[آموزش] آموزش سوئیچینگ به زبان ساده

[ناصر منتظری]

سلام
دوستان زیادی از من درخواست آموزش سوئیچینگ داشتند ، بنده هم تصمیم گرفتم این تاپیک رو برای احترام به این عزیزان ایجاد کنم.
البته اساتید بسیاری در این زمینه در این سایت فعالیت می کنند و بنده حقیر نیز همچنان درس پس میدهم پس با کسب اجازه از اساتید بزرگوار و همچنین در خواست راهنمایی و تصحیح اشتباهات اینجانب آموزش سوئیچنگ رو شروع می کنیم.
نکات مهم :
1- برای اینکه توضیحات تاپیک پشت سر هم و مناسب قرار بگیرد یک تا پیک دیگر برای پرسش و پاسخ ایجاد کرده ایم که از دوستان گرامی خواهش دارم تمام سوالات و نظرات خود را فقط در آن تاپیک قرار دهند تا عزیزانی که قصد استفاده از این آموزش ها را دارند به راحتی مطلب مورد نظر خود را بیابند.
2- مطالب به تدریج و به نوبت قرار داده خواهند شد پس از دوستان عزیز خواهش دارم از پرسیدن سوالاتی که جلوتر از بحث است خودداری نمایند.
3- نظرات و پیشنهادات خود را حتما از طریق صندوق پیغام با بنده در میان بگذارید.متشکرم.
تاپیک پرسش و پاسخ : http://www.eca.ir/forum2/index.php?topic=92438.0

[ناصر منتظری]

سوئیچینگ چیست ؟

امروزه علم سوئیچینگ با پیشرفت خود کمک بزرگی به صنعت و زندگی کرده است به طوری که ساخت برخی از دستگاه ها و لوازم را با راندمان بالا و حجم کوچک فراهم آورده که قبل ها دستیابی به آنها دور از ذهن به نظر می رسید.
از ترانزیستورها در سوئیچینگ در ناحیه قطع یا اشباع استفاده می شود که در نتیجه یا جریان آن صفر است و یا ولتاژ آن که این امر سبب می شود تلفاتی روی عنصر سوئیچ نداشته باشیم و راندمان در تئوری به 100 در صد می رسد.
معمولا سوئیچ های مورد استفاده ماسفت های قدرت هستند که امروزه پیشرفت بسیار خوبی داشته اند و با ریتینگ نسبتا خوبی در بازار پیدا می شوند.( تا حدود 1000 ولت و جریان حدود 100 آمپر) ماسفت ها عناصر کنترل شده با ولتاژ هستند ،و موجب می شود تلفات کنترلی نداشته باشیم .ماسفت ها در حالت قطع مانند یک کلید باز عمل می کنند و در حالت وصل مانند یک کلید بسته پس در ناحیه قطع و اشباع توانی را هدر نمی دهند زیرا توان مصرفی یک کلید ایده آل صفر است.
در منابع تغذیه سوئیچینگ ترانس فرکانس پایین که یک ترانس بزرگ و حجیم و گران قیمت هست حذف می شود همچنین به دلیل راندمان بالا نیاز به هیت سینگ های بزرگ و گران قیمت نیست.
یک سیستم آنالوگ مثلا یک منبع تغذیه آنالوگ توان مورد نیاز بار را تامین می کند اما باقی توان که از ورودی دریافت کرده را به طور کامل تلف می کند. به عبارت بهتر در منابع تغذیه خطی عموما یک ترانزیستور به عنوان یک مقاومت متغیر وات بالا با کنترل اتوماتیک استفاده می شود. این مقاومت متغیر وظیفه کنترل ولتاژ و جریان خروجی را بر عهده دارد این عنصر به دلیل این که در ناحیه خطی کار می کند و با بار سری می شود دو عیب بزرگ دارد اول اینکه جریان بار را باید تامین کند و دوم اینکه اضافه ولتاژ خروجی روی آن افت می کند پس هرچه جریان خروجی بالاتر و اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی منبع زیادتر باشد تلفات بیشتری خواهیم داشت.
اما منبع تغذیه خطی نیز محاسنی نیز دارد :
1- در توانهای زیر 10 وات بسیار کم هزینه تر هستند
2- توانایی رگوله سازی خوب و نویز کمی دارند
3- در برخی موارد استفاده آنها به جای منابع سوئیچینگ باعث بهبود کار مدارهای تغذیه شونده می شود.
4- پایداری بالا
و اما محاسن منابع تغذیه سوئیچینگ که منابع خطی این مزایا را ندارند :
1- حجم کم
2- قیمت مناسب
3- توانایی کار در توان های بسیار بالا
4- تلفات کم و راندمان بسیار بالا
5- هزینه کم و نیاز به عناصر صافی ارزان قیمت تر

[ناصر منتظری]

تاریخچه سوئیچینگ

ایده منابع تغذیه 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 نظیرBJT و مداراتMONOSTABL و ASTABL استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان چیزی درحدود 68% می شد. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارامی باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف کرده اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کاراییها و کیفیت آنها تحقیقات گسترده ای انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستمها پدید آمده است. البته پیشرفت درتکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوئیچینگ داشته است.
با پیداش ماسفتهای سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیدا کرد و عمده تلفات در ترانسها خلاصه شد که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد MHZ 1 افزایش دادند.
امروزه با استفاده از مدارات zvs منابع تغذیه با فرکانس و توان بسیار بالا تولید شده است که در گذشته ساخت آنها غیر ممکن به نظر می رسید.

[ناصر منتظری]

تاریخچه سوئیچینگ 2

بعضی از تجهیزات الکترونیکی نیاز به منابع تغذیه با ولتاژ و جریان بالا دارند. بدین منظور باید ولتاژ AC شهر توسط ترانسفورماتور کاهنده به ولتاژ پایینتر تبدیل و سپس یکسوسازی شده و به وسیله خازن و سلف صاف و DC شود.
تا سال 1972 ، منابع تغذیه خطی برای بیشتر دستگاههای الکترونیکی مناسب بودند. اما با توسعه کاربرد مدارهای مجتمع ، لازم شد که خروجی این مدارها در برابر تغییرات جریان و یا ولتاژ شبکه برق بیشتر تثبیت گردد. آی سی های خانواده TTL به ولتاژ کاملا تثبیت شده 5V احتیاج دارند. به منظور بدست آوردن ولتاژ ثابت تر، یک سیستم کنترل فیدبک در آی سی ها ی تثبیت کننده به کار برده می شود. تا سال 1975 ، آی سی های موجود مثل 723 و CA3085 قادر به تثبیت ولتاژ ثابت مورد نظر نمونه برداری می کردند. این منابع، منابع تغذیه تثبیت شده خطی نامیده می شد.
امروزه تراشه های یکپارچه تنظیم ولتاژ برای جریانهای تا 5A در دسترس می باشد. این تراشه ها مناسب می باشند. اما راندمانی زیر 50% دارند و تلفات حرارتی آنها در بار کامل زیاد است.
منابع تغذیه سوئیچینگ دارای راندمان بالایی می باشند. این منابع در سال 1970 هنگامی که ترانزیستورهای سوئیچینگ سرعت بالا با ظرفیت زیاد در دسترس قرار گرفت، ابداع شدند. ولتاژ خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ به وسیله تغییر چرخه کار (Duty Cycle) یا فرکانس سیگنال ترانزیستورهای کلید زنی کنترل می شود. البته می توان با تغییر هم زمان هر دوی آنها نیز ولتاژ خروجی را کنترل نمود.
یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) شامل منطق کنترل (Control Logic) و نوسان ساز می باشد. نوسان ساز سبب قطع و وصل عنصر کنترل کننده (Control Element) می گردد. عنصر کنترل کننده معمولا یک ترانزیستور کلید زنی ، یک سلف و یک دیود می باشد. انرژی ذخیره شده در سلف با ولتاژ مناسب به بار واگذار می شود، با تغییر چرخه کار یا فرکانس کلید زنی، می توان انرژی ذخیره شده در هر سیکل و در نتیجه ولتاژ خروجی را کنترل نمود. با قطع و وصل ترانزیستور کلیدزنی ، عبور انرژی انجام و یا متوقف می شود. اما انرژی در ترانزیستور تلف نمی شود. با توجه به اینکه فقط انرژی مورد نیاز برای داشتن ولتاژ خروجی با جریان مورد نظر، کشیده می شودع راندمان بالایی بدست می آید. انرژی به صورت مقطعی تزریق می شود. اما ولتاژ خروجی به وسیله ذخیره خازنی ثابت باقی می ماند.
دلیل انتخاب SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی:
انتخاب بین یک منبع تغذیه خطی یا سوئیچینگ می تواند بر اساس کاربرد آنها انجام می 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.
هر یک از منابع حوزه های کاری خود را دارند، عموما برای مدارهای با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری های قابل حمل تغذیه سوئیچینگ برتری دارد، ولی برای ولتاژ های ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و مناسبتر هستند.
راندمان SMPS به دلیل تلفات کمتر توان، بالاتر می باشد. وزن و اندازه آنها به خاطر ترانسفورماتورهای کوچکتر با هسته فریت سبکتر، کوچکتر می باشد. افزایش فرکانس ابعاد ترانسفورماتور را به ازای قدرتهای یکسان کاهش می دهد. از هسته های آهنی در فرکانسهای بیشتر از 400Hz به دلیل داغ شدن هسته نمی توان استفاده کرد.
در منابع تغذیه سوئیچینگ حذف ریپلهای خروجی به خوبی منابع تغذیه خطی انجام نمی گیرد زیرا خازنهای کوچک و با کیفیت بالا مورد نیاز است.
پارازیتهای RF به دلیل قطع و وصل جریانهای بالا یکی دیگر از معایب SMPS می باشد. این پارازیتها را می توان با پوشش هسته فریت و کل مدار کاهش داد. در تلویزیون، SMPS با فرکانس خط (15625Hz) سنکرون می شود و در نتیجه اثر کلیدزنی در صفحه تلویزیون ظاهر نمی شود.
امروزه، بیشتر تلویزیونهای رنگی فط از SMPS برای تغذیه لامپ و قسمتهای مختلف استفاده می کنند. کامپیوترهای شخصی نیز از SMPS برای تولید ولتاژهای 5V , 12V و 24V با جریان بالا استفاده می کنند. مهمترین مزیت SMPS ها، وزن کم آن می باشد.

[ناصر منتظری]

بررسی منابع خطی

همان طور که قبلا گفته شد در منابع خطی عنصر کنترل کننده وظیفه دارد انرژی مورد نیاز خروجی را تا مین کند و باقی انرژی که از ورودی به منبع تغذیه وارد می شود را هدر دهد.

برای درک این قضیه می توان ترانزیستور را که عنصر کنترل کننده است به یک مقاومت متغییر تشبیه کرد. همان طور که می دانید مقاومت باعث تلفات انرژی می شود.
هر چه جریان بار بیشتر باشد جریان بیشتری باید از این مقاومت بگذرد و هرچه ولتاژ خروجی کمتر باشد باید اضافه ی ولتاژ روی این مقاومت کنترل شونده افت کند.
اما منبع سوئیچ می تواند مانند یک شیر آب که یا کاملا باز است و یا کاملا بسته عمل کند و اگر ما آب زیاد نیاز داشته باشیم مدت زمانی که شیر باز است بیشتر خواهد بود نسبت به زمانی که بسته است.
پس منبع سوئیچ و کلا سوئچینگ را می شود با کلید و یا شیر آب کاملا باز و کاملا بسته مقایسه کرد.

[ناصر منتظری]

ترکیب پایه ی مدارات سوئیچینگ ( باک )

خوب بحث اصلی آموزش سوئیچینگ از این به بعد شروع می شود.
ترکیب BUCK یا باک ترکیب اصلی و پایه مدارات سوئیچنگ است.
این مدار ساده با استفاده از یک سوئیچ و چند المان دیگر می تواند ولتاژ خروجی را کنترل و رگوله کند.
برای کنترل سوئیچ نیز به یک مدار کنترلر نیاز است که بعد ها به این مدار به طور مفصل می پردازیم.
مدار باک که از یک سلف و دیود و خازن و همچنین یک سوئیچ تشکیل شده است به صورت زیر می باشد :

طرز کار آن نیز به این صورت است که با قطع و وصل سوئیچ دو وضعیت پیش می آید :


عنصر سوئیچ را نیز می توان به یک کلید تشبیه کرد.
حال یا کلید باز است و یا بسته
وقتی کلید بسته است :
در این حالت انرژی از منبع اولیه به سمت خروجی می رود و این انرژی در سلف و خازن ذخیره می شود.
وقتی کلید باز است :
در این حالت انرژی ذخیره شده در سلف از طریق دیود به سمت خازن می رود.
وظیفه دیود در مدار باک :
در واقع هنگامی که سوئیچ قطع می شود در سلف خودالقایی شکل می گیرد همان طور که می دانید سلف که با تغییرات جریان از خود عکس العمل نشان می دهد و یک ولتاژ با پلاریته معکوس ایجاد می کند که این ولتاژ می تواند دیود را هادی کند و خازن را شارژ نماید.
پس دیود دو ظیفه دارد : یکی بستن مسیر جریان وقتی سوئیچ قطع است و دیگری محافظت از عنصر سوئیچ در برابر خود القایی سلف
وظیفه خازن :
ذخیره سازی انرژی و رساندن میانگین انرژی به بار یا مصرف کننده
وظیفه سلف :
ایجاد یک فیلتر به کمک خازن و برقراری جریان به صورت دائم
ایا می شود به جای سلف مقاومت قرار داد ؟؟؟؟
بله می شود اما مقاومت تلفات ایجاد می کند ولی سلف انرژی را ذخیره کرده و وقتی سوئیچ قطع می شود انرژی خود را به بار تحویل میدهد.
پس خازن و سلف در کنار هم یک فیلتر پایین گذر تشکیل می دهند. فیلتر پایین گذر می تواند میانگین انرژی ورودی را به خروجی تحویل دهد.

[ناصر منتظری]

ترکیب پایه ی مدارات سوئیچینگ ( باک ) قسمت دوم

برای مدار باک می توان روابط ریاضی مربوط به سلف و خازن و قضیه انتگرال گیری را نوشت و رفتار و پاسخ این مدار را فهمید:
http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter
اما ما در اینجا یک تحلیل ساده بیان می کنیم و آن این است :
در مدار باک انرژی ورودی در سلف و خازن ذخیره می شود و این سلف و خازن ، از انرژی وارد شده میانگین می گیرد و به بار تحویل می دهد.
حال برای کنترل مقدار انرژی خروجی می توان مدت زمانی که سوئیچ روشن است نسبت به زمانی که خاموش است تغییر داد.
هر چه مدت زمان روشنی بیشتر باشد انرژی تحویل داده شده به بار بیشتر خواهد بود.

پس در زمانی که سوئیچ وصل است مسیر جریان از ورودی به سمت خازن و بار است و یک انرژی در سلف ذخیره می شود.
و در زمانی که سوئیچ قطع است انرژی ذخیره سده در سلف به صورت خود القایی به سمت خروجی می رود و در این راه دیود نیز هادی می شود و می توان نتیجه گرفت هر گاه سوئیچ باز است دیود هادی است و هر گاه سوئیچ بسته است دیود باز است و هدایت نمی کند.

شارژ خازن :
همان طور که گفته شد هنگامی که سوئیچ بسته است مسیر جریان از ورودی خازن را شارژ می کند .
وقتی هم که سوئیچ باز است انرژی ذخیره شده در سلف به صورت خود القایی ظاهر شده و باز خازن را شارژ می کند .
چی شده ؟ oo: جریان چی چیه ؟؟؟
در هر دو حالت که خازن داره شارژ میشه که ، چی میگی ؟؟؟ oo: :eek:
بله درسته در هر دو حالت خازن شارژ میشه و اگر بار به مدار باک وصل نباشه تا خازن رو دشارژ کنه ممکنه همین طور خازن شارژ بشه و خازن :bye در اثر افزایش بی رویه ولتاژ می ترکه :mrgreen:
به همین خاطر مدار باک هم به مصرف کننده نیاز داره تا ولتاژ خازن الکی زیاد نشه و هم به نمونه برداری از خروجی تا بتونه بفهمه ولتاژ خروجی در چه سطحی قرار داره و وقتی فهمید زمان روشنی و خاموشی سوئیچ رو تغییر بده و سطح ولتاژ خروجی رو کنترل کنه
حالا ما یه رگولاتور داریم که می تونه ولتاژ خروجی رو تثبیت کنه :wow: :applause:
حالا یه نکته :
اگه بار جریان کمی بکشه پس وقتی سوئیچ وصله انرژی کمی تو سلف ذخیره میشه چون جریان کمی از سلف عبور می کنه و وقتی سوئیچ باز میشه سلف که باید خود القایی تولید کنه و انرژی ذخیره شده رو به خروجی منتقل کنه کم میاره :sad: و نمی تونه انرژی بیشتری به خروجی بده و اینجا ممکنه جریان سلف پیوسته نباشه و به صفر برسه
شکل موج ها رو می تونید ببینید :

حالا این چه مشکلی ایجاد می کنه ؟؟
دیود به علت ساختار فیزیکیش یه خازن ذاتی داره که موازی با خود دیود هست و در این حالتی که بیان شد خازن خروجی که شارژ است تمایل دارد خازن ذاتی دیود را شارژ کند و به همین خاطر یه جریان کوچک از سلف عبور می کنه و سلف دوباره خود القایی ایجاد میکنه و جهت جریانش برعکس میشه و این عمل هی تکرار میشه و انگار یه موج سینوسی در جریان سلف اجاد شده و این جریان که مثل نویز عمل می کنه می تونه باعث روشن شدن سوئیچ بشه و تمام رگولاتور رو بر هم بزنه به این عمل رینگینگ می گن.

پس باید سلف بزرگتری انتخاب کنیم تا این اتفاق پیش نیاد .
همچنین سلف باید دارای مسیر هسته باز باشه تا به اشباع نره زیرا اشباع سلف باعث اتلاف انرژی میشه
دیود هم باید از نوع فست و سریع باشه و دیود معمولی نمیشه تو سوئیچینگ استفاده کرد زیرا در منابع سوئیچ همان طور که در مقدمه گفته شد با یک فرکانس کاری بالا کلید ها (سوئیچ ها) قطع و وصل میشن و سرعت کار خیلی بالاست.

[ناصر منتظری]

رگولاتور باک ( محاسبات)

خوب اگه سوالی در مورد رگولاتور باک دارید حتما در بخش پرسش و پاسخ بپرسید.
یکی از ای سی های معروف رگولاتور باک LM2576 هست که می تونه به راحتی با چند تا المان یک منبع تغذیه خوب آزمایشگاهی باهاش ساخت.

برای محاسبه خازن و سلف هم میشه از روابط زیر استفاده کرد:
خازن که به مقدار جریان و فرکانس و ولتاژ ریپل خروجی بستگی داره :
C = I / F * Vrpp < capacitor
که مقدار Vrpp رو می تونیم هر چقدر که خواستیم مثلا 0.1 یا کمتر قرار بدیم
فرکانس به فرکانس کاری کنترلر بستگی داره برای LM2576 فرکانس 52 کیلو هرتز است
و مقدار جریان هم به جریان بار بستگی داره
سلف هم بهتره مقدارشو طوری انتخاب کنیم که وارد مد ناپیوسته که باعث رینگینگ می شد نشیم.
L = ( 5 * ( Vs-Vo) * Vo * T ) / ( Ion * Vs) < inductor
که ضریب 5 برای دور شدن از مد ناپیوسته است
Vs ولتاژ ورودی است
Vo ولتاژ خروجی است
Ion جریان نامی بار است
T دوره تناوب سوئیچ یا همون ( یک بخش بر فرکانس )
در ضمن از محاسبات پیچیده ریاضی صرف نظر شد ولی تمام این روابط قابل اثبات هستند.

[ناصر منتظری]

ترکیب سینکرونوس باک

گفتیم برای برای برقراری جریان به صورت دائم در خروجی و استفاده از انرژی ذخیره شده در سلف باید یک دیود در مدار باک قرار بگیرد که به این دیود دیود هرزگرد می گویند.
در برخی اوقات لازم است جریان زیاد از دیود عبور کند به خاطر انرژی زیاد سلف ، همچنین فرکانس بالای مدار ممکن است موجب اختلال در کار دیود شود که می توان دیود را حذف کرد و به جای آن از یک ماسفت استفاده کرد. این ماسفت دقیقا کار دیود را انجام می دهد و وقتی سوئیچ اصلی قطع است این ماسفت وصل و وقتی سوئیچ اصلی وصل است این ماسفت قطع می شود . یعنی دقیقا برعکس سوئیچ اصلی عمل هدایت رو انجام میده
به این ترکیب سینکرونوس باک میگن که در قدرت و سرعت بالا هم می تونه کار کنه

ولی کنترل مدار سینکرونوس باک سخت تره چون باید دو تا سوئیچ رو کنترل کرد.

[ناصر منتظری]

نحوه ی کنترل یک منبع باک

برای کنترل منبع باک باید یک موج مربعی به سوئیچ بدیم که فرکانس ثابت داشته باشه و این فرکانس ثابت در تعیین مقدار سلف و خازن موثره که فرمول ها شو قبلا نوشتیم. هرچی فرکانس بیشتر باشه سلف و خازن کوچک تری نیاز داریم ولی تلفات سوئیچ زیاد میشه.

این موج مربعی مثل یک فرمان عمل می کنه و سوئیچ ما رو وصل و یا قطع می کنه.
از طرفی مدت زمان روشن بودن یا خاموش بودن رو باید تشخیص بده و هر وقت ولتاژ خروجی تغییر کرد بتونه اونو جبران کنه.
برای اینکار به موج PWM نیاز داریم pwm مخفف pulse wide modulation هست به معنای مدوللاسیون عرض پالس یعنی یه موج مربعی هست که فرکانسش ثابته ولی عرض هر پالس می تونه تغییر کنه
موج PWM رو میشه به راه های مختلف تولید کرد یکی از این راه ها مقایسه یک ولتاژ با یک موج دندانه اره ای است.


همون طور که می بینید وقتی ولتاژ مرجع که در اینجا یک موج سینوسی است مقدار لحظه ایش تغییر می کنه عرض پالس ما هم تغییر می کنه
برای اینکه موج PWM به سیگنال اولیه تبدیل شه فقط به یه فیلتر پایین گذر نیاز داریم
و می تونیم به راحتی با یه فیلتر هارمونیک مورد نظر خودمون رو جدا کنیم
حالا اگه صوت بخوایم یه فیلتر صوتی میزاریم و اگه ولتاژ دی سی می خوایم یه فیلتر برای جدا کردن هارمونیک دی سی می زاریم

حالا میشه فهمید چرا در مدار باک یک فیلتر پایین گذر قرار دادیم
برای اینکه بتونیم از سوئیچینگ استفاده کنیم سیگنال رو به PWM تبدیل کردیم و این سیگنال رو دادیم به سوئیچ و سوئیچ هم اونو برامون تقویت کرد و در آخر اونو دادیم به یه فیلتر پایین گذر و آشکارش کردیم
یادتون هست که سوئیچ می تونست فقط قطع و وصل بشه و حالا که با ولتاژ میشه اونو قطع و وصل کرد میشه سوئیچ رو به عنوان یک تقویت کننده پالس شناخت به همین خاطر با سوئیچینگ میشه سیگنال رو خیلی تقویت کرد و راندمان بالایی هم داره البته کلید ایده ال تلفاتش صفر هست ولی ما اینجا سوئیچ ایده ال نداریم و هر کار کنیم بازم یکم تلفات رو داریم که بعدعا مفصل توضیح میدیم.

حالا میشه با استفاده از یک تقویت کننده معکوس کننده سیگنال خطا رو تولید کرد. سیگنال خطا سیگنالی هست که می تونه اختلاف یه سیگنال مرجع رو با سیگنال اصلی نشون بده و اگر از تقویت کننده معکوس کننده استفاده کنیم میشه وقتی که ولتاژ خروجی زیاد شد اونو کم کرد و وقتی کم شد زیادش کرد یعنی یه جورایی تثبیتش کرد. حالا این سیگنال خطا رو باید بدیم به مقایسه کننده تا با یه موج مثلثی یا دندانه اره ای ( فرق زیادی هم ندارن ) مقایسه بشه و PWM تولید بشه

اینم یه کنترلر با نمونه برداری از جریان :

پس برای کنترل باک
به یه تقویت کننده معکوس کننده و یک ولتاژ مرجع که می تونه متغییر هم باشه
یک مقایسه کننده + یک موج مثلثی و یا دندانه اره ای
و یک ماسفت درایور نیاز داریم تا بتونه سوئیچ رو روشن یا خاموش کنه
همه اینا امروزه تو یه ای سی هست و ای سی های زیادی هم برای این کار ساخته شده مثل TL494
اینم مدار باک با TL494 :

حالا اگه بخوایم یه مدار خودمون درست کنیم برای کنترلر به دانش الکترونیک برمی گرده و باید دارای ویژگی هایی باشه مثل ثبات و پایداری و حذف نویز و ... که اگه بخوایم اینا رو بگیم خیلی خیلی طولانی خواهد شد. اما شما می تونید با تحقیق راجع به مداراتی که گفتم خودتون به راحتی یه کنترلر واسه باک بسازید ولی امروزه ای سی های مجتمع این امکان رو به شما میدن که با یه ای سی کل مدار رو کنترل کنید.

[ناصر منتظری]

سوئیچینگ و تلفات سوئیچ

قبلا گفتیم :
از ترانزیستورها در سوئیچینگ در ناحیه قطع یا اشباع استفاده می شود که در نتیجه یا جریان آن صفر است و یا ولتاژ آن که این امر سبب می شود تلفاتی روی عنصر سوئیچ نداشته باشیم و راندمان در تئوری به 100 در صد می رسد.
معمولا سوئیچ های مورد استفاده ماسفت های قدرت هستند که ماسفت ها عناصر کنترل شده با ولتاژ هستند و موجب می شود تلفات کنترلی نداشته باشیم .ماسفت ها در حالت قطع مانند یک کلید باز عمل می کنند و در حالت وصل مانند یک کلید بسته پس در ناحیه قطع و اشباع توانی را هدر نمی دهند زیرا توان مصرفی یک کلید ایده آل صفر است.
همچنین ماسفت ها فرکانس کاری بالایی دارند و کنترل کردن آنها بسیار ساده است.
ماسفت مانند کلید است و کلید انرژی را مصرف نمی کند !!! ( اما هیچ وقت یک ماسفت مانند یک کلید ایده آل نیست oo
اما در عمل چند نوع تلفات داریم: :sad:
تلفات ناشی از (R ds (on :
که مقاومت داخلی ماسفت در حالت روشن بودن می باشد و این مقاومت در اثر عبور جریان تلفاتی در پی دارد که طبق رابطه (P=RI^2*R ds (on توانی در خود ماسفت تلف خواهد شد و هر چه جریان بیشتر باشد تلفات بیشتر خواهد بود اما راه حل آن استفاده از ماسفت های با کیفیت تر می باشد که (R ds (on آنها بسیار کم است.
Pcond= (R ds (on))/(R l)*Po
2- تلفات گیت :
به علت ساختار نیمه هادی ماسفت ها همیشه چند خازن پارازیتی شکل می گیرد که این خازن در فرکانس بالا بسیار حائز اهمیت می شود . و بر طبق رابطه ی زیر توانی را هدر می دهد :
P gd=2*Qg*Vgs*f
که در آن خازن گیت و فرکانس سوئیچینگ و همچنین ولتاژ گیت سورس تاثیر گذارند.
راه حل آن بهبود درایو و همچنین کاهش فرکانس تا حد نیاز و همچنین استفاده از ماسفت با کیفیت تر می باشد.
3- تلفات سوئیچینگ روشنی و خاموشی :
که این امر ناشی از تلفات سوئیچ در هنگام روشن شدن و خاموش شدن می باشد که این تلفات بسیار زیاد خواهد بود و حتی می تواند با افزایش دما سبب سوختن ماسفت و مدار شود.
Psw=Coss*〖Vbus〗^2*f+Id*Vds*tf*f
و در نتیجه تلفاتی که روی ماسفت ها خواهیم داشت مجموع سه توان فوق می باشد.
اما می توان با استفاده از ماسفت های با کیفیت از توان تلفاتی مقاومت درین سورس و همچنین تلفات گیت صرف نظر کرد اما تلفات سوئیچ همچنان پا برجاست و همان طور که طبق رابطه نشان داده شده است رابطه مستقیم با فرکانس دارد و اگر بخواهیم این تلفات را کم کنیم باید فرکانس را تا حد ممکن کمتر انتخاب کنیم . اما هرچه فرکانس کمتر باشد قطعات صافی مورد استفاده در مدار و همچنین ترانس و ایزوله کننده بزرگتر و حجیم تر می شوند در نتیجه قیمت افزایش می یابد.

[ناصر منتظری]

دیوتی سایکل

همان طور که می دانید
برای کنترل یک منبع تغذیه سوئیچین و یا آمپلی فایر سوئیچینگ به PWM نیاز داریم. در یک موج مربعی می توان پارامتری به نام دیوتی سایکل تعریف کرد:
که عبارت است از مدت زمان روشنی به زمان کل
که زمان کل میشه همون زمان دوره تناوب

دیوتی سایکل رو هم با ( D.C. ( duty cycle نشون میدن که یه پارامتر نسبی هست بر حسب درصد %

در مدار باک هر چه دیوتی سایکل بیشتر باشه انرژی ای که تو سلف و خازن ذخیره میشه بیشتره و باعث میشه سطح ولتاژ خروجی بیشتر بشه
و اگر دیوتی سایکل کمتر بشه ولتاژ خروجی کمتر میشه
پس مدار کنترلر که قبلا بررسی شد ولتاژ خروجی مدار رو بررسی می کنه یعنی ازش نمونه می گیره و بعد اختلاف اونو با یک ولتاژ مرجع مقایسه می کنه و اونو به صورت یه ولتاژ ثابت در میاره و میده به مقایسه کننده و مقایسه کننده هم این ولتاژ رو که از تقویت کننده خطا یا ارور امپلی فایر گرفته با یک مثلی رمپ یا مثلثی یا دندانه اره ای (فرق نداره زیاد) مقایسه می کنه و خروجی PWM میده حالا این PWM می تونه با تغییر عرض پالس خروجی مقدار روشنی و یا خاموشی سوئیچ رو کنترل کنه و در نتیجه مقدار سطح خروجی کنترل میشه و میشه یک رگولاتور
حالا اگه بخوایم ولتاژ خروجی رو تغییر بدیم دو راه داره یکی اینکه بیایم مقدار ولتاژ مرجع رو تغییر بدیم و یا اینکه بیایم مقدار ولتاژ نمونه برداری شده رو تغییر بدیم که در این صورت مدار کنترلر خروجی خودش رو برای یک سطح ولتاژ جدید تنظیم می کنه و با تغییر D.C مقدار خروجی رو تغییر می کنه

اگر خوب به عکس بالا نگاه کنیم و مدار باک رو به خاطر بیاریم متوجه میشیم که چرا در خروجی مدار باک یک فیلتر پایین گذر داشتیم که از سلف و خازن تشکیل شده بود و کارش میان گین گیری بود.
اگر از هر کدوم از شکل ها میانگین بگیریم می بینیم که سطح ها مختلفی خواهیم داشت و می تونیم درک کنیم که چگونه یه مدار باک می تونه خروجی رو کم و زیاد و همچنین تثبیت کنه
نکته ی دیگه هم اینه که مدار باک فقط می تونه ولتاژ رو کاهش بده و تثبیت کنه که این مطلب هم به راحتی قابل درک هست.
و میشه برای رگولاتور باک نوشت :
Vo= Vs * D.C
که گفتیم دیوتی سایکل D.c هست البته اینجا دیگه برحسب درصد نمی نویسیم و بدون واحد قرار میدیم
پس الان دیوتی سایکل ما یک عدد هست بین صفر تا یک
چون دیوتی سایکل میشه زمان روشنی به کل زمان تناوب
و هیچ وقت نمی تونه بیشتر از یک بشه :read:

[ناصر منتظری]

معرفی آی سی های کنترلر باک

سلام ابتدا به دو مدار زیر نگاه کنید ، این دو مدار مدار داخلی ای سی های باک هستند.
می بینید که مدار کنترلری که توضیح دادیم در داخل این ای سی ها وجود داره.


البته به چند تا نکته توجه کنید :
تقویت کننده خطا می تونه یک اپ امپ با گین 1- باشه
اون علامت - هم برای اینه که ما می خوایم معکوس عمل کنه یعنی اگه ولتاژ خروجی کم شد (در اثر بار گذاری) کنترلر بتونه ولتاژ خروجی رو زیاد کنه و اگر هم به هر دلیلی زیاد شد مدار ولتاژ رو کم کنه و بتونه اونه تثبیت کنه.
مقایسه کننده ای که قراره PWM تولید کنه حتما باید مقایسه کننده پر سرعت باشه و نمی تونه اپ امپ باشه چون اپ امپ در فرکانس پایین یه مقایسه کننده خوب هست . معمولا مقایسه کننده ها اپن کلکتور هستن یعنی خروجیشون حتما باید با یه مقاومت به Vcc وصل بشه تا زمانی که خواستن نتیجه مقایسه رو نشون بدن به کمک این مقاومت خروجی رو در وضعیت "های" یا یک در بیارن به این مقاومت مقاومت بالاکش میگن
در بعضی ای سی ها محدود کننده جریان ، محافظت حرارتی و ... وجود داره
یکی از ای سی های خوب LM2576 است که با فرکانس 52 کیلوهرتز کار می کنه
ای سی دیگر برای رگولاتور باک LM2596 هست که با فرکانس 150 کیلو هرتز کار می کنه

ای سی های زیاد دیگری هم هست که به راحتی در اینترنت پیدا میشه و برخیاشون ویژگی های بسیار عالی و جالبی دارن مثلا خود LM2576 انواع مختلفی داره که میشه باهاش به راحتی یه منبع 3 آمپر خوب ساخت و بهتره خودتون دیتاشیتش رو کامل ببینید.

[ناصر منتظری]

اسنابر چیست ؟

اول یه چند نکته راجع به دیود فست :
حتما باید جریانش بیشتر از جریان مدار باشه حدود 1.5 برابر تا خیالمون راحت بشه که نمی سوزه
حتما باید ولتاژش بیشتر از ولتاژ ورودی اصلی باشه تا وقتی سوئیچ وصل هست بتونه این ولتاژ رو تحمل کنه البته بازم بهتره مقدار ولتاژ رو هم بیشتر انتخاب کنیم تا نویز و اعوجاج های ناشی از عمل سوئیچ که باعث میشه برخی اوقات ولتاژ یک دفعه بالا بره هم باعث سوختن دیود نشه
دیود باید حتما فست باشه یا شاتکی چون دیود شاتکی هم سرعتش بالاست.

حالا این بالازدگی ولتاژ ناشی از سوئیچینگ چی هست ؟
خیلی ساده میشه گفت هر سیم حتی سیم خیلی کوتاه می تونه مثل یک سلف عمل کنه ( مخصوصا در فرکانس بالا ) سلف هم که گفتیم به تغییرات جریان حساسه ، پس وقتی ما از یک سوئیچ با سرعت بالا استفاده می کنیم این سلف های ناخواسته باعث میشن ولتاژ ما یه تغیراتی داشته باشه و در موج مربعی یک بالا زدگی هایی رو ایجاد می کنه که هرچه قدر سرعت یعنی فرکانس بیشتر باشه و یا سلف های نا خواسته بیشتر باشه این بالازدگی ها بیشتر میشه

مثلا در شکل سمت راست می بینیم که بالا زدگی ها بیشتره پس یعنی سلف های نا خواسته و فرکانس بیشتره :

اما راه حل چیه ؟
راه حل استفاده از مدار اسنابر هست
اسنابر مثل یه خفه کننده عمل می کنه و این بالازدگی ها رو تا حدی از بین می بره
ساده ترین مدار اسنابر مدار ارسی هست که با یک خازن صدنانو و یک مقاومت صد اهم مثلا میشه یه اسنابر ساخت.

اسنابر با سوئیچ موازی میشه و البته واسه دیود هم میشه اسنابر گذاشت چون دیود هم مثل سوئیچ عمل می کنه (سوئیچ غیر کنترلی )


اسنابر بالازدگی ها رو کم می کنه اما شاید نتونه به طور کامل همه این بالا زدگی هارو از بین ببره
اسنابر های زیادی هم وجود داره ولی ما به همین مقدار اکتفا می کنیم شما می تونید انواع اسنابر و عملکردشون رو در اینترنت بیابید.
برای سوئیچ مدار های سوئیچینگ بهتره اسنابر گذاشت تا نویز ها و اعوجاج های نا خواسته کمتر بشه و خروجی صاف تر بشه
البته خروجی یک منبع سوئیچ همیشه مقداری نویز و اعوجاج و یا ریپل داره اما شاید خیلی کم باشه ولی برخی اوقات همین مقدار کم هم خوب نیست به همین خاطر پیشنهاد میشه برای تغذیه مدارات حساس مثل میکرو ها از منابع خطی استفاده بشه و یا اینکه ابتدا یک منبع سوئیچ بزاریم و خروجیش رو بدیم به یک منبع خطی تا کاملا ولتاژ خروجی رو صاف صاف کنه.
با درک درست این نکات کامل می فهمیم چرا در مدار های سوئیچ باید وقتی PCB مدار رو می کشیم نکات زیادی رو رعایت کنیم (مثلا با کوتاه کردن مسیر سلف های ناخواسته رو کم می کنیم ) همچنین چون فرکانس کار بالاست مسیر ها باید پهن باشن چون فرکانس بالا از سطح سیم میگذره فقط ، همین فرکانس بالا ما رو مجبور می کنه برای پیچیدن سلف به جای یه سیم از جند سیم موازی با هم استفاده کنیم. چون فرکانس بالا از دور سیم عبور می کنه نه مرکز سیم و علتش هم اینه که الکترونها همدیگر رو میزنن کنار و میرن دور سیم که البته بحث تخصصیش مربوط به فیزیک الکترونیکه که ما واردش نمیشیم!.

[ناصر منتظری]

مرور آموزش سوئیچینگ به زبان ساده

خوب تا الان مباحث زیر گفته شد : :wow:
مقدمه سوئیچینگ
مدار باک و محاسبت
عملکرد ای سی های باک
اسنابر و PWM
کنترلر منبع باک توسط دیوتی سایکل موج PWM
لطفا اگر سوالی در مورد موضوعات فوق دارید در تاپیک پرسش و پاسخ بپرسید. oo:
در ادامه سایر توپولوژی ها گفته می شود و مطالب به مرور قرار می گیرد. البته چون همه مطالب رو باید تایپ کنم یکم دیر به دیر مطلب میزام.
البته خیلی از مطالب که چندان نیاز نیست گفته نمی شود اما دوستان می تونن به راحتی با یکم تحقیق و جست و جو در اینترنت همه مطالب رو کامل بفهمن . در ضمن نکات مختلف هم به مرور بیان میشه :read:
خیلی از نکات هم داخل عکسها و خود متن بیان شده که نیاز به تفکر و تحقیق داره اگر هم جایی از بحث دچار مشکل یا اشتباه بود لطفا حتما از طریق پیغام خصوصی اطلاع بدید تا در اولین فرصت اصلاح کنم.
برای منابع هم میشه : :read:
کتاب های Switching power supply نوشته پرسمان و یا کتاب شرکت موتورولا و یا کتاب سوئیچینگ مارتی براون و همچین کتاب منابع تغذیه سوئیچینگ دکتر ابریشمی فر و مطالب دیگر در این انجمن و سایت های مختلف رو بخونید.
از همه ی شما دوستان عزیز که ما رو همراهی می کنید متشکرم .