منبع تغذیه حالت سوئیچ

مقدمه:

برای منبع تغذیه اختصاصی حالت سوئیچ، رگولاتورهای ولتاژ خطی به طور کلی بسیار کارآمدتر و راحت تر از مدارهای تنظیم کننده ولتاژ معادل ساخته شده از اجزای مجزا مانند دیود زنر و یک مقاومت، یا ترانزیستورها و حتی آپ امپ هستند. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی منبع تغذیه حالت سوئیچ می پردازیم.

محبوب‌ترین انواع تنظیم کننده ولتاژ خروجی خطی و ثابت، سری‌های ولتاژ خروجی مثبت 78 … و سری ولتاژ خروجی منفی 79 … هستند. این دو نوع تنظیم کننده ولتاژ مکمل یک خروجی ولتاژ دقیق و پایدار از حدود 5 ولت تا حدود 24 ولت برای استفاده در بسیاری از مدارهای الکترونیکی تولید می‌کنند.

طیف گسترده ای از این رگولاتورهای ولتاژ ثابت سه ترمینالی وجود دارد که هرکدام دارای مدارهای تنظیم ولتاژ داخلی و مدارهای محدود کننده جریان هستند. این به ما اجازه می‌دهد تا مجموعه کاملی از ریل‌ها و خروجی‌های مختلف منبع تغذیه، اعم از منبع تغذیه تکی یا دوگانه، مناسب برای اکثر مدارها و برنامه‌های الکترونیکی ایجاد کنیم. حتی رگولاتورهای خطی ولتاژ متغیر نیز وجود دارد و همچنین ولتاژ خروجی را ارائه می‌دهد که به طور مداوم از بالای صفر تا چند ولت کمتر از حداکثر ولتاژ خروجی آن متغیر است.

اکثر منابع تغذیه DC شامل یک ترانسفورماتور اصلی بزرگ و سنگین، یکسوسازی دیود، تمام موج یا نیمه موج و یک مدار فیلتر برای حذف هرگونه محتوای موج دار از DC یکسو شده برای تولید یک ولتاژ خروجی DC مناسب است.

همچنین، نوعی مدار تنظیم کننده ولتاژ یا تثبیت کننده، خطی یا سوئیچینگ را می‌توان برای اطمینان از تنظیم صحیح ولتاژ خروجی منبع تغذیه تحت شرایط بار متفاوت استفاده کرد. سپس یک منبع تغذیه DC معمولی چیزی شبیه به شکل زیر خواهد بود:

منبع تغذیه DC معمولی:

این طرح های منبع تغذیه معمولی شامل یک ترانسفورماتور اصلی بزرگ (که همچنین جداسازی بین ورودی و خروجی را فراهم می‌کند) و یک مدار تنظیم کننده سری است. مدار تنظیم کننده می‌تواند از یک دیود زنر منفرد یا یک رگولاتور سری خطی سه ترمینال برای تولید ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شود. مزیت رگولاتور خطی این است که مدار منبع تغذیه برای تنظیم ولتاژ خروجی فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و مقداری مقاومت بازخورد نیاز دارد.

رگولاتورهای ولتاژ خطی با قرار دادن یک ترانزیستور رسانای پیوسته به صورت سری بین ورودی و خروجی که آن را در ناحیه خطی خود (از این رو نام) مشخصه های ولتاژ جریان (i-v) آن کار می‌کند، یک خروجی DC تنظیم شده تولید می‌کنند.

بنابراین ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که به طور مداوم خود را با هر مقداری که برای حفظ ولتاژ خروجی صحیح لازم است تنظیم می‌کند. مدار رگولاتور ترانزیستور پاس سری ساده را در زیر در نظر بگیرید:

مدار رگولاتور ترانزیستور سری:

در اینجا این مدار رگولاتور امیتر پیرو ساده از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شده است. از آنجایی که مدار پیرو امیتر دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال یک ولتاژ بایاس مناسب به پایه ترانزیستور، خروجی تثبیت شده از ترمینال امیتر به دست می‌آید.

از آنجایی که یک ترانزیستور افزایش جریان را فراهم می‌کند، جریان بار خروجی بسیار بیشتر از جریان پایه خواهد بود و اگر از آرایش ترانزیستور دارلینگتون استفاده شود، همچنان بالاتر خواهد بود. همچنین، به شرطی که ولتاژ ورودی به اندازه کافی بالا باشد تا ولتاژ خروجی مورد نظر به دست آید، ولتاژ خروجی توسط ولتاژ پایه ترانزیستورها کنترل می‌شود و در این مثال به صورت 5.7 ولت ارائه می‌شود تا خروجی 5 ولت به بار تقریباً 0.7 ولت باشد در ترانزیستور بین پایه و پایانه امیتر رها می‌شود. سپس بسته به مقدار ولتاژ پایه، هر مقدار ولتاژ خروجی امیتر را می‌توان به دست آورد.

در حالی که این مدار رگولاتور سری ساده کار خواهد کرد، اما نقطه ضعف آن این است که ترانزیستور سری به طور مداوم در ناحیه خطی قدرت اتلاف کننده خود به شکل گرما بایاس می‌شود. از آنجایی که تمام جریان بار باید از ترانزیستور سری عبور کند، این منجر به راندمان ضعیف، اتلاف توان V*I و تولید گرمای مداوم در اطراف ترانزیستور می‌شود.

همچنین، یکی از معایبی که رگولاتورهای ولتاژ سری دارند این است که حداکثر جریان خروجی پیوسته آن‌ها فقط به چند آمپر یا بیشتر محدود می‌شود، بنابراین معمولاً در برنامه هایی استفاده می‌شود که خروجی توان پایین مورد نیاز است.

هنگامی که نیاز به ولتاژ خروجی یا تقاضای توان جریان بالاتر باشد، روش معمولی استفاده از یک تنظیم کننده سوئیچینگ است که معمولاً به عنوان منبع تغذیه حالت سوئیچ شناخته می‌شود تا ولتاژ شبکه را به هر خروجی توان بالاتر مورد نیاز تبدیل کند.

منابع تغذیه حالت سوئیچ یا SMPS در حال تبدیل شدن به یک مکان رایج هستند و در اکثر موارد جایگزین منابع تغذیه خطی AC به DC به عنوان راهی برای کاهش مصرف برق، کاهش اتلاف گرما و همچنین اندازه و وزن شده‌اند. منابع تغذیه حالت سوئیچ را می‌توان در اکثر رایانه‌های شخصی، تقویت‌کننده‌های برق، تلویزیون‌ها، درایوهای موتور dc و غیره و تقریباً در هر چیزی که به منبع تغذیه بسیار کارآمد نیاز دارد، یافت، زیرا منابع تغذیه حالت سوئیچ به طور فزاینده‌ای به فناوری بسیار پیشرفته‌تری تبدیل می‌شوند.

طبق تعریف، منبع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از تکنیک‌های سوئیچینگ نیمه هادی به جای روش های خطی استاندارد برای تامین ولتاژ خروجی مورد نیاز استفاده می‌کند. مبدل اصلی سوئیچینگ از یک مرحله سوئیچینگ قدرت و یک مدار کنترل تشکیل شده است.مرحله سوئیچینگ قدرت تبدیل توان را از ولتاژ ورودی مدارها، VIN به ولتاژ خروجی آن، VOUT انجام می‌دهد که شامل فیلتر خروجی می‌شود.

مزیت اصلی منبع تغذیه حالت سوئیچ راندمان بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است و این امر با سوئیچ داخلی یک ترانزیستور (یا ماسفت برق) بین حالت روشن (اشباع) و حالت خاموش (cut-off) به دست می‌آید؛ که هر دو باعث اتلاف توان کمتری می‌شوند.

این بدان معناست که وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً روشن است و جریان رسانا است، افت ولتاژ در آن در حداقل مقدار خود است و هنگامی که ترانزیستور کاملاً خاموش است، جریانی از آن عبور نمی‌کند؛ بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید ON/OFF ایده آل عمل می‌کند.

برخلاف رگولاتورهای خطی که فقط تنظیم ولتاژ کاهنده را ارائه می‌دهند، منبع تغذیه حالت سوئیچ می‌تواند کاهش ولتاژ را ارائه دهد. افزایش و نفی ولتاژ ورودی با استفاده از یک یا چند مورد از سه توپولوژی مدار حالت کلیدی اصلی: Buck، Boost و Buck-Boost که در مقالات بعدی اسکای تک راجع به آن صحبت می کنیم . این نام ها به نحوه اتصال سوئیچ ترانزیستور، سلف و خازن صاف کننده در مدار پایه SMPS اشاره دارد.

نتیجه گیری :

منبع تغذیه حالت سوئیچ مدرن یا SMPS از سوئیچ های حالت جامد برای تبدیل ولتاژ ورودی DC تنظیم نشده به ولتاژ خروجی DC تنظیم شده و صاف در سطوح ولتاژ مختلف استفاده می‌کند. منبع تغذیه ورودی می‌تواند یک ولتاژ DC واقعی از باتری یا پنل خورشیدی یا یک ولتاژ DC اصلاح شده از منبع AC با استفاده از یک پل دیودی همراه با فیلترهای خازنی اضافی باشد.

در بسیاری از برنامه های کنترل توان، ترانزیستور قدرت، ماسفت یا IGFET، در حالت سوئیچینگ خود عمل می‌کند، در صورتی که مکرراً با سرعت بالا «روشن» و «خاموش» شود. مزیت اصلی این است که راندمان توان رگولاتور می‌تواند بسیار بالا باشد زیرا ترانزیستور یا به طور کامل روشن و رسانا (اشباع) و یا کامل (قطع) است.