در این مبحث به طراحی و ساخت یک منبع تغذیه ولتاژ بالا ۲۵۰۰ ولتی با توان ۵۰ وات می پردازیم . جهت ساخت این منبع تغذیه سوییچینگ از توپولوژی فلایبک استفاده میشود که به علت نداشتن سلف خروجی طراحی تغذیه ولتاژ بالا را راحتتر میکند.
همانطور که در شکل ۱ دیده میشود در قسمت اول ولتاژ ac به ولتاژ dc تبدیل میشود. این ولتاژ dc به قسمت بعدی که مدار سوئیچ میباشد، فرستاده میشود. مدار سوئیچ در فرکانس ۵۰khz برای تبدیل ولتاژ dc به موج مربعی فرکانس بالا کار میکند. این موج مربعی فرکانس بالا در قسمت بعدی که ترانسفورماتور میباشد تا سطح ولتاژ مورد نظر افزایش مییابد و در قسمت بعد دوباره یکسو شده و خروجی مورد نظر ساخته میشود.قسمتی از ولتاژ خروجی در قسمت فیدبک با ولتاژ مرجع مقایسه میشود و در همین قسمت سیگنال تصحیح کننده ساخته میشود و به مدار سوئیچ اعمال میگردد تا با تغییر مدت زمان روشن یا خاموش بودن سوئیچ ولتاژ خروجی را تصحیح کند. یکی از محاسن این منبع این است در مدت زمانیکه سوئیچ روشن یا خاموش میباشد مقدار انرژی مصرفی بسیار کم بوده و در نتیجه بازده این منبع تغذیه ولتاژ بالا ۷۰ تا ۸۰ در صد میباشد. مزیت دیگر این نوع منبع تغذیه ولتاژ بالا این است که ترانسفورماتور آن به دلیل کار در فرکانسهای بالا از حجم بسیار کوچکتری نسبت به ترانسفورماتورهای منبع تغذیه خطی بر خور دار است. این دو عامل باعث کوچک شدن منبع تغذیه میشوند و در ضمن دارای سرعت خوبی هم میباشد.البته این منبع اشکالات عمده ای هم دارد، از جمله: زیاد بودن نویز و ریپل در خروجی آن، تداخل امواج مغناطیسی و رادیویی و پیچیدگی زیاد این نوع منبع تغذیه . اما با طراحی مناسب میتوان این اشکالات را به مقدار زیادی کاهش داد.بلوک محدود کننده جریان وظیفه محافظت از سیستم در زمانی که جریان زیادی از آن کشیده میشود را بر عهده دارد. بلوک (Over Voltage Protection(OVP نیز از بار در مقابل افزایش بیش از حد ولتاژ خروجی محافظت میکند.
مشخصات منبع تغذیه ولتاژ بالا :
ورودی این منبع تغذیه ولتاژ بالا از دو باتری سربی- اسیدی ۱۲ ولت و ۱۰ آمپر- ساعت تغذیه میشود که در مجموع ۲۴ ولت و ۱۰ آمپر است.ورودی این منبع قابلیت تغییر از ۲۰ تا ۳۰ ولت را دارد. خروجی آن ۲۵۰۰ ولت مستقیم و توان ۵۰ وات بوده و دارای یک محدود کننده جریان است. ولتاژ خروجی آن قابل تغییر از صفر تا ۲۵۰۰ ولت است . این منبع تغذیه ولتاژ بالا توسط یک میکرو کنترلر AVR قابلیت تغییر ولتاژ را دارد و دارای یک نمایشگر LCD جهت نمایش ولتاژ و جریان خروجی می باشد .طراحی منبع تغذیه ولتاژ بالا از چند مرحله مجزا تشکیل می شود . ابتدا معایب و مزایای هر یک از توپولوژی های فلای بک و فول بریج را بررسی می کنیم. بعد از انتخاب نوع منبع تغذیه ولتاژ بالا ، طراحی آن به صورت یک منبع تغذیه ولتاژ بالا با ولتاژ خروجی ثابت ۲۵۰۰ ولت انجام می شود . بعد از این مرحله با تغییر زمان کار(duty cycle) موج تولیدی PWM توسط مقاومت متغیر؛ ولتاژ خروجی را تغییر می دهیم. سپس با جایگزینی مقاومت متغیر با میکروکنترلر و مبدل دیجیتال به آنالوگ و مدارهای جانبی آن ؛ به منبع مورد نظر می رسیم. در مرحله اختیاری بعدی می توان از میکروهای سری Dspic جهت حذف سایر قسمتهای آنالوگ سوییچینگ بهره گرفت و با کاهش هزینه و فضای اشغال شده ، به یک منبع تغذیه ایده آل دسترسی پیدا کرد.
با توجه نیاز برای داشتن خروجی صاف ،مقدار خازن خروجی را طوری انتخاب میکنیم تا ریپل خروجی مدار بین ۰٫۱% تا ۰٫۲% قرار گیرد . در این مدار پایداری خروجی با استفاده از مدار فیدبک مناسبی که برای آن در نظر گرفته شده است تامین می شود و با توجه به تغییر ناگهانی مقدار بار خروجی و یا مقدار ولتاژ ورودی سعی می شود تا در حداقل زمان ممکنه خروجی روی مقدار ثابت اولیه تنظیم شده قرار گیرد و با کمترین نوسان در خروجی به ولتاژ تنظیم شده اولیه برسیم. این منبع قابلیت جریان دهی حداکثر ۲۰ میلی آمپری را دارا می باشد و در صورت افزایش جریان خروجی از حد مجاز تعریف شده یک مدار محافظ جریان مانع از افزایش آن شده . نظارت بر مقدار جریان خروجی در هر پالس صورت میگیرد و به همین خاطر سرعت بالایی در تشخیص اضافه جریان وجود دارد. مقدار ولتاژ نیز با نمونه گیری از خط خروجی و ارسال آن به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال صورت گرفته و محدوده تغییر آن توسط میکرو کنترل میشود تا از حداکثر مقدار مجاز تجاوز ننماید.
در مباحث پیشین مطلبی در مورد ساخت یک منبع تغذیه ولتاژ بالای ۳کیلو ولتی به روش توپولوژی پوش پول بررسی شد.
ترانزیستور سوئیچینگ در مبدل فلای بک:
ترانزیستور مورد استفاده در مبدل برگشتی، طوری انتخاب میشود که بتواند حداکثر ولتاژ کلکتور را در حالت خاموش بودن و حداکثر جریان کلکتور را وقتی ترانزیستور روشن است، تحمل کند. حداکثر ولتاژی که کلکتور ترانزیستور در زمان خاموش بودن باید تحمل کند، برابر است با:
(Vce(max)=Vin/1-δmax (۱
که Vin ولتاژ مستقیم ورودی و δmax ماکزیمم duty cycle میباشد.
بر طبق آزمایشات انجام شده و معادله (۱)، برای داشتن ولتاژ مناسب در کلکتور، duty cycle باید کمتر از ۵۰% باشد. یعنی δmax<0.5 . معمولا، δmax حدود ۰٫۴ میباشد، در نتیجه Vce(max)<2.2Vin میشود. بنابراین ترانزیستورهایی با ولتاژ کاری در حدود ۸۰۰ ولت در طراحی مبدلهای برگشتی استفاده میشوند.
دومین موردی که در انتخاب ترانزیستور باید در نظر گرفت، تحمل ترانزیستور در مقابل حداکثر جریان کلکتور است. وقتی که ترانزیستور روشن میباشد، این جریان از فرمول زیر بدست میآید:
(Ic=IL/n=IP (۲
که IP ماکزیمم جریان اولیه ترانسفورمر، n نسبت تعداد دورهای اولیه به ثانویه و IL جریان بار میباشد.
عملیات زیر را برای بدست آوردن یک فرمول که حداکثر جریان کلکتور را بر حسب توان خروجی و ولتاژ ورودی بیان میکند، انجام میدهیم. معادله جریان با توجه به انرژی منتقل شده از چک به خروجی به صورت زیر نوشته میشود.
معادله(۳)
ƞ راندمان مبدل میباشد.
ولتاژ از سر ترانسفورمر توسط معادله زیر بیان میشود:
معادله(۴)
اگر فرض کنیم که di=Ip میباشند، پس معادله (۴) به صورت زیر نوشته میشود:
معادله(۵)
و یا
معادله(۶)
با قراردادان معادله (۶) در معادله ۵ نتیجه میگیریم:
معادله(۷)
با قرار دادن معادله ۶ در معادله ۳ نتیجه میگیریم:
معادله(۸)
با قرار دادن معادله ۷ در معادله ۲ حداکثر جریان کلکتور را بر حسب توان خروجی بیان میکنیم.
معادله(۹)
برای ساده تر کردن معادله ۹ مقدار راندمان را ۸/۰ (۸۰%) و مقدار ماکزیمم را ۴/۰ در نظر میگیریم. پس داریم:
معادله(۱۰)
چک ترانس در مبدل فلای بک:
چون ترانس فلایبک تنها از نیمی از فلوی عبوری استفاده میکند، یک مشکل پتانسیل به وجود میآورد که آن به اشباع رفتن هسته میباشد. برای حل این مشکل دو راه وجود دارد. راه اول استفاده از یک هسته بسیار بزرگ و روش دوم ایجاد فاصله هوایی میباشد. حجم تقریبی چک ترانس بوسیله معادله زیر داده میشود.
که (IL(max حداکثر جریان بار و µe ماکزیمم چک میفلو هسته میباشد.
بخش کنترل کننده منبع تغذیه:
لازم به ذکر است که مدار کنترل PWM دارای اجزائی میباشد که میتوان با ساختن تک تک قسمتها به طور جداگانه و اتصال آنها، مدار مزبور را تحقق بخشید. ولی شرکتهای بزرگ سازنده مدارهای مجتمع، تمامی قسمتهای فوق را در یک تراشه جهت سادهتر و کوچکتر شدن حجم سیستم ساخته و بـه بازار عرضـه نموده اند. از جـمله این کارخانهها شرکت MOTORLA میباشد.
آی سی UC3842،آی سی اصلی این منبع تغذیه میباشد. این وسیله دارای ولتاژ مرجع ۵ ولت، تقویت کننده خطا،محدود کننده جریان، اسیلاتور قابل برنامه ریزی، فیلیپ فلاپ پالس فرمان، لچ RS ، مدار shutdown و خروجی totem-pole میباشد، که در زیر بررسی کار این مدار را انجام میدهیم. ولتاژ تغذیه آی سی از ۱۶ ولت تا ۳۰ ولت می باشد. این ولتاژ برای راه اندازی آی سـی است که به پین ۷ آی سـی وارد شده است. در خط ورودی این آیسی یک خازن ۱۰۰uF قرار میدهیم تا استارت اولیه توسط این خازن ایجاد میشود و علاوه بر این، خازن دیگری به اندازه ۱۰۰nF، برای جلوگیری و حذف نویز استفاده شده تا ولتاژ دقیق و ثابتی به آیسی برسد.
همچنین در این آی سی یک مقایسه گر سطح ولتاژ به کار برده شده است و بدین صورت عمل میکند که اگر سطح ولتاژ ورودی از یک حدی کمتر شود، باعث قطع مدار میگردد. برای تولید پالس مربعی از یک از یک نوسانگر داخلی استفاده شده که مقدار فرکانس آن توسط خازن و مقاومت وصل شده به پایه ۴ تعیین می شود. مقادیر RT و CT از روی منحنی مربوط که ضمیمه میباشد و یا از رابطه تقریبی زیر بدست می آیند:
بخش فیدبک :
حال به بررسی بخش کنترل میپردازیم. مدار کنترل اصلی از نوع مدولاتور عرض پالس pwm میباشد، که نحوه کار این نوع مدارهای کنترل به طور کامل در بخشهای قبل توضیح داده شده است. ولی اگر بخواهیم مروری مختصر داشته باشیم به صورت زیر بیان میکنیم. قسمت کنترل با دریافت ولتاژ خروجی به عنوان ورودی و مقایسه آن با یک سطح ولتاژ، ولتاژ خطا را تولید مینماید. این مقایسه توسط یک مقایسه کننده ساده که از یک تقویت کننده عملیاتی opamp تشکیل گردیده است، انجام میشود.
تفاضل ولتاژ ثابت ۲٫۵ ولتی توسط خود آی سی ساخته می شود و ولتاژ تقسیم شده از خروجی که به pin2 داده شده است توسط تقویت کننده خطا (Error Amp.) تقویت شده و نتیجه آن با مقدار جریان اندازه گیری شده در هر پالس مقایسه می شود و خروجی به یک فلیپ فلاپ داده می شود تا پالسی متناسب با مقادیر ولتاژ و جریان مورد نظر در خروجی تولید شود و میتواند هرگونه جبران دلخواهی را جهت پایداری سیستم به مدار اعمال کند.
لازم به ذکر است که برای داشتن یک ولتاژ مرجع ثابت و پایدار، یک رگولاتور خطی در داخل این آی سی قرار دارد که ولتاژ مرجع ۵ ولت با۱% دقت را بوجود میآورد و از طریق پایه ۸ در اختیار کاربر میباشد .
خروجی تقویت کننده خطا به پایه منفی مدار مدولاتور عرض پالس pwm رفته و به پایه مثبت این مدار نیز ولتاژ رمپ با دامنه ۲٫۵ ولت اعمال میگردد که مدار مدولاتور عرض پالس یا pwm با پردازش سیگنال خطا، پالسهایی با پهنای متفاوت بوجود میآورد. در طبقه خروجی، یک گیت وجود دارد که همراه با دو ترانزیستور به کار برده شده است. در این قسمت یک گیت وجود دارد که در واقع کار دو گیت NOR و OR را انجام میدهد، شکل ظاهری این گیت همراه با دو ترانزیستور متصل به آن در زیر آمده است.
لازم به ذکر است که در فرکانسهای بالا معمولا از ترانزیستورهای اثر میدان(MOSFET) استفاده میشود؛ که در این طرح نیز ترانزیستورهای سوئیچینگ از همین نوع میباشند.
در شکل زیر بخشی از مدار فلای بک شبیه سازی شده توسط برنامه شبیه سازOrcad به همراه نمودار خروجی آن آورده شده است.
شکل موج خروجی :
در سمت کنترل کننده PWM از یک ریز کنترل کننده AVR استفاده میشود تا بتواند از طریق ایجاد یک مقاومت متغیر با مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC پهنای پالس خروجی از UC3842 را تغییر داده و ولتاژهای خروجی متغیری را تولید کند. به دلیل زیاد بودن سطح ولتاژ خروجی؛ این ولتاژ توسط مقسم ولتاژ به یک مقدار قابل قبول درمحدوده مشخصی تبدیل می شود تا بتوان مقدار آن را توسط بخش ADC به مقدار دیجیتال متناظر با آن تبدیل کرد. در سمت میکرو از یک نمایشگر کاراکتری جهت نمایش ولتاژ خروجی استفاده می شود. برای دریافت و ارسال اطلاعات لازم جهت تعیین ولتاژی خاص و ارسال اطلاعات مختلف منبع به بخش های دیگر از پورت سریال بهره گرفته می شود.
در مدار زیر ولتاژ تغذیه منبع از طریق کانکتور Vbat از طریق باتری تامین میشود و برای جلوگیری از ریپل و نویزهای فرکانس بالا در سر راه آن در مدار از خازن های الکترولیت و خازن های سرامیکی بهره گرفته میشود.
با توجه به راه اندازی آی سی کنترلر جریان با حداقل ولتاژ ۱۶ ولت از یک رگولاتور ولتاژ به نام LM317 استفاده میشود تا ولتاژ لازم جهت راه اندازی آی سی را فراهم نماید. فرکانس کاری آی سی سوییچینگ روی ۵۰ کیلو هرتز تنظیم شده است .
خروجی پالس مربعی توسط آی سی پایه ۳ آن است و برای جلوگیری از منفی شدن ولتاژ آن از یک دیود شاتکی استفاده میشود و برای کنترل سرعت خاموش و روشن شدن مسفت متصل به آن از دو مقاومت و یک دیود استفاده میشود .
برای اندازه گیری جریان پیک سمت اولیه ترانس از دو مقاومت سری شده با درین سورس مسفت استفاده شده است تا جریان اندازه گیری شده به بخش کنترل کننده فرستاده شود و پهنای پالس اعمال شده به مسفت با توجه به جریان مصرفی قابل تنظیم باشد. در بخش خروجی با یکسو کردن و صاف کردن ولتاژ سینوسی ایجاد شده از یک مدار دیود خازن بهره گرفته میشود.
برای بخش فیدبک مدار نیز احتیاج است تا با در نظر گرفتن حداکثر ولتاژ مورد نظر(با رعایت حداکثر بار خروجی) از یک تقسیم کننده مقاومتی جهت ایجاد ولتاژ ۲٫۵ ولتی مرجع بهره گرفته شود .حال با تغییر بار خروجی و بالطبع آن تغییر ولتاژ خروجی مقدار ولتاژ مرجع ، کم و زیاد شده و بخش کنترل کننده را وادار به تغییر پهنای پالس اعمالی کرده تا بتواند خروجی را در ولتاژ ثابتی قرار دهد.
برای جلوگیری از ایجاد حلقه در بخش زمین مدار و ایجاد یک زمین مناسب سعی شده است تا زمین بخش کنترل کننده و زمین بخش ولتاژ بالا از هم جدا باشند و در نهایت توسط یک اتصال مستقیم به هم وصل شوند .