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.

به عنوان مثال می‌توان قطارهای متروی زیر‌زمینی، واگن‌های باری برقی و سایر ماشین‌هایی که مبتنی بر باتری کار می‌کنند را نام برد. دفعه بعدی خواستین سوار مترو بشین کمی به سیستم برق مترو دقت کنید.

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.

مدارهای مبدل معروف به چاپر

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.

قطعاتی در یک مدار چاپر

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:

چاپر کاهنده (Step down)

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.

چاپر کاهنده (Step down)

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

چاپر کاهنده (Step down)

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

شکل موجی یک مدار چاپر کاهنده

  • TON ← بازه زمانی‌ای که چاپر در آن روشن است.
  • TOFF ← بازه زمانی‌ای که چاپر در آن خاموش است.
  • VS ← ولتاژ ورودی یا منبع
  • VO ← ولتاژ خروجی یا ولتاژ بار
  • T ← دوره تناوب چاپر (TON + TOFF)

بررسی عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن مقاومتی باشد

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

مطلب پیشنهادی:  عکس هایی از مراحل عملکرد کوره القائی

عملکرد چاپر کاهنده عملکرد چاپر کاهنده

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

عملکرد چاپر کاهنده

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:

نمودار شکل موج ولتاژ و جریان خروجی یک چاپر کاهنده

 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 VO = VS   خواهد بود و با  خاموشی آن VO = 0   می‌شود.

اما در زمان روشنی چاپر داریم:

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

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

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

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.

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

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

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

و پس از آن، از عبارت (i) خواهیم داشت:

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

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

عملکرد چاپر کاهنده در حالتی که بار آن سلفی

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.

مبدل چاپر افزاینده (Boost) مبدل چاپر افزاینده (Boost)

عملکرد چاپر افزاینده:

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

عملکرد چاپر افزاینده عملکرد چاپر افزاینده

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 VS (منبع اصلی) و ولتاژ سلف ، ولتاژ خروجی را می‌سازند.

عملکرد چاپر افزاینده عملکرد چاپر افزاینده

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

عملکرد چاپر افزاینده

در اینجا نیز مانند حالت قبل، چون TON در بازه ی 0 تا T قرار دارد،≤ 1  0≤ D  و به این ترتیب مطابق رابطه بدست آمده، VO 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.

مبدل افزاینده- کاهنده (Buck-Boost)

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

اگر (V) و (VI) را برابر بگذاریم:

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

مطلب پیشنهادی:  دانلود جزوه کنترل صنعتی

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

  • اگر D = 0  باشد ← VO = 0
  • گر D = 0.5  باشد ← VO = VS
  • گر D = 1  باشد ← VO = ∞

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

در بازه ای که D بین 0.5  تا 1  است هم، VO  بین VS 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:

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

قبل از شروع تحلیل های دقیق تر، لازم است چند نکته‌ی پایه‌ای را در مورد ربع های مختلف VO – IO 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.

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

 

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

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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.

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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

VO – IO می‌شود. این مود عملکردی مود ترمزی معکوس گفته می‌شود.

نحوه عملکرد مبدل افزاینده- کاهنده

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 VO – IO قرار دارد و مدار آن را نیز در تصویر زیر می‌بینیم.

زمانی که چاپر روشن است، هم VO ، هم IO  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 VO  مساوی صفر شده و IO  همچنان مثبت است.

مطلب پیشنهادی:  یکسوساز کنترل شده سیلیکونی(SCR)

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 A

چاپر نوع A

چاپر نوع B

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

چاپر نوع B چاپر نوع B

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 VS بزرگ تر است.

زمانی که چاپر روشن است، VO 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 VS است). پس می‌توانیم نتیجه بگیریم که در این نوع همواره  جهت جریان منفی است. اما VO  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.

چاپر نوع C چاپر نوع C

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:

چاپر نوع C

که این مقدار از مقدار VS 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.

دیدگاهتان را بنویسید

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