منبع تغذیه سوییچینگ

منبع تغذیه

منبع تغذیه سوییچینگ

منبع تغذیه سوییچینگ در سـال ۱۹۷۰ توسـط مهندسـان الکترونیـک مطـرح گردیـد کـه در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجـم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. در طرح های نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که ایـن خـود باعـث کاهش راندمان درحدود ۶۸%می شد. امروزه منابع تغذیه سوییچینگ جایگاه خاصی در صـنعت بـرق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایای زیادی که نسـبت بـه دیگـر منـابع تغذیـه دارا می باشند توجه صنعتگران  و مهندسان برق را به خود معطوف کرده‌اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کاراییها و کیفیت آنهـا تحقیقـات گسـترده ای انجـام داده انـد البتـه نتیجـه ایـن تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در سـاخت ایـ ن سیسـتمها پدیـد آمـده اسـت همچنـین پیشـرفت درتکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوییچینگ داشته است. با پیداش ماسفتهای سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و عمده تلفات در ترانسها خلاصه می شود که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مـدار را تـا حـد MHZ 1 افزایش داده اند.

با پیشرفت الکترونیک و ایجاد حوزه های تخصصی، نیاز به قطعات الکترونیکی و سریع بیشتر و بیشتر شد و رگولاتورها هم ، چون به عنوان منابع تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده می شدند از اهمیت خاصی برخوردار شدند . در حدود ۴۰ سال قبل با پیشرفتی که در زمینه منابع تغذیه صورت گرفت ، رگولاتورهای سوئیچینگ پا به عرصه وجود گذاشتند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل یافتند و میتوان گفت اینگونه منابع، نقش بسزایی در پیشرفت صنعت الکترونیک داشته اند

چگونگی عملکرد رگولاتورهای سوییچینگ

رگولاتورها قطعات بسیار مهمی هستند که میتوان از آنها برای تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد. سوییچینگ رگولاتورها به دو نوع عمده تقسیم میشوند که عبارتند از : ۱- خطی در گذشته از رگولاتورهای خطی به وفور استفاده میشد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشتند به تدریج منسوخ شده و جای خود را به رگولاتورهای سوییچینگ دادند. این منابع از اوایل دههی ۱۹۷۰ همزمان با عرضهی ترانزیستور های قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کردند. امروزه این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند ولتاژ ورودییا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته اند. برای انتخاب بینیک منبع تغذیه سوییچینگ یا خطی میتوان براساس کاربرد آنها اقدام نمود که دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند و براین اساس یکی از این دو را انتخاب میکنیم و همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو میتواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربرهایی که یکی از آنها بر دیگری برتری دارد. در زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوییچینگ را بررسی میکنیم

مزایا و معایب رگولاتورهای خطی

مزایای رگولاتورهای خطی عبارتند از :

  • سادگی مدار (طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی، به راحتی پایدار میشود.
  •  قابلیت تحمل بار زیاد، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه.
  •  – برای توانهای کمتر از ۱۰ وات، ارزانتر از مدارهای مشابه سوییچینگ تمام میشود.

معایب رگولاتورهای خطی عبارتند از :

  • تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودی باید حداقل ۲ تا ۳ ولت بیشتر از خروجی باشد
  • قابلیت انعطاف کم و افزون هر خروجی به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافی است
  • بهره کم و در حدود ۳۰ %تا ۴۰ %میباشد. این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت مینماید و نیاز به ترانزیستور قویتری تا حدود ۱۵ وات است، روش های معمول میباشد  مفید است، ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار – راندمان مدار هنگامی خوب است که مقدار ولتاژ خروجی، به ولتاژ ورودی نزدیک باشد.

مزایا و معایب رگولاتورهای سوییچینگ :

– مزایای منابع سوییچینگ عبارتند از :

  • افزایش راندمان در حدود ۶۸ %تا ۹۰ %و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع و ترانزیستور را به انتخاب حرارت گیریا خنک کننده 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 دیگری را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام میشود
  • به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژی میتوانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند

– معایب منابع سوییچینگ عبارتند از :

  • طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
  • نویز قابل ملاحظه ای 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.

تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدی و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی بهتر قابل بهبود میباشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوییچینگ بحث شد و از مطالب فوق میتوان نتیجه گرفت که این منابع حوزه های کاری مشخصی را دارند که عموماً برای مدارهای با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطریهای قابل حمل، تغذیه سوییچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم، منابع خطی ارزانتر و بهترند.

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 نیمه هادی خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضا زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان میباشد.

دلیل این امر هم، همانطور که در ابتدای بحث رگولاتورهای خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است

اما یک رگولاتور سوییچینگ را میتوان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که دریک منبع از نوع سوییچینگ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموشی اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام میگیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است.

 دلیل نامگذاری این منابع به نامهای خطی و سوییچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.

 انواع منابع تغذیه سوییچینگ

منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند

  • فوروارد Forward –
  • فلای بک Flyback

با وجود شباهت های فراوان، تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد. نحوهی عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کنندهی 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 جای خود را به ترانس میدهد)

منبع : منابع تغذیه سوییچینگ رضا زمانیان ۱۳۹۲

اشتراک گذاری این نوشته

پاسخی بگذارید