منبع تغذیه بکاپ سوئیچ

منبع تغذیه بکاپ سوئیچ چیست و انواع آن چه کاربردی در شبکه و سوئیچ های شبکه دارند؟ در ادامه این مقاله قصد داریم شما را با منبع تغزیه بکاپ سوئیچ آشنا کنیم. با آلفا نت ایران همراه باشید تا بتوانید اطلاعات کاملی را بدست آورید.

در وضعیت کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارااست:

• منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply)
• منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا این که SMPS

دوست داستنی‌ترین اشکال رگولاتورهای ولتاژ اثبات و خطی در دو نوع  مدل مختلف با ولتاژ های خروجی مثبت و خروجی های منفی زنده  می باشند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ تکمیل کننده، ظریف و استوار بوده و در محدودۀ ۵ تا ۲۴ ولت میباشد که در بخش اعظمی از مدارهای الکترونیکی به فعالیت می‌رود.

به کارگیری از تهیه کننده‌ها یا این که رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به به کارگیری از مدارهای تهیه کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا این که ترانزیستور و حتی آپ امپ تشکیل شده‌اند عموماً کارامدتر و معمولی‌خیس میباشد.

اکثر اوقات منابع تغذیه جریان بدون واسطه، از یک ترانسفورماتور تعالی و سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی نیم موج یا این که تک تک موج، یک غربال برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی و یکسری تهیه و تنظیم کننده یا این که پایدارساز خطی یا این که سوئیچینگ برای ضمانت تهیه و تنظیم درست ولتاژ خروجی در وضعیت تغییر و تحول توشه تشکیل میشوند. شمای کلی یک منبع تغذیه DC، مطابق صورت پایین میباشد.

ساختار منبع تغذیه

در ورودی این منبع تغذیه یک ترانسفورماتور گرانقدر بعداز برق ac ورودی وجود دارااست. این ترانسفورماتور باعث ایزولاسیون در بین ورودی و خروجی میشود.

منبع تغذیه خطی

مدار قسمت رگولاتور صورت بالا میتواند صرفا یک دیود زنر یا این که یک رگولاتور خطی سه رمز باشد و ولتاژ خروجی متبوع را ساخت و ساز نماید. مزیت رگولاتور خطی این میباشد که در مدار منبع تغذیه تنها به یک خازن ورودی، خازن خروجی و یک سری مقاومت فیدبک برای تهیه ولتاژ نیاز داراست.

رگولاتورهای ولتاژ خطی یک ترانزیستور خصوصی فی مابین ورودی و خروجی تشکیل می گردند. این ترانزیستور به صورت پیوسته جریان را هدایت کرده و رگولاتور یک ولتاژ DC تهیه و تنظیم گردیده را ایجاد می‌نماید. به عبارتی‌سیرتکامل که از اسم رگولاتور خطی بر می آید در حیطه خطی مشخصه جریان-ولتاژ شغل می‌نماید. براین اساس، ترانزیستور بیشتر مشابه یک مقاومت متغیر کار میباشد که به طور پیوسته مقاومتش را با دقت به مقدار ولتاژ خروجی لازم تغییر و تحول می دهد.

صورت ذیل مدار یک رگولاتور امیتر فالوئر معمولی را علامت می دهد که از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تهیه و تنظیم ولتاژ خروجی متبوع تشکیل‌شده میباشد.

مدار رگولاتور ترانزیستوری خطی

از آن‌جایی که مدار یک امیتر فالوئر دارنده سود ولتاژ واحد میباشد، با جاری ساختن ولتاژ بایاس DC مطلوب به بیس ترانزیستور، یک خروجی استوار در ترمینال امیتر نتایج میگردد.

به این دلیل که ترانزیستور منفعت جریان داراست، جریان توشه خروجی بسیار بزرگتر از جریان بیس خواهد بود. در صورتی‌که از یک زوج دارلینگتون به مکان ترانزیستور به کار گیری کنیم، این مقدار سود بیشتر نیز گردد.

همینطور، چنانچه اندازه ولتاژ ورودی به اندازه کافی باشد، می‌قدرت ولتاژ خروجی را با ولتاژ بیس ترانزیستورها در اختیار گرفتن کرد. به عنوان مثال، در مدار صورت بالا در شرایطی‌که ولتاژ بایاس بیس 5.7 ولت باشد، ولتاژ خروجیِ ۵ ولت به توشه انجام گردد، چون نسبتاًً 0.7 ولت میان مبنا‌های بیس و امیتر افت ولتاژ وجود دارااست. بسته به مقدار ولتاژ بیس، می‌اقتدار به هر ولتاژ خروجی دلخواهی برای امیتر دست یافت.

 

زمانی این مدار رگولاتور معمولی عمل می‌نماید که ترانزیستور محرمانه آن به صورت پیوسته در حیطه خطی خویش (مصرف اقتدار) بایاس گردد. در‌این‌صورت، قدرت به فرم گرما تلف می گردد. در سود بازدهی آن ضعیف بوده و موجب ساخت و ساز مداوم گرما شود.

یکی‌از دیگر از معایب رگولاتورهای خطی ولتاژ این میباشد که حداکثر جریان خروجی پیوسته آنان به چندین آمپر محصور میباشد و به همین برهان در مواقعی آیتم به کار گیری قرار می گیرند که در آنان قدرت نادر باشد. هنگامی منابع تغذیه‌ای با جریان و اقتدار بیشتر نیاز داشته باشیم، معمولاً از یک رگولاتور سوئیچینگ استعمال می کنیم که در این‌حالت، منبع تغذیه، «منبع تغذیه سوئیچینگ» (Switch Mode Power Supply) یا این که SMPS نامیده می گردد.

با دقت نقش اصلی منبع تغذیه در سیستم‌های الکتریکی، «فرادرس» مبادرت به نشر فیلم فراگیری عملی تشکیل داد منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و مشابه سازی در MATLAB و PSIM در پوسته یک یادگرفتن ۹ ساعته کرده که در پی متن به آن اشاره گردیده‌است.

منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ یا این که SMPSها به مکان منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به عمل می روند و مصرف قدرت، ساخت و ساز گرما و اندازه و وزن مدار را کاهش می دهند.

طبق تعریف و تمجید، یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه میباشد که از طریق‌های سوئیچینگ بر اساس نصفه‌هادی چهت نیل به ولتاژ خروجی مناسب به کارگیری می‌نماید. یک مبدل سوئیچینگ اساس از یک قسمت سوئیچینگ اقتدار و یک مدار در اختیار گرفتن ساخته شده میباشد. نصیب سوئیچینگ اقتدار، تبدیل اقتدار را از ولتاژ ورودی جاری ساختن می دهد که غربال خروجی نیز دارااست.

رگولاتور سوئیچینگ باک

مبدل های باک یک نوع مدار منبع تغذیه سوئیچینگ هستند که برای کاهش ولتاژ ورودی فارغ از تغییر تحول پلاریته آن پباده سازی گردیده است. به عبارت دیگر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده ولتاژ میباشد که از جمله، ولتاژ‌ 12+ ولت را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می‌نماید.

رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی بی آلایش‌ترین و اما دوستداشتنی‌ترین رگولاتورهای سوئیچینگ میباشد. در مدار این مبدل، مطابق صورت پایین یک ترانزیستور یا این که ماسفت یا این که IGBT توان وجود دارااست.

مبدل باک

این مدار ها دارای سیم های اضافه برای وصل شدن مبدل ها و کابل ها است.

بایاس معکوس گردیده و ولتاژ ورودی

سبب ساز برقراری جریان در سیم‌پیچ سلف گردیده و از روش آن خازن متصل به توشه را شارژ می‌نماید. هنگامی جریان از سلف می‌گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) ساخت‌و‌ساز می‌نماید که طبق ضابطه فارادی تازمانیکه به یک وضعیت به یاد ماندنی رسد با عبور جریان مخالف میباشد.

زمانی که ترانزیستور بی سر و صدا می‌گردد، ولتاژ ورودی مدار امیتر برای لحظه‌ای انقطاع شود و باعث میگردد میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ‌ معکوس کاهش یابد. این ولتاژ معکوس منجر می‌گردد دیود بایاس بی واسطه گردیده و انرژی ذخیره گردیده در میدان مغناطیسی سلف باعث ادامه عبور جریان در سوی پیشین شود. این جریان، توشه را تغذیه می‌نماید و از روش دیود به سلف بر می گردد.

در‌این حالت، تاهنگامیکه ترانزیستور به شرایط هدایت برگردد، سلف، مانند یک منبع، توشه را تغذیه می‌نماید. به طور همزمان، خازن نیز تخلیه می گردد و جریان توشه را تأمین خواهد کرد. مخلوط سلف و خازن یک غربال LC را تشکیل میدهد که ریپل خروجی ساخت‌و‌ساز گردیده به وسیله سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می‌نماید.

به این ترتیب، زمانی ترانزیستور هدایت نماید، جریان از منبع کشیده می گردد و زمانی که هدایت نکند، جریان به وسیله سلف تأمین گردد. اعتنا فرمائید که جریان گذرنده از سلف بایستی همواره هم راستا باشد.

به این ترتیب، هرچه سیکل کاری زیاد گردد، ولتاژ خروجی DC معدل منبع تغذیه سوئیچینگ نیز ارتقاء مییابد. با اعتنا به ارتباط اخیر می‌قدرت مشاهده کرد که ولتاژ خروجی همواره از ولتاژ ورودی کوچکتر میباشد؛ چون سیکل کاری همواره در کمی کوچکتر از یک جای دارد.

یکی مزایای مبدل باک این میباشد که ادغام سلف و خازن آن منجر فیلترسازی مطلوب جریان شود. در موقعیت ایده‌آل، مبدل باک می بایست در مُد سوئیچینگ پیوسته شغل نماید و جریان سلف هیچ‌گاه صفر نشود. در صورتی موادسازنده مدار ایده‌آل باشند، در شرایط ON سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد میباشد.

رگولاتور سوئیچینگ بوست

مبدل یا این که رگولاتور سوئیچینگ بوست نوع دیگری از منبع تغذیه سوئیچینگ میباشد که تلاش آن شبیه مبدل باک میباشد، با این تفاوت که ولتاژ خروجی آن بزرگتر از ولتاژ ورودی بوده و پلاریته ولتاژ‌ ورودی را تغییر و تحول نمی‌دهد. به عبارت دیگر، مبدل بوست یک مدار رگولاتور افزاینده ولتاژ‌ میباشد که مثلا ولتاژ 5+ ولت ورودی را به 12+ ولت در خروجی تبدیل می‌نماید.

در قسمت قبلی ما در رابطه مبدل باک کمی صحبت کردیم و دیدیم که در مدار آن یک ترانزیستور به به طور خصوصی با ورودی قرار می گیرد. ولی در مبدل بوست از یک ترانزیستور سوئیچینگ موازی برای در اختیار گرفتن ولتاژ‌ خروجی مدار به کار گیری می گردد. از آن‌جایی که ترانزیستور به طور موازی با خروجی در مدار مبدل درنظرگرفته شده میباشد، انرژی الکتریکی زمانی از سلف به خروجی منتقل می‌گردد که ترانزیستور بی سروصدا یا این که OFF باشد.

مبدل بوست

در مدار مبدل بوست صورت بالا هنگامی ترانزیستور تماماً ON باشد، انرژی الکتریکی از منبع

به سلف منتقل میشود و از روش ترانزیستور به منبع گشوده میشود. در فیض، هیچ بخشی از جریان به توشه منتقل نمیشود؛ چون در این صورت ترانزیستور اشباع گردیده و مانند یک اتصال کوتاه شغل می‌نماید. بدین ترتیب، جریان گذرنده از سلف زیاد می‌گردد؛ چون یک مسیر داخلی کوتاه‌خیس برای رجوع و برگشت جریان آن به منبع وجود داراست. در همین درحال حاضر، دیود بایاس معکوس میگردد، چون آند آن به جهت هدایت ترانزیستور زمین گردیده‌است. در سود خازن در توشه تخلیه می شود.

هنگامی ترانزیستور به طور کاملً OFF خواهد شد، منبع ورودی از روش سلف و دیود خصوصی به خروجی وصل می شود. از آن‌جایی که در این‌حالت میدان سلف کاهش می یابد، انرژی ذخیره گردیده آن از روش دیودی که در حال حاضر بایاس بی واسطه میباشد و هدایت می‌نماید به خروجی جابجایی می یابد.

جریان خازن خروجی

که برای تغذیه توشه از آن به کار گیری می‌گردد، اینک از منبع و از روش دیود به آن بر می شود. جریانی که خازن را تغذیه می‌نماید به عبارتی جریان گذرنده از دیود میباشد و از آن‌جایی که حالت دیود همواره در بین بایاس معکوس و بدون واسطه تغییر تحول می‌نماید، جریانی تغذیه کننده خازن همواره انقطاع و وصل میگردد. در سود، خازن خروجی بایستی به اندازه کافی والا باشد تا بتواند ولتاژ خروجی را هموار نماید.

ولتاژ القایی

شبیه مبدل باک، ولتاژ خروجی مبدل بوست به ولتاژ ورودی و سیکل وظیفه بستگی دارااست. بدین ترتیب، با در دست گرفتن سیکل وظیفه تهیه خروجی قابلیت پذیر خواهد بود. به عبارتی‌طور که می بینیم، اندازه ولتاژ خروجی غیر وابسته از مقدار سلف، جریان توشه و خازن خروجی میباشد.

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست

بایاس معکوس گردیده است. زمانی که ترانزیستور تماماً بی سروصدا خواهد شد، دیود بایاس بدون واسطه گردیده و انرژی که پیش از اینً در سلف ذخیره گردیده بود به توشه منتقل می شود.

به عبارت دیگر، هنگامی ترانزیستور ON باشد، انرژی از منبع DC به توشه منتقل میگردد و هنگامی OFF خواهد شد انرژی سلف به توشه منتقل گردد. بدین ترتیب، در‌حالتی که ترانزیستور OFF میباشد، ولتاژ توشه برابر با ولتاژ سلف خواهد بود. در سود، ولتاژ‌ خروجی معکوس میتواند بزرگتر یا این که کوچکتر و یا این که هم اندازه با اندازه ولتاژ‌ منبع DC ورودی باشد. از جمله، یک مبدل باک-بوست مثبت به منفی میتواند برای مثالً ۵ ولت را به 12- ولت و یا این که ۱۲ ولت را به 5- ولت تبدیل نماید.

نام این مبدل هم از این مسئله نشات میگیرد و به همین دلیل است که اندازه ولتاژ‌ خروجی آن قادر است بزرگتر (مانند مبدل بوست) یا این که کوچکتر (مانند مبدل باک) از اندازه ولتاژ منبع ورودی باشد. ولی پلاریته ولتاژ خروجی برعکس پلاریته ولتاژ ورودی میباشد.

جمع بندی

منابع تغذیه سوئیچینگ امروزی از سوئیچ‌های موقعیت جامد برای تبدیل ولتاژ ورودی DC تهیه و تنظیم نشده به یک ولتاژ‌ خروجی DC هموار و استوار با سطح ها متفاوت سود میبرند. منبع ورودی قادر است ولتاژ DC یک باتری یا این که ورقه شمسی و یا این که ولتاژ یکسو گردیده یک منبع AC باشد که با به کار گیری از یک پل دیودی با فیلترهای خازنی مطلوب یکسو گردیده‌است.

در بخش اعظمی از کاربردهای در اختیار گرفتن اقتدار، ترانزیستور اقتدار MOSFET یا این که IGFET در مُد سوئیچینگ اتوماتیک می‌نماید و سرعت بالا خموشی و پر‌نور می‌گردد. مزیت مهم دراین باره این میباشد که راندمان قدرت بسیار بالا خواهد بود، چون ترانزیستور یا این که تماماً پر‌نور میباشد و هدایت می‌نماید (اشباع میباشد) یا این که تماماً بی سروصدا میباشد (جدا میباشد).

یکسری نوع مبدل DC/DC متفاوت وجود دارااست که سه نوع اساسی و پر استفاده آنها مبدل‌ها یا این که رگولاتورهای سوئیچینگ باک، بوست و باک-بوست میباشند. این سه توپولوژی غیرایزوله می باشند، یعنی در ولتاژ ورودی و خروجی آنان یک نقطه مشترک زمین وجود داراست.

تهیه و تنظیم ولتاژ خروجی با در اختیار گرفتن درصد مجال پر‌نور بودن ترانزیستور سوئیچینگ نسبت به تمام پر‌نور و بی صدا بودن آن در یک عصر تناوب اجرا میگردد. این نسبتِ مجال پر‌نور بودن ترانزیستور به آحاد مجال پر‌نور و سکوت بودن، سیکل کاری یا این که سیکل وظیفه نامیده میگردد. با تغییر‌و تحول سیکل وظیفه می‌قدرت ولتاژ خروجی مبدل را در اختیار گرفتن کرد.

با استعمال از یک سلف و یک دیود در کنار سوئیچ‌های وضعیت جامدِ سریع با قابلیت و امکان سوئیچینگ در فرکانس‌های چندین کیلوهرتز در پباده سازی منابع تغذیه سوئیچینگ، می‌قدرت اندازه و وزن مدار را به صورت قابل توجهی کاهش بخشید. استدلال این کاهش هزینه و وزن این میباشد که از ترانسفورماتوهای کاهنده یا این که افزاینده در مدار به کار گیری نمیشود. اما در صورتیکه نیاز باشد در بین ترمینال‌های ورودی و خروجی جداسازی و ایزولاسیون ایفا دهیم، بایستی پیش از مبدل یک ترانسفوماتور تعبیه کنیم.

دو تنظیمات دوستداشتنی و رایج منابع تغذیه سوئیچینگ، مبدل‌های باک و بوست می باشند. مبدل باک نوعی منبع تغذیه سوئیچینگ میباشد که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ مشخص و معلوم به سطح ولتاژی زیر‌خیس تبدیل می‌نماید. در مبدل باک یک ترانزیستور به طور خصوصی با منبع ورودی قرار گرفته میباشد. ولتاژ‌ خروجی مبدل باک مدام کمتر از ولتاژ‌ ورودی آن میباشد. مبدل بوست یک منبع تغذیه سوئیچینگ میباشد و به سیرتکامل‌ای پباده سازی گردیده که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ‌ مشخص و معلوم به سطح ولتاژ بالاتری تبدیل می‌نماید. در مبدل بوست یک ترانزیستور وجود داراست که به طور موازی با ورودی در مدار قرار می گیرد. در مبدل بوست، ولتاژ خروجی همواره بزرگتر از ولتاژ ورودی میباشد.

در خروجی مبدل‌ها یک خازن بسیار والا برای هموارسازی ولتاژ وجود دارااست که با اجرا سوئیچینگ ترانزیستور سبب ساز ساخت‌و‌ساز یک ولتاژ‌ اثبات و استوار در خروجی می‌گردد.

برای شناخت بیشتر با منابع تغذیه سوئیچینگ، فراگیری ویدئویی «ایجاد کرد منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و مشابه سازی در MATLAB و PSIM» توصیه می گردد که در آن، مباحث تئوری منابع تغذیه سوئیچینگ یاروهمدم با مشابه‌سازی در قابل انعطاف‌افزارهای MATLAB و PSIM ارائه گردیده است. علاوه بر این، نمونه‌هایی از مراحل پباده سازی مبدل‌ها گفته شده و نقشه‌های فنی آن ها در اپلیکیشن Altium پباده سازی و پیاده‌سازی شد‌ه‌است.