاژ صفر می‌شود. پس می‌بینیم که عملکرد چاپر 1، همان عملکرد چاپر نوع A است.

زمانی که چاپر 2 روشن شود، ولتاژ خروجی صفر خواهد بود اما جریان در جهتی معکوس قبل جاری می‌شود و سلف را شارژ می‎کند. با خاموش شدن چاپر 2، ولتاژ خروجی از رابطه‌ی زیر بدست می‎آید:

که این مقدار از مقدار V_S بیشتر می‌شود. پس جریان از طرف خروجی و مسیر D2 جاری می‌شود که جهت آن جهت منفی خواهد بود. پس در این حالت همواره ولتاژ خروجی مثبت و جریان خروجی منفی هستند. پس عملکرد چاپر 2 هم چیزی نیست به‌جز همان عملکرد چاپر نوع B .

به این ترتیب عملکرد چاپر نوع C ، ترکیبی از عملکردهای چاپر نوع A و چاپر نوع B است.

این چاپر مناسب کاربردهایی است که به هر دوعملکردهای رانش مستقیم و ترمزی مستقیم نیازمند هستند.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>