آموزش طراحی مدارات سوئیچینگ

طراحی مدارات سوئیچینگ در سال 1970 توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتری‌ها و منابع تغذیه آنالوگ، وزن و حجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. در طرح‌های نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان درحدود 68% می‌شد.

طراحی مدارات سوئیچینگ چیست؟

با پیشرفت فناوری الکترونیک و ایجاد حوزه های تخصصی، نیاز به قطعات الکترونیکی سریع بیشتر و بیشتر شد. رگولاتور ها هم چون به عنوان منابع تأمین انرژی و توان دستگاه‌ها و وسایل دیگر استفاده می‌شدند از اهمیت خاصی برخوردار شدند. حدود 35 سال قبل با پیشرفتی که در زمینه منابع تغذیه صورت گرفت، طراحی مدارات سوئیچینگ پا به عرصه وجود گذاشت. به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل یافتند و می توان گفت این‌گونه منابع، نقش بسزایی در پیشرفت صنعت الکترونیک داشته‌اند. رگولاتورهای طراحی شده در طراحی مدارات سوئیچینگ برتری های زیادی به رگولاتور خطی دارد که در ادامه بررسی شده است.

کاربرد قطعات در مدارات سوئیچینگ

قبل از اینکه به /اموزش طراحی مدارات سوئیچینگ بپردازیم، بهتر است کاربرد هر کدام از قطعات را در مدارات سوئیچیگ را بدانیم. قطعاتی در مدارات سوئیچینگ استفاده میشود و ممکن است از آن آگاهی نداشته باشید و همین موضوع باعث می‌شود که راندمان یادگیری کاهش یابد.

ماسفت چیست؟

ماسفت یک قطعه چهار پایه ای است که دارای پایه های سورس (Source)، گیت (Gate)، درین (Drain)  و بدنه (Body)  است. به‌طور کلی، بدنه ماسفت با ترمینال یا پایه سورس در ارتباط است؛ بنابراین یک دستگاه سه پایه مانند ترانزیستور اثر میدانی را تشکیل می‌دهد. ماسفت به‌طور کلی به عنوان یک ترانزیستور در نظر گرفته می‌شود و در مدارهای آنالوگ و دیجیتال به کار می‌رود. این یک مقدمه برای شناخت ماسفت است. ماسفت ها به طور کلی به ق دسته تقسیم میشوند:

• ماسفت حالت کاهشی N-Channel
• ماسفت حالت کاهشی P-Channel
• ماسفت حالت افزایشی N-Channel
• ماسفت حالت افزایشی P-Channel

رگولاتور چیست؟

کلمه رگولاتور (regulator) از فعل (regulate) به معنای تنظیم کردن گرفته شده و خود واژه رگولاتور به معنای تنظیم کننده است. رگولاتور ولتاژ قطعه‌ای است که در ساخت و طراحی مدارات الکترونیکی و مدارات سوئیچینگ کاربرد‌های فراوانی دارد، در حقیقت رگولاتور‌ها، نوعی از نیمه رسانا‌ها هستند که برای تنظیم ولتاژ طراحی شده‌اند. مزایای رگولاتور:

• یک ولتاژ ثابت در خروجی دارد
•  ولتاژ های مختلف در یک مدار

آموزش طراحی مدارات سوئیچینگ

رگولاتور ها قطعات بسیار مهمی هستند که می توان از آنها برای تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد. رگولاتور ها به دو نوع عمده تقسیم می شوند که عبارتند از:

• رگولاتور خطی
• رگولاتور سوییچینگ

در گذشته از رگولاتور خطی به وفور استفاده می شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشت به تدریج منسوخ شده و جای خود را به رگولاتور سوییچینگ داد. این منابع از اوایل دهه ی 1970 همزمان با عرضه ی 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 ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته‌اند.

برای انتخاب بین یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا یک منبع تغذیه خطی می توان بر اساس کاربرد آنها اقدام نمود که دارای مزایا و معایب خاص خود می‌باشند و بر این اساس یکی از این دو را انتخاب می کنیم و همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو می تواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربردهایی که یکی از آنها بر دیگری برتری دارد. در زیر مزایا و معایب رگولاتور خطی و رگولاتور سوئیچینگ را بررسی می کنیم.

پیشنهاد شگفت انگیز: آموزش طراحی برد الکترونیکی

مزایا و معایب رگولاتور خطی

مزایای رگولاتور خطی

• سادگی مدار (طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی، به راحتی پایدار می شود)
• قابلیت تحمل بار زیاد، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
• برای توانهای کمتر از 10 وات، ارزانتر از طراحی مدارات سوئیچینگ مشابه تمام می شوند.

معایب رگولاتور خطی

• تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودی باید حداقل 2 تا 3 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 30 % تا 40 % می‌باشد. این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می نماید و نیاز به ترانزیستور قویتری تا حدود 15 وات است. روش های معمول خنک سازی مفید است ولی بیش از این توان نیاز به سرمایش تحت فشار (Forced) می باشد.
• راندمان مدار هنگامی خوب است که مقدار ولتاژ خروجی، به ولتاژ ورودی نزدیک باشد.
  در شکل زیر نمونه ای از یک مدار ساده رگولاتور خطی نشان داده شده است:

نکات عملی در مورد ترانزیستور T1

در شکل فوق ترانزیستور T1 باید از نوع قدرت باشد زیرا باید جریان بالایی را تحمل کند.

• حداکثر جریان بار بوسیله حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سری T1 تعیین می شود.
•  اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی به ترانزیستور سری اعمال می شود، بنابراین حداکثر VCE برای این ترانزیستور توسط ولتاژ خروجی و حداکثر ورودی تعیین می‌گردد.
• حاصل ضرب جریان بار در VCE تقریباً توان تلف شده این ترانزیستور می‎‎‌باشد.

البته برای بهتر شدن عملکرد یک رگولاتور خطی، می‌توان حفاظت های ویژه و قطعات ویژه ای را اضافه کرد که به تفصیل این مباحث نمی پردازیم و در همین جا بحث رگولاتورهای خطی را به پایان می رسانیم و بحث در مورد رگولاتورهای سوییچینگ را آغاز می کنیم.

مزایا و معایب رگولاتور سوئیچینگ

مزایای رگولاتور سوئیچینگ

1.  افزایش راندمان در حدود 68% تا 90% و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع را به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منوط کرده است.
2. به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می‌شود تأمین می‌گردد، لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.
3. به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا 60 کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژی می‌توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.
4. برخلاف رگولاتور خطی، در توان های خیلی بالا قابل استفاده می‌باشد.
5. قابلیت افزایش ولتاژ ورودی در خروجی همه موارد ذکر شده در بالا، به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.

معایب رگولاتور سوییچینگ

•  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.
• ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک 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 می باشد.

تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدی و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی شماتیک بهتر قابل بهبود می‌باشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان 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، منبع تغذیه سوئیچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم، منابع تغذیه خطی ارزانتر و بهتر هستند.

چگونگی عملکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ

همانطور که ذکر شد یک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک نیمه هادی قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ 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 می باشد.

دلیل این امر، همانطور که در ابتدای بحث رگولاتور خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سر سوئیچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.

اما یک رگولاتور سوئیچینگ را می توان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ( Duty Cycle) ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. 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 سوئیچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

طراحی مدارات سوئیچینگ

طراحی مدارات سوئیچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند:

1. Forward
2. Flyback

با وجود شباهتهای فراوان، تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد. نحوه عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است. عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از:

• یک منبع سوئیچ جهت تهیه موج PWM
• القاگر(در مورد منابع پیشرفته، القاگر جای خود را به ترانس می دهد)
• سوئیچ قدرت (ترانزیستور قدرت)
• خازن ذخیره کننده ی انرژی در خروجی
• شبکه های حس کننده و عمل کننده بازخورد