دانلود تحقیق منابع تغذیه برق

منابع تغذیه :
از بدو اختراع الکتریسته و تولید وسائل برقی اولین نیاز منبع تغذیه وسائل برقی بود که این وظیفه را ژنراتورها یا پیل های الکتریکی انجام می دادند .با شروع عمر الکترونیک نیاز به منابع تغذیه تفاوتهای بسیاری را به وجود آورد اولا جریان مصرفی در دستگاههای الکترونیک بر خلاف دستگاهای برقی DC می باشدو دما این دستگاهها برای کار به ولتاژ بیشتری به نسبت دستگاههای برقی نیاز دارند و سوم اینکه به علت دقت حساسیت این دستگاهها رگوله بودن و نبود هر توع فریزر بار اذیت در منبع تغزیه بسیار بسیار مهم است.

پس در ابتدا به تبدیل ولتاژ به ولتاژ دلخواه را داریم در مرحله دوم تبدیل جریان AC به DC (در صورت استفاده از جریان AC در وردی ) و در نهایت رگوله و فیلتر ینگ کردن جریان خروجی برای ما اهمیت دارد.

در ساده ترین روشها که هنوز هم در منابع تغذیه ساده و ارزان قیمت بسیار رایج است روش منابع تغذیه خطی می باشد در این روش در اولین مرحله جریان ورودی وارد ترانسفورماتور می شود تا به ولتاژ مورد نظر تبدیل میشود بعد از ترانسفورماتور مرحله یکسو سازی جریان AC مطرح می شود و در پایان با توجه به نوع و مصرف منبع تغذیه یه عملیات اغییر ولتاژ ، فیلترینگ ، رگولاتورها و ...

قرار می گیرند.

این منابع تغذیه سالهاست که وظیفه تولید توان کلیه دستگاههای الکترونیکی را بر عهده دارند اما معایب بسیاری نیز دارند که می توان از این معایب به بزرگی و سنگینی، هزینه نسبتاً بالا و فریزوراپیل زیاد آنها اشاره کرد.

مشکل فریزراپیل را با اضافه کردن فیلترهای مختلف و بهینه سازی تولید منبع تغذیه می توان تا حد بسیاری مرتفع و وزن و حجم زیاد (90% از وزن و حجم زیاد به علت ترانس بزرگ و سنگین در این نوع منابع می باشد) این منابع زیاد قابل رفع نیست تا اینکه نظریه منابع تغذیه سوئیچینگ در سال 1930 مطرح می شود و در سال 1970 رسما تولید انبوه آن شروع و مورد استفاده قرار گرفت.

بررسی منابع سوئیچینگ :
اولین مزیت این منابع حجم کم آنها می باشد که به دلیل استفاده از ترانسفورماتور با سلف کوچک این امر صورت می گیرد.

چرا که در منابع تغذیه سوئیچینگ ترانس کوچک می شود؟

در شار و فلوی تولیدی در هسته و سیم پیچ های ترانس فورماتور فرکانس نوسانات جریان مهمترین نقش را در طراحی دارد به این شکل که هر چه فرکانس بالاتر برود اثر مغانیس شوندگی هسته و در نتیجه تاثیرات متقابل سیم پیچ ها افزایش پیدا می کند که به همین منظور می توان از هسته بسیار کوچکتری در فرکانسهای بالاتر (در یک توان ثابت) استفاده کرد.

دوم میدانیم که با توجه به روابط حاکم بر محاسبات الکتریکی با بالا رفتن فرکانس مقاومت سیم پیچ بالا می رود و در صورت نیاز به مقاومت ثابت در مدار منبع تغذیه باید از ظرفیت سیم پیچ و در نتیجه از تعداد دور آن کاست که این مسئله خود باعث کوچکی سلف تا ترانس مورد نظر می شود.

همانطور که از مباحث فوق مشخص است اولین هدف در مباحث منبع تغذیه بالا بردن فرکانسمی باشد.

با توجه به اینکه مصرف و ورودی خرد مدار تولید فرکانس (نوسانساز) جریان مستقیم می باشد در ابتدای کار باید جریان ورودی به جریان DC تبدیل شود و وارد مدار نوسانساز با فرکانس بالا شود در پایان این مرحله جریان برای ارسال به ترانس کوچک آماده است و بعد از خروج از ترانسفورماتور با توجه به قیمت و مورد استفاده منبع تغذیه سوئیچینگ می توان از یک مبدل DC و یک فیلتر خازنی ساده تا مدارات پیچیده تر برای تولید جریان بسیار با کیفیت تری را استفاده کرد.

همانطور که مشخص است بیشتر بافت منبع تغذیه سوئیچینگ را مدارات الکترونیکی اشغال می کند که این مسئله باعث ارزانتر شدن سبک شدن و کوچکتر شدن منابع تغذیه سوئیچینگ می شود (در منابع تغذیه خطی بخش زیادی از حجم روزن به ترانسفورماتور مربوط می شود)
اکنون با توضیحات مختصری که درباره تغذیه خطی و سوئیچینگ داده شد مزایا و معایب این دو را بررسی می کنیم.

مزایای منابع تغذیه خطی: 1- سادگی مدار: ساخت و تولید منابع تغذیه خطی با حداقل قطعات در زمان ناچیز ممکن است 2- تحمل بار زیاد نویز ناچیز و خروجی و زمان پاسخدهی بسیار کوتاه 3- برای توانهای کمتر از 107 ارزانتر از مدارهای سوئیچینگ تمام می شوند.

معایب منابع تغذیه خطی: معایب این منابع به طور کامل قابل رفع نیست ولی همانطور که قبلا گفته شد با طراحی مناسب دقت در ساخت قابل کاهش می باشد 1- رگولاتورهای این منابع صرفا کاهنده هستند و خروجی حداقل 2 تا3 ولت کمتر از ورودی است.

2- انعطاف پذیری کم به طوری که برای هر خروجی جدا سخت افزاری اضافه می شود.

3- بهره پایین حد 30 تا 40 درصد که این مسئله باعث بالا رفتن حرارت در قطعات و اصراف انرژی می شود.

4- حجم و وزن زیاد تمام این معایب در تغذیه های سوئیچینگ رفع شده است مزایای این منابع تغذیه سوئیچینگ : 1- افزایش راندمان به حدود 68 تا 90 درصد که باعث استفاده از ترانزیستور خنک کننده کوچکتر می انجامد 2- بدلیل اینکه قطعه مغناطیسی (ترانس یا سلف) با کلیه جریان DC بریده شود کار می کند برای هر خروجی اضافی فقط کلیه سیم پیچ اضافی لازم داریم 3- به علت افزیش فرکانس کاری به حدود 50 تا 60 کیلو هرتز (1000 برابر جریان برق شهر) ابزار ذخیره کننده انرژی مثل ترانس و خازن بسیار کوچک می شوند.

4- برخلاف منابع خطی، در ترانهای خیلی بالا قابل استفاده هستند.

معایب منابع تغذیه سوئیچینگ: اولاً طرح چنین منابعی اصولاً پیچیده است.

نویز قابل ملاحظه ای از آنها به محیط انتشار می یابد.( به علت فرکانس کاری بالا) به علت ماهیت کار این منابع که با جریان DC برش دار کار می کند زمیون به ولتاژ خروجی کندتر صورت می گیرد.

معایب این منابع ناچیز بوده و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می باشد: کلیات عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ در بحث قبل گفته شد.

اکنون به تفصیل و با دقت شروع به توضیح منابع تغذیه سوئیچینگ می کنیم.

برای تولید جریان معرفی قطعات مغناطیسی ( سلف و ترانس ) احتیاج به یک جریان متناوب داریم.

در منابع تغذیه سوئیچینگ برای بازده بالاتر سادگی کار و علکرد و بازده بهتر نیمه هادیها که فقط در نقطه قطع و اشباع مار می کنند از یک ولتاژ DC برش خورده ( موج مربعی ) که در هسته قطعه مغناطیسی به صورت AC ذخیره می شود، استفاده می شود، برای تولید این موج مربعی مورد نظر با فرکانس دلخواه از دو روش زیر استفاده می شود: فوروارد فلای بک فوروارد : در این روش جریان ورودی به قطعه مغناطیسی با فرکانس خاص دائم قطع و وصل می شود که باعث تولید یک جریان DC برش خورده یا یک موج مربعی منظم می شود.

فلای بک : در این سیستم برای تولید جریان DC برش خورده جریان ارسالی به قطعه مغناطیسی و خازن دائم و با فرکانس خاص در حال اتصال کوتاه شدن است ( شورت مسیر کوئیت ) که همان نتیجه روش فوروارد را در بر دارد.

بررسی کلی بخش های تشکیل دهنده منبع تغذیه سوئیچینگ: فیلتر EMI این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را می سازند، تشکیل شده است.

وظیفه عمده این قسمت: ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوئیچینگ به خط تغذیه اصلی Vin .

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

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

خازن فیلتر ورودی: شامل یک خازن است که وظیفه ذخیره انرژی را برعهده دارد و معمولاً مرکب از دو خازن است.

یک خازن الکترولیت یا تانتالیوم برای مولفه های جریان در فرکانس تغذیه و یک خازن سرامیک برای مولفه های هارمونیک فرکانس سوئیچینگ.

ترانسفورمر : این قسمت وظیفه ایزولاسیون DC و تغییر سطح ولتاژ را برعهده دارد.

سوئیچ قدرت : برای اینکار از یک نیمه هادی قدرت استفاده می شود.

می توان از یک ترانزیستورBJT استفاده کرد اما معمولاً از Mosfet های قدرت استفاده می شود و چون هم جریان ورودی ( گیت ) بسیار ناچیزی دارند و هم برای کار در دو ناحیه قطع و اشباع ( سوئیچینگ ) بسیار مناسبند.

حساسترین و آسیب پذیرترین قطعه در منبع تغذیه سوئیچینگ همین قطعه است.

یکسو کننده خروجی : این یکسو کننده ها ( دیودها ) وظیفه یکسو سازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارند.

برای اینکار استفاده از دیود های معمولی مناسب نیست و باید از دیودهای سریع و خیلی سریع استفاده کرد.

6-فیلتر خروجی : وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور برعهده دارد و رگوله و صاف کردن جریان خروجی را بر عهده دارد.

تولید یک منبع تغذیه سوئیچینگ : اکنون اقدام به بررسی آرایش کلی فرآیند تولید منبع تغذیه سوئیچینگ می کنیم.

چند عامل ممتاز کننده آرایش های مختلف شامل : حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمه هادی قدرت است.

مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد.

بخشی از سخن مغناطیسی B-H ( مربوط به هسته ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می کند ) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.

ایزولاسیون ورودی از ز که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تامین می کند.

و این اجازه را به طراح می دهد که خروجی های متعددی را به راحتی اضافه کند.

قیمت و قابلیت اطمینان: طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تاثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.

اولین مسئله در فرآیند تولید منبع تغذیه سوئیچینگ توان و ولتاژ منبع تغذیه می باشد.

برای انجام این مهم باید آشنا به موارد استفاده انواع رگولاتورهای سوئیچینگ باشیم.

رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده : کاهنده Buck افزاینده Boost Buck & Boost معکوس کننده رگولاتور Buck : ساده ترین سیستم در میان رگولاتورها همین نوع می باشد.

این رگولاتور دارای معایب بسیاری است.

اما با وجود تمام معایب توان تحویل بیش از w 1000 را به بار دارا می باشد.

این رگولاتور نوعی رگولاتور فوروارد است.

رگولاتور افزاینده Boost : این رگولاتور نوعی رگولاتور فلای بک است که خروجی آن برخلاف نوع کاهنده بزرگتر تا مساوی ورودی است.

در این آرایش (Boost ) ما می توانیم به ولتاژ بالاتری به نسبت ورودی دست پیدا کنیم.

اما توان کار این مدار بسیار محدودتر بوده و در توان های تا w 200 مناسب است.

رگولاتور Buck & Boost : این نوع رگولاتور فلای بک بوده که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است.

به علاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می شود.

این نوع رگولاتور بسیار مناسب تر از دو نوع دیگر بوده و با وجود معایب خود بر دو نوع دیگر برتری دارد، اما توان تحویلی آن تا w 100 می باشد که خود جزء معایب آن است.

رگولاتور سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده‌ : استفاده از رگولاتورهای ترانسفورمری بسیار متداولتر و مناسبتر است زیرا این رگولاتورها به علت وجود عایق سیم ها در ترانس دارای ایزولاسیون بسیار بالا بوده و برای افزودن به خروجی ها تنها احتیاج به افزودن یک سیم پیچ است و مزیت بزرگ دیگر این رگولاتورها انتخاب هر ولتاژ ( کاهنده یا افزاینده ) بدون هیچ محدودیت تنها با تکیه بر محاسبات سیم پیچ ترانس محیا می شود.

در این رگولاتورها نیز دو نوع فوروارد و فلای بک وجود دارد که البته نوع کاربری این دو نوع رگولاتور در آرایش تغذیه ترانس متفاوت است که منجر به تقسیم بندی رگولاتورهای ترانسفورمری به انواع زیر می شود : 1- فلای بک رگولاتورهای سوئیچینگ ترانسفورمری 2- پوش پول 3- نیم پل 4 - تمام پل فلای بک : اساس کاراین رگولاتور بسیار شبیه رگولاتور (Boost)است با این تفاوت که از یک سیم پیچ ثانویه در کنار سلف این رگولاتور کمک گرفته شده است.

شکل مدار علمی فلای بک ترانسفورمری به صورت زیر می باشد.

رگولاتور پوش پول push- pull : این روش که نوعی فور وارد است دارای مزایای بسیاری است که می تواند توانی تا 3 برابر نوع فلای بک را تولید کند.

بزرگترین اشکال این منابع تغذیه غیر همسان بودن دو ترانزیستور آنها می باشد.

که این مسئله باعث غیر متوازن شدن جریان تحویلی به ترانس و فشار نامناسب بر روی خود ترانزیستورها می شود.

برای همین منظور طراحان روش های نیم پل و تمام پل را ترجیح می دهند.

رگولاتور نیم پل : در این طرح اولیه ترانس دارای یک سیم پیچ است و به علت اینکه این نصف ولتاژ ورودی مستقیم روی سیم