دانلود مقاله منابع تغذیه سوئیچینگ و خطی

انتخاب بین یک منبع تغذیه خطی یا سوییچینگ می¬تواند بر اساس کاربرد آنها انجام شود.

هر یک مشخصات مزایا و معایب خاص خود را دارند همچنین حوزه¬های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو نوع می¬تواند مورد استفاده قرار گیرند و یا کاربردهایی که یکی از بر دیگری برتری دارد.

مزایای منابع تغذیه خطی:
1- نخست سادگی (طرح مدار بسیار ساده است و با قطعات کمی به راحتی پایدار می¬شود).

2- دوم قابلیت تحمل بار زیاد نویز ناچیز یا کم در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
3- برای توان¬های کمتر از w10 ارزانتر از مدارهای مشابه سوییچینگ تمام می¬شود.

معایب منابع تغذیه خطی (معایب این گونه منابع به طور کلی قابل رفع نیستند ولی به کمک طراحی بهتر قابل کاهش می¬باشند).

1- نخست آنکه تنها به صورت یک رگولاتور کاهنده قابل کاربرد هستند (ورودی باید حداقل 2 یا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد).

2- عدم انعطاف پذیری تغذیه، افزودن هر خروجی مستلزم اضافه کردن سخت افزار زیادی است.

3- بهره متوسط چنین منابعی کم و نوعاً 30% تا 40% است.

این تلفات توان درترانزیستور خروجی تولید حرارت می¬کند و نیاز به ترانزیستور قویتری را مطرح می¬کند، تا حدود w15 روشهای معمول مفید است ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار وجود دارد.

تمامی این معایب در تغذیه¬های سوییچینگ رفع شده است، که عبارتند از:
1- افزایش راندمان به حدود 68% تا 90% کارکرد ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منجر شده است.

2- به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC، در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می¬شود، تأمین می¬گردد.

لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می¬توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقام مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می¬شود.

به علاوه به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا KHz60 اجزاء ذخیره کننده انرژی می¬تواند خیلی کوچکتر انتخاب شوند.

3- برخلاف منابع خطی، در توان¬های بالا قابل استفاده هستند.

همه این موارد به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره¬دهی و انعطاف پذیری منجر می¬شود.

معایب این منابع ناچیز بوده، و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می¬باشد.

اولاً طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.

دوماً نویز قابل ملاحظه¬ای از آنها به محیط انتشار می¬یابد و این اشکالی است که نباید در مرحله طراحی نادیده گرفته شود.

و با کمک فیلتر و محافظ به نحو چشمگیری کاهش می¬یابد.

سوماً به دلیل ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژ DC استوار است، زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد است، این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ ناپایدار نامیده می¬شود.

تمامی این موارد در جهت کاهش کارآمدی انعطاف پذیری و افزایش قیمت هستند ولی با طراحی بهتر قابل بهبود می¬باشند.

البته هر یک از این منابع حوزه¬های کاری خود را دارند، عموماً برای مدارهای با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری¬های قابل حمل تغذیه سوییچینگ برتری دارد، ولی برای ولتاژهای ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و ارجح هستند.

کارکرد منبع تغذیه سوییچینگ
اگر یک رگولاتر سوییچینگ (منابع تغذیه سوییچینگ گاهی رگولاتور سوییچینگ هم نامیده می-شوند) به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته شود در این صورت با یک منبع خطی تفاوتی ندارد.

ولی رگولاتور خطی بر اساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی به وسیله یک نیمه¬هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد هم هست و مهمترین عامل پایین بودن راندمان می¬باشد.

دلیل این امر هم کارکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ دوسر سوییچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.

در حالی که در یک منبع از نوع سوییچنیگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد تراتزیستور خروجی انجام می¬گیرد.

به دلیل کارکرد تراتزیستور 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 همین حالات کارکرد عنصر نیمه هادی است.

منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند: فوروارد forward فلای بک flyback با وجود شباهتهای فراوان تفاوتهای متمایز کنندهای هم وجود دارد.

نحوه عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است.

عناصر اصلی هر یک از انواع این منابع عبارتند از: یک منبع سوییچ جهت تهیهه موج PWM القاگر (در مورد منابع پیشرفته تر القاگر جای خود را به ترانس میدهد).

سوییچ قدرت یکسو کننده خازن ذخیره کننده انرژی در خروجی شبکههای حس کننده و عمل کننده باز خورد 1-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل زیر است.

سوییچ قدرت امکان دارد یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET باشد.

همچنین امکان وجود یک ترانسفورمر به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد.

(اولیه این ترانس جای القاگر را میگیرد و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه میکند).

القاگر یک عنصر ذخیره کننده انرژی است.

و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار میباشد.

همان طوری که هنگامی که پیستون انرژی ندارد انرژی از سوی چرخ طیار تأمین میشود و در چرخه بعدی پیستون به مجموعه چرخ طیار انرژی میدهد؛ هنگامی که سوییچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین میشود و در چرخه بعدی با بسته شدن سوییچ القاگر مجدداً توسط منبع Vin انرژی دار میشود.

هر دوره کاری از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است.

T1 هنگامی که سوییچ بسته است جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و بار قرار میگیرد در این حالت دیود خاموش است سپس t2 سوییچ باز میشود در این هنگام جریان القاگر، فیلتر و بار از طریق دیود تأمین میگردد.

و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه مییابد.

DC سوییچ، متوسط ولتاژ خروجی را کنترل میکند (عملاً 5% تا 95%).

(رابطه 1-2) چنین منابعی ولتاژی با پلاریته مخالف یا بزرگتر از ولتاژ ورودی نمیتوانند تولید کنند.

2-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک مدارهای فلای بک از آرایش کلی در شکل 2-2 پیروی میکنند.

(رابطه 2-2) با روشن شدن سوییچ قدرت القاگر از طریق منبع پرانرژی میگردد با خاموش شدن آن جریان بار از طریق دیود القاگر و تغذیه ادامه مییابد تحت حداقل ولتاژ کاری D.C به 50% میرسد و Tflbk برابر کل دوره کاری منهای Ton میشود.

علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلای بک و فوروارد تفاوت عمده این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است در این زمان: در مدار فوروارد تغذیه بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام میشود.

منبع تغذیه سوییچینگ نمونه طرح زیر طرح کلی یک منبع تغذیه سوییچینگ نمونه را به همراه شکل موجهای آن نشان میدهند.

توضیح مختصری درباره هر قسمت داده شده است، 1-3: فیلتر EMI این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را میسازند تشکیل شده است.

دو وظیفه عمده این بخش عبارتند از: * ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوییچینگ به خط تغذیه اصلی Vin.

* و دیگری جلوگیری از ورود اسپایک های موجود در تغذیه Vin به مدار.

فرکانس قطع این فیلتر نباید از 2 تا 3 برابر فرکانس کار تغذیه بیشتر باشد.

2-3: خازن انباره فیلتر ورودی این یک خازن بزرگ است که وظیفه ذخیره انرژی را بر عهده دارد و حداقل مرکب از دو خازن است.

یک خاز الکترولیت یا تانتالیوم برای مؤلفههای جریان در فرکانس تغذیه سوییچینگ و یک خازن سرامیک برای مؤلفههای هارمونیک فرکانسی سوییچینگ.

به این دلیل که مسیرهای سیم کشی یا مدار چاپی امکان دارد طولانی باشند و امپدانس زیادی را از خود نشان دهند (هنگام عبور مؤلفههای بالای جریان) برای حفظ پایداری مدار و تأمین مؤلفههای جریان فوق الذکر وجود این دو خازن ضروری است.

مقدار این دو خازن باید به گونهای باشد که در فرکانس 3 برابر فرکانس تغذیه، امپدانس ناچیزی را از خود نشان دهند.

3-3: ترانسفورمر این قسمت علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را هم بر عهده دارد.

تغییر در سطح ولتاژ با تغییر نسبی تعداد دور اولیه و ثانویه انجام میشود ولی اگر طرح ترانس درست نباشد پایداری مدار و ضرایب اطمینان نیمههای متأثر میشود.

4-3: سوییچ قدرت معمولاً ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET استفاده میشود، که در دو حالت کاملاً روشن یا خاموش کار میکنند کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر زمان روشن و خاموش اینها انجام میگیرد.

آسیب پذیرترین قسمت مدار اینجاست و اگر هر قسمت دیگری عمل نکند اولین جایی که آسیب میبیند این قسمت خواهد بود.

5-3: یکسوکننده خروجی وظیفه یکسوسازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد در مواردی که بعداً بررسی میشود باید از دیودهای سریع و حتی خیلی سریع استفاده شود.

6-3: بخش فیلتر خروجی وظیفه ذخیره انرژی در زمان وشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور بر عهده دارد و مانند چرخ طیار انرژی را در زمان on (روشن) تحویل گرفته و در هنگام off (خاموش) به بار تحویل میدهد.

تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره میشود.

7-3: عنصر حسن کننده جریان روشی که در اینجا نشان داده شده است تنها یک راه حس جریان است، هدف تولید یک ولتاژ متناسب با جریان خروجی است سپس این ولتاژ تقویت شده و جهت کنترل جریان به هر روشی به کار میرود.

8-3: عنصر بازخورد ولتاژ از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده میشود.

روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمیشود، این راه حلی معمولی است.

9-3: بخش کنترل وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالسهای PWM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده میشود.

9-3: بخش کنترل وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالسهای PVM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راهاندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح میشوند و هنگامی که Vout کم است امکان آسیب رسیدن به بخشهایی از مدار هست عبور از مرحله گذرا و نیل به حالت پایدار بدون آسیب دیدن هیچ قسمتی را راه اندازی نرم مینامند).

متمرکز شده است و از بخشهای: مولد موج، مقایسه گر با پالسهای ramp، تقویت کنندههای خطا و مرجع ولتاژ ...

تشکیل یافته است.) 1-4: عوامل مؤثر در طرحی یک منبع تغذیه جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایشهای مختلف، قابلیتها و محدودیتهای آنها وجود دارد.

پنج عامل متمایز کننده آرایشها به قرار زیر هستند: 1- حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمههادی قدرت است.

2- مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد (یا ولتاژ ورودی).

3- بخشی از منحنی مغناطیسی B.H (مربوط به هستهای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره میکند) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.

4- ایزولاسیون ورودی از بار که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین میکند، و این اجازه را به طراح میدهد که خروجیهای متعددی را به راحتی اضافه کند.

همچنین برحسب تقاضا میتواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی به کار رود (این نیازمندیها توسط شرایط متقاضی تحمیل میشوند).

5- قیمت و قابلیت اطمینان، طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تأثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.

در آغاز مرحله با توجه به یک سری فرضیات به طور تقریبی به سؤالات زیر باید پاسخ داد.

بدین ترتیب در زمان و هزینه طرح و ساخت صرفه جویی ملاحظهای میشود.

انتخاب اولیه نیمههادی قدرت انتخاب اولیه بهترین آرایش ممکن پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه کاربرد نیمه هادی های قدرت در منابع تغذیه سوییچینگ کشف و ترویج نیمه هادی قدرت در دهه 1930 نقطه عطفی در طرح منابع سوییچینگ به شمار میآید نیمه هادیها مزایای فراوانی را در زمینههای سرعت اندازه وزن و راحتی استفاده ....

به طراح میدهند.

علی رغم پیشرفت تکنولوژی نیمه هادیها هنوز هم این بخش آسیب پذیرترین جزء در طرح تغذیه سوییچینگ میباشد.

و لذا برای یک طرح خوب نه تنها نیاز به دانستن اطلاعات خوب و کافی از قطعات ضروری است بلکه شناخت نقاط ضعف نیز ضرورت دارد.

کاربرد نیمههادیها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوییچینگ بر عهده دارد.

1-5: ترانزیستور قدرت دو قطبی BJT این ترانزیستورها از زمان ظهور نیمه هادی در منابع تغذیه سوییچینگ به کار گرفته شدند.

و هنوز هم طیف وسیعی از کاربرد را دارند پیش از ساخت بهبود و استفاده از MOSFET های قدرت، اینها اجزای هدایت شونده با جریان هستند یعنی اینکه نیاز به هدایت جریان در بیس آنها برای جاری ساختن جریان از کلکتور به امیتر وجود دارد.

در ناحیه خطی کار ترانزیستور رابطه: (1-5) برقرار است.

در حالت سوییچینگ ترانزیستور در حالت اشباع یا نزدیک به آن کار میکند و رابطه فوق به این صورت در میآید: (2-5) (یا Bsat کمتر از B ناحیه خطی است).

بدین معنی که برای به اشباع بردن و ماندن در آن نیاز به جریان بیشتری برای بیس وجود دارد (برای VCE حداقل و تلفات کمتر).

لذا طراح باید بدترین حالت یعنی Bmin حداقل و حداکثر جریان کلکتور را در نظر بگیرد.

عوامل مؤثر در این جریان: امپدانس مؤثر دیده شده از سوی کلکتور، ولتاژ ورودی حداکثر دوره هدایت و بار این روش معمولی هدایت بیس تحت نام بایاس ثابت میباشد.

جریان نسبتاً زیاد بیس میتواند برای طراح مسئله ساز باشد (مشخصاً برای جایی که میخواهد جریان را تأمین کند).

اگر از خط ورودی اخذ شود تلفات (VinIb) میتواند کاملاً زیاد باشد.

اگر قرار باشد بیس توسط ولتاژ ورودی بالا هدایت شود در ازای تلفات هدایت بیسV b.ib) باید مقادیر متنابهی توان هم جهت رساندن این توان به بیس صرف گردد (VinIb).

در صورتی که از کوپلاژ ترانسفور مری استفاده شود تلفات مذکور کاهش قابل ملاحظهای پیدا میکند، اشکال این کار افزایش زیاد زمان خاموش سازی ترانزیستور در رابطه با درجه فرو رفتن در حالت هدایت فوق العاده است.

راهحل استفاده از روش هدایت نسبی بیس میباشد (شکل 1-5) در یک طرح غیر بهینه تلفات بیس تا 40% کل تلفات میتواند افزایش یابد.

طرح دیگر هدایت نسبی بیس است، به به کاربردن یک ترانزیستور هدایت کننده جریان کلکتور به داخل بیس جریان کافی برای در اشباع نگاه داشتن بیس تأمین میشود.

و به خاطر اینکه این جریان از یک سیم پیچ ولتاژ پایین تأمین میشود تلفات و زمانهای گذرا کوتاه است.

ترانزیستورهای دو قطبی خیلی کندتر از MOSFET هستند به علاوه خیلی تحت تأثیر روش هدایت بیس قرار دارند (شکل 2-5).

در روش هدایت بیس با ولتاژ ثابت سرعت سوییچ در محدوده nsec10 تاsec 5/1 است.

سرعت سوییچ اثر مستقیمی در تلفات سوییچ دارد و این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس کاری مدار دارد.

2-5: MOSFETهای قدرت MOSFETهای قدرت به عنوان سوییچ های سریع شناخته شدهاند.

تکنولوژی MOSFET های قدرت امروزه خیلی توسعه یافته است و تقریباً بیش از ده بار سریعتر از سوییچهای BIT هستند (تحت شرایط کاری یکسان).

به علاوه ولتاژ اشباع در مقایسه با ترانزیستورهای دو قطبی خیلی کمتر است که همه اینها MOSFETهای قدرت را برای اغلب کاربردها بهترین انتخاب کرده است.

MOSFETهای قدرت اجزاء هدایت شونده با ولتاژ گیت هستند و جریان متوسط خیلی کمتری در مقایسه با BJTها نیاز دارند برای اغلب MOSFETها ولتاژ هدایت گیت باید برای اشباع درین به سورس به V10 برسد (که این خود در مقایسه با VBE مربوط به BJTها که v7 است یک مزیت محسوب میشود از این جهت که نیاز به کاهش ولتاژ و تلفات ناخواسته نمیباشد) گیت یک MOSFET مانند خازنی با ظرفیت 900 تا PF 2000 رفتار میکند در حالت DC جریان چند نانوآمپر برای کار و اشباع کافی است ولی در حالت عملکرد AC جریان به طرز قابل ملاحظهای افزایش مییابد و این بدان معناست که مدار راه انداز باید امپدانس خیلی کوچکی داشته باشد.

به مانند درایور totem pole شکل 5-5 درایو فوق باید توان ارائه پیکهای بزرگ جریان را داشته باشد.

یک راه انداز خوب برای 30 تا ns50 به راحتی کار میکند در بعضی موارد شاید نیاز به کاهش سرعت سوییچ باشد این کار با افزودن یک مقاومت سری به گیت انجام میشود.

که این کار توانایی کنترل بهتری را به طراح میدهد.

توصیه نمیشود که دوره کار طولانی تر از 1 انتخاب شود (به دلیل بروز تلفات بیش از حد و مشکل حرارتی).

ساختار فیزیکی MOSFETها آنها را برای مقاصد سوییچینگ ایده آل کرده است نخستین آسودگی خاطر طراح آن است که آنها با مشکل شکست ثانویه و ازدحام جریان روبرو نیستند ولی تلفات سوییچینگ کماکان قطعه را گرم میکند.

توزیع جریان الگوی خاصی خود را دارد MOSFETهای قدرت قطعاتی با نواحی کاری ایمن مستقیم و معکوس COSA و RBSOA هستند.

3-5: یکسوکنندهها یکسوکنندهها دارای نقشی بحرانی در منابع تغذیه سوییچینگ میباشند.

و به دلیل آنکه وسایط دوسیمه هستند راهی جز انتخاب بهترین و مناسبترین دیود باقی نمیماند.

پارامترهای مهم در انتخاب یکسوکنندهها در ارتباط با منابع تغذیه شامل موارد زیر میباشند.

1- افت ولتاژ مستقیم: ولتاژی است که هنگام عبور جریان مستقیم از دیود وجود دارد و در کیفیت کاری دیو مؤثر است.

2- زمان احیای معکوس: این زمان برای خاموش شدن دیود بعد از آنکه ولتاژ مستقیم از روی آن برداشته شد برای توقف جریان در دیود لازم است.

برای توقف جریان در دیود بعد از آنکه یک ولتاژ معکوس بزرگ روی دیوار اعمال شود زمان مشخصی صرف میشود.

واضح است که Trr بزرگتر، تلفات بیشتری را به همراه دارد.

3- زمان احیای مستقیم: (که معمولاً توسط تولید کنندگان بیان نمیشود) زمان لازم برای شروع به هدایت دیود، بعد از اعمال ولتاژ مستقیم به دیود است.

(در زمان کوتاهتر اسپایکهای کمتری رخ میدهد.

هنگامی که القاگر و ترانسفورماتور در حالت خاموشی دیود بی بار میشوند).

4- ولتاژ بلوک کننده معکوس: این ولتاژی است که قطعه میتواند پیش از شکسته شدن پیوندش به صورت معکوس تحمل کند.

در تعیین این ولتاژ در طراحی علاوه بر حداکثر ولتاژ اعمالی اسپایکهای احتمالی را هم باید در نظر گرفت.

چهار نوع یکسو کننده موجود بر اساس پارامترهای فوق در شکل 9-5 فهرست شدهاند.

مدار معادل یک دیود واقعی و زمانهای مهم نیز در دیود در شکل 8-5 نشان داده شده است.

پارامترهای مهم انواع دیودهای موجود در جدول موجود در شکل 9-5 به منظور مقایسه گردهم آمدهاند.

1- یکسوساز شاتکی: این نوع دیود کمترین افت هدایت را در میان همه انواع دیودها دارد.

و زمان هدایت معکوس Trr آن صفر است.

نقطه ضعف آن ولتاژ قابل تحمل کم (حدود V100) و جریان اشباع معکوس زیاد آن است.

به منظور استفاده در کاربردهای ولتاژ کم و جریان زیاد مناسب است.

2- یکسوساز با زمان بازیافت Trr فوق سریع: این نوع یکسوسازها ولتاژها هدایت قابل ملاحظهای دارند.

(حدود V9/.) زمان Trr حدود 35 تا nsec50 و به علاوه ولتاژ شکست معکوس آنها بیش از V1000 است.

3- دیودهای سریع: این گونه دیودها افت ولتاژ مستقیم بیشتر و زمان احیاء معکوس Trr نسبتاً طولانی تری در مقایسه با دیودهای فوق سریع دارند (nsec200 و 47/1).

ارزانتر از دیودهای فوق سریع میباشند اگر کیفیت فوق العاده مطرح نباشد انتخاب خوبی هستند.

4- یکسو کنندههای معمولی: اینها در طرح منابع تغذیه سوییچینگ کاربردی ندارند تنها در یکسو سازی Hz60 و 50 به کار میروند.

حفاظت حفاظت تغذیه و بار از خط ورودی تحویل توان درخواستی به بار تنها نیمی از وظیفه یک منبع تغذیه را تشکیل میدهد.

و طراح خود را مجبور به در نظر گرفتن همه حالات نمیداند، و تنها حالات بی خطر هستند که خوب فهمیده میشوند.

این حالات مجموعاً 99/99% کل حالات ممکن را تشکیل میدهند ولی درباره کسر کوچک باقیمانده چطور، و همین درصد کوچک چیزی است که کابوس خلق میکند.

اینها شرایط کاری معکوس هستند و خطای اینها به ندرت رخ میدهد، ولی هنگامی که اتفاق میافتد کسی دوست ندارد آنها را فراموش کند.

98% زمان کاری یک طراح تنها برای 2% انتهایی صرف میشود.

و این هنگامی است که شرایط معکوس کاری رخ میدهد و چنان که طراحی درست انجام نشده باشد معمولاً شرایط مصیبت باری را به همراه میآورد، که مسئولیت درست یا غلط آن بر عهده طراح است.

به فرض اینکه منبع تغذیه کاملاً محافظه کارانه طرح شده است در این حالت هر قطعه در زیر نرخ ماکزیممم آن کار میکند.

در شرایطی که حالاتی خاص همانند ورودی معکوس یا خروجی اتصال کوتاه رخ دهد نیاز به طراحی مجدد و یا بازنگری به طرح حس میشود.

شرایط معکوس کاری خط AC ورودی این شرایط نشان میدهد که طرح باید بعضی چیزها را پیرامون طبیعت سیستم قدرت ورودی بداند.

در یک سیستم توضیح قدرت محلی، جایی که انرژی توزیع میشود عمده ترین شرایط کاری معکوس عبارتند از: افت خط، اتصالی خروجی و حالات گذرا.

هر یک از این حالات میتوانند به تنهایی موجب بروز خطا بشوند.

افت خطAC AC Line Dropout)) این حالت هنگامی رخ میدهد که یک موتور AC سنگین در کارخانه یا خانه روشن شود.

جریان راه انداز و نشتی موتور نمیتواند از طریق سیستم سیم کشی تأمین گردد.

اگر در سیستم برق هواپیما و یا یک سیستم بدون وقفه (UPS) چنین اتفاقی بیفتد مشکلات جدی ایجاد خواهد کرد، در این حالت ممکن است برای یک یا بیش از یک چرخه ولتاژ AC ناپدید شود و سپس به صورت ناگهانی بازگردد.

تغذیه باید به یک خازن بزرگ bulk برای تحمل این حالت مجهز باشد که اجازه ادامه کار را در این شرایط به مدار بدهد.

اگر تغذیه تصمیم به شروع مجدد به کار در این حالت بگیرد در این صورت ممکن است با ولتاژ خیلی کمی مواجه شود و در این حالت برای تضمین عملکرد صحیح مدار، باید بتواند از حالت کاملاً سرد شروع به کار کند.

حالت سوخت خارجی (Brownout Conditions) این حالت هنگامی اتفاق میافتد که ولتاژ خط ورودی به مقداری پایین تر از حداقل مجاز کاهش یابد.

اگر مدار اجازه ادامه کار را در این شرایط داشته باشد.

به صورت مشابه خروجی از تنظیم خارج خواهد شد (مثلاً در یک ولتاژ کمتر) که متعاقب آن موجب کارکرد بار ولتاژی کمتر از حد مجاز میشود که این هم به نوبه خود پیامدهای ویرانگری را به همراه دارد.

به علاوه کارکرد سوییچ های قدرت در ولتاژی کمتر از حد مجاز موجب کشیدن جریان غیر مجاز از سوییچها شده و به آنها آسیب میرساند.

ولازم است مدار در مقابل هر دوی شرایط فوق الذکر حفاظت شود.

نشتی و حالت گذرا (Surges and Transients) در بسیاری از شرایط شرایط ولتاژ AC از حداکثر مجاز بالاتر میرود که موجب کارکردن در محدوده بیشتر از حد مجاز کاری میشود این حالت میتواند بعداً موجب سوخت قطعات بشود.

این گونه شرایط نوعاً توسط ولتاژهای القایی ناشی از رعد و برقهای بزرگ و سریع و یا بارهای القایی بزرگ همانند موتورها ایجاد میشود.

راه حل محدود کردن ورودی به مقدار مجاز است که تغذیه با این ولتاژهای ویرانگر روبرو نشود و این به معنای آن است که تجربه کوچکی کار بزرگی میکند.

برشگر را نمیتوان مستقیماً در خط ورودی قرار داد، انرژی موجود دراین تموجات خیلی زیاد است و وسیلهای که باید این انرژی را حمل کند خواهد سوخت (اتصال کوتاه) و انرژی وارد سیستم میشود.

بهترین راه حل قراردادن امپدانس کوچکی به صورت سری بین خط و مدار برشگر است.

فیلتر ورودی EMI راه حل کامل این مشکل میباشد، چنان که مقاومت متغیر بعد از فیلتر EMI قرار گیرد.

انرژی به سلامت میتواند بین القاگر و خازن ذخیره شود در این صورت مقدار انرژی لحظهای کم و همه چیز در حد مجاز خواهد بود.

حالات ورودی DC مغایر تغذیه DC هم بعضی حالات مشابه خط AC را دارد.

دراین حالت سیستم قدرت ممکن است مرکب از باطری، ژنراتور و یا مبدل AC به DC باشد.

حالات کاری مغایر تنها ولتاژهای بالاتر و پایین تر از محدوده مجاز هستند.

ژنراتور و سیستم باطری به کار رفته در ماشین و یا هواپیما شرایط خصمانه تری را به نمایش میگذارند این حالت شامل حداقل و حداکثر ولتاژ کاری و نشتی ولتاژ هستند.

در طی پروسه طرح این گونه منابع، احتیاطهای ویژهای باید اعمال گردند.

معمولاً مسیرهای سیم کاملاً مجزا در کنار یکدیگر قرار دارند و اتصالی در هر یک سریعاً به سایرین انتقال مییابد.

حالت ولتاژ کم (Undervoltage Conditions) این حالت از یک اتصال در منبع قدرت یا سیستم توزیع قدرت ناشی میشود (در یک مبدل قدرت AC به DC این حالت از یک اتصالی در خود تغذیه و یا بار میتواند ناشی شود.) این حالت منجر به رفتن تغذیه به حالت فولدبک میگردد.

و این حالت بدترین حالت ممکن است و در مواردی که از ژنراتور و باتری استفاده میشود باعث میگردد که تغذیه تنها به وسیله باطری به کار ادامه دهد.

طراحان منابع تغذیه مجبور هستند که تصمیم بگیرند که مدارشان تحت چه مقدار ولتاژ کمتر از حداقل ولتاژ کاری کماکان باید به کار ادامه بدهد.

در مبدل bulk ممکن است تنها ممانعت از ادامه کار مدار در کمتر از حداقل مشخص شده لازم باشد.

اما در مولد مجهز به باطری یا ژنراتور که نیاز به عملکرد طولانی و بدون وقفه است ممکن است توقف کار مدار غیر ممکن باشد در حالت ورودی کم مقدار جریان مورد نیاز بار آشکار افزایش مییابد که این سوییچ قدرت و ترانسفورمر را گرم میکند و به آن سوی سطوح مجاز هدایت میکند.

ادامه کار مدار در چنین شرایطی به آسیب دیدن قطعات و به ویژه سوییچ قدرت منجر میشود که باید از این کار جلوگیری شود.

حالت ولتاژ فوق العاده زیاد (UvervoItage Conditions) این حالت هنگامی که یک اتصالی (خرابی) در منبع قدرت رخ دهد ایجاد میشود.

طرح باید با مشخصات منبع تغذیه آشنا باشد و طرح خود را سازگار با آن انجام دهد.

یک راه حل استفاده از رگولاتور خطی است.

به دلیل اینکه این حالت میتواند به طول بینجامد transorb های مطرح شده برای گرفتن تموجات ناگهانی هیچ کمکی نخواهند کرد.

افت خروجی (Line Dropout) این حالت به وسیله رلههایی که وظیفه سوییچ منبع قدرت و یا باطری را بر عهده دارند ایجاد میشود.

افت خط نوعاً در bus ولتاژ هواپیما و سیستم UPS ایجاد میشود که ناپدید شدن ولتاژ ورودی برای یک دوره زمانی کوتاه است به منظور طرح سیستمی که بتواند با بدترین شرایط کار کند.

لازم است مجموعهای از یکسو کنندهها مابین خط ورودی و خان فیلتر bulk جهت ممانعت از دست رفتن بر عکس شارژ به داخل خط تغذیه در طی زمان افت خط اضافه شود.

تموج (Surges) حالت تموج و گذرا در ژنراتور و انواع سیستمهای تغذیه باطری هنگامی رخ میدهد که بار سنگین خاموش شود.

در این حالت موارد نمیتواند به سرعت کافی پاسخ دهد.

در صنعت این حالت به نام load dump نامیده میشود این حالت میتواند تا چند میلی ثانیه ادامه یابد و به 5 تا 6 برابر ولتاژ مشخص شده برای bus هم برسد این حالت در رسیدن به آنچه transorbها میتوانند تحمل کند مؤثر است.

نوعاً یک فیلتر EMI میتواند این کار را انجام دهد یک تمرین خوب برای طراح این قسمت طرح فیلتری با توان تحمل ولتاژی بالاتر از ولتاژ تموج پیش بینی شده است.

2-8: حفاظت از بار در مقابل تغذیه و خودش به دلیل آنکه ممکن است بار خیلی گرانقیمت باشد حفاظت از آن از اولویت بسیار بالایی برخوردار است.

این بدان معناست که طراح باید یک راه برای حفاظت از بار در مقابل اتصال کوتاه بار و تغذیه در پیش بگیرد.

و برای تحقق این هدف طراح باید با حدود آسیب پذیری بارها و طبیعت اتصال کوتاه آنها آشنا باشد (شناخت آسیب پذیری بار و روشها جبران آن الزامی است) انواع ایرهایی که در خروجی یک منبع تغذیه ممکن است رخ دهد عبارتند از ولتاژ و جریان فوق العاده.

جریان فوق العاده اساساً هنگام بروز اتصال کوتاه در خروجی رخ میدهد در حالی که ولتاژ فوق العاده به دلایلی همچون اختلال در عملکرد تغذیه شبکه و ....

میتواند ناشی شود.

حفاظت در مقابل این ایرادات به سه گروه عمده عملیات منجر میشود.

1- تعمیر و جایگزینی: بر طبق این ایده یک قطعه قربانی برای مواقع اتصالی در طرح پیش بینی میشود و پس از وقوع هر اتصالی باید تغییر (تعویض) شوند.

این قطعات شامل: فیوز، دیودزنر ...

میشوند.

2- مدارهای حفاظتی فعال شونده: در صورت بروز اتصالی این گونه مدارها درصد جریان زیادی و یا اتصالی را توسط یک حسگر داخلی میسنجند و مطابق با آن خروجی را کاهش میدهند و هنگام رفع اتصالی آن را برطرف میکنند، مدارهای فولدبک جریان زیادی مثالهایی از این مدارها هستند.

3- روشن و خاموش کردن قدرت و تغییر چرخه کاری: این مدارها بر مبنای حس یک اتصال کوتاه عمل قطع قدرت خروجی را انجام میدهند.(اپراتور باید مجدداً اینها را وصل کند).

در یک طرح خوب این حفاظتها پشت سر هم قرار میگیرند، اولین نتیجه این کار پیچیدگی طرح است ولی درجه بالاتری از حفاظت را ارائه میدهد.

یک راه حفاظت وجود دارد که هنگامی که سایر روشها به کار نمیآیند میتواند مفید باشد آنهم استفاده از فیوز: است.

روشهای اجرای سخت افزاری حفاظت در برابر ولتاژ اضافی دیود زنر (Zener Diode) دیود زنر یکی از ارزانترین راههای قابل اجرا در مقابل اضافه ولتاژ است.

دیودهای زنر در مقابل عبور 10 تا 20 برابر جریان نامی خود برای مدت کوتاه بدون آسیب دیدگی مقاوم هستند.

به علاوه به عنوان یک برشگر ولتاژ میتوانند به کار بروند و هنگامی که دیود میسوزد به صورت اتصال کوتاه در میآید.

و در این صورت بار هیچگاه با ولتاژ غیر مجاز روبرو نمیشود، هزینه تعویض دیود خیلی کمتری از بار است تنها احتمال تولرانس دیودهای زِنر است راه حل انتخاب دیود با تولرانس کمتر است.

تا اینکه بار هیچگاه با ولتاژ مرگباری روبرو نشود.

اهرم ولتاژی فوق العاده (The Overvoltage) این طرح اساساً یک مقایسهگر ولتاژ تعقیب شونده به وسیله یک SCR است.

هنگامی که ولتاژ از یک سطح آستانه تجاوز کند، در این حالت SCR خروجی فعال میشود.

وبا روشن شدن SCR خروجی به زمین وصل شده و تغذیه وارد حالت کاری فولدبک میشود.

(یعنی اینکه فیوز میسوزد یا تغذیه خاموش میشود) نقطه ضعف این مدار دقت کرد در ولتاژ آستانه و حساسیت به نویز میباشد که موجب میشود مدار به صورت غیر دقیق آتش شود.

طرح یک منبع kHz100 و W50 از نوع Off-line مشخصات طرح 240 V RMS تا 205:130V تا 90 محدوده ولتاژ ورودی = خروجیها حداکثر ولتاژ رایپل مجاز خروجی: برای v5+ و برای v12 برابر mv 100 است.

دی الکتریک مورد نیاز جهت روبرو شدن با نیازمندیهای VDE عبارت است از: 3750 طرح نمادین این منبع در شکل 4-12 ترسیم شده است.