منبع تغذیه، یک عبارت عمومی برای توصیف مدارهایی است که از یک منبع ولتاژ در دسترس، ولتاژ DC با اندازه ثابت یا کنترل شده تولید میکنند. این ولتاژ DC خروجی در بسیاری از مدارها کاربرد دارد و تأمین آن ضروری است. برای مثال، تراشههای مدار مجتمع (ICها) که در مدارهای الکترونیکی به کار میروند، به یک ولتاژ DC استاندارد با دامنه ثابت نیاز دارند. در این آموزش با منبع تغذیه سوئیچینگ و انواع آن آشنا خواهیم شد.
در حالت کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد:
- منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply)
- منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا SMPS
محبوبترین انواع رگولاتورهای ولتاژ ثابت و خطی در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ خروجی منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ مکمل، دقیق و پایدار بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار میرود.
استفاده از تنظیم کنندهها یا رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به استفاده از مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شدهاند عموماً کارامدتر و سادهتر است.
طیف گستردهای از این رگولاتورهای ولتاژِ سه ترمیناله وجود دارند که درون آنها مدارهای تنظیم ولتاژ و محدود کننده جریان تعبیه شده است. رگولاتورهای خطی متغیری نیز در دسترس هستند که ولتاژ خروجی آنها از صفر تا یک مقدار ماکزیمم مشخص قابل تغییر است.
اغلب منابع تغذیه جریان مستقیم، از یک ترانسفورماتور بزرگ و سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی نیم موج یا تمام موج، یک فیلتر برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی و تعدادی تنظیم کننده یا پایدارساز خطی یا سوئیچینگ برای تضمین تنظیم صحیح ولتاژ خروجی در شرایط تغییر بار تشکیل میشوند. شمای کلی یک منبع تغذیه DC، مطابق شکل زیر است.
در ورودی این منبع تغذیه یک ترانسفورماتور بزرگ بعد از برق ac ورودی وجود دارد. این ترانسفورماتور سبب ایزولاسیون بین ورودی و خروجی میشود.
منبع تغذیه خطی
مدار بخش رگولاتور شکل بالا میتواند فقط یک دیود زنر یا یک رگولاتور خطی سه سر باشد و ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید کند. مزیت رگولاتور خطی این است که در مدار منبع تغذیه فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و تعدادی مقاومت فیدبک برای تنظیم ولتاژ نیاز دارد.
رگولاتورهای ولتاژ خطی یک ترانزیستور سری بین ورودی و خروجی تشکیل میشوند. این ترانزیستور به طور پیوسته جریان را هدایت کرده و رگولاتور یک ولتاژ DC تنظیم شده را تولید میکند. همانگونه که از نام رگولاتور خطی بر میآید در ناحیه خطی مشخصه جریان-ولتاژ کار میکند. بنابراین، ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل است که به صورت پیوسته مقاومتش را با توجه به مقدار ولتاژ خروجی مورد نیاز تغییر میدهد.
شکل زیر مدار یک رگولاتور امیتر فالوئر ساده را نشان میدهد که از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نظر تشکیل شده است.
از آنجایی که مدار یک امیتر فالوئر دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال ولتاژ بایاس DC مناسب به بیس ترانزیستور، یک خروجی پایدار در ترمینال امیتر حاصل میشود.
به دلیل آنکه ترانزیستور بهره جریان دارد، جریان بار خروجی بسیار بزرگتر از جریان بیس خواهد بود. اگر از یک زوج دارلینگتون به جای ترانزیستور استفاده کنیم، این مقدار بهره بیشتر نیز خواهد شد.
همچنین، اگر اندازه ولتاژ ورودی به اندازه کافی باشد، میتوان ولتاژ خروجی را با ولتاژ بیس ترانزیستورها کنترل کرد. برای مثال، در مدار شکل بالا اگر ولتاژ بایاس بیس ۵.۷ ولت باشد، ولتاژ خروجیِ ۵ ولت به بار اعمال خواهد شد، زیرا تقریباً ۰.۷ ولت بین پایههای بیس و امیتر افت ولتاژ وجود دارد. بسته به مقدار ولتاژ بیس، میتوان به هر ولتاژ خروجی دلخواهی برای امیتر دست یافت.
وقتی این مدار رگولاتور ساده کار میکند که ترانزیستور سری آن به طور پیوسته در ناحیه خطی خود (مصرف توان) بایاس شود. در این حالت، توان به فرم گرما تلف میشود. در نتیجه بازدهی آن ضعیف بوده و موجب تولید مداوم گرما خواهد شد.
یکی دیگر از معایب رگولاتورهای خطی ولتاژ این است که حداکثر جریان خروجی پیوسته آنها به چند آمپر محدود است و به همین دلیل در مواردی مورد استفاده قرار میگیرند که در آنها توان کم باشد. وقتی منابع تغذیهای با جریان و توان بیشتر نیاز داشته باشیم، معمولاً از یک رگولاتور سوئیچینگ استفاده میکنیم که در این صورت، منبع تغذیه، «منبع تغذیه سوئیچینگ» (Switch Mode Power Supply) یا SMPS نامیده میشود.
با توجه نقش اساسی منبع تغذیه در سیستمهای الکتریکی، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش عملی ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و شبیه سازی در MATLAB و PSIM در قالب یک آموزش ۹ ساعته کرده که در ادامه متن به آن اشاره شده است.
منبع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPSها به جای منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به کار میروند و مصرف توان، تولید گرما و اندازه و وزن مدار را کاهش میدهند. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها، تقویت کنندههای توان، تلویزیونها، درایو موتورهای dc و… مورد استفاده قرار میگیرند.
طبق تعریف، یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از روشهای سوئیچینگ مبتنی بر نیمههادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مطلوب استفاده میکند. یک مبدل سوئیچینگ پایه از یک بخش سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی مدار به ولتاژ خروجی انجام میدهد که فیلتر خروجی نیز دارد.
مزیت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است. عنصر اصلی در رسیدن به این بازده یک ترانزیستور (یا ماسفت) است که بین دو وضعیت اشباع (ON) و قطع (OFF) سوئیچ میکند و موجب اتلاف توان کمتری میشود. وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً ON باشد و جریان را هدایت کند، افت ولتاژ آن حداقل خواهد بود و هنگامی که کاملاً OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. بنابراین، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایدهآل عمل میکند.
در نتیجه، برخلاف رگولاتورهای خطی که فقط تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام میدهند، یک منبع تغذیه سوئیچینگ میتواند کاهنده، افزاینده و یا وارونگر پلاریته ولتاژ ورودی باشد. سه مدار سوئیچینگ «باک» (Buck)، «بوست» (Boost) و «باک-بوست» (Buck-Boost) که به ترتیب، کاهنده، افزاینده و وارونگر پلاریته ولتاژ هستند، مدارهای پایه منابع تغذیه سوئیچینگ را تشکیل میدهند. تفاوت این مدارها در مکان قرار گرفتن سوئیچ، سلف و خازن خروجی در مدار است.
در اینجا، با مبدلهای سوئیچینگ آشنا میشویم.
Loading...
