در منابع تغذیه سوئیچینگ جداسازی ورودی-خروجی معمولا توسط ترانسفورماتور انجام میشود. در منبع تغذیه فلایبک ترانسفورماتور علاوه بر کار اصلی خود وظیفه یک چک را بر عهده دارد پس بهتر است که این قطعه را چک–ترانسفورماتور بنامیم.
منبع تغذیه فلایبک جزء منابعی است که انرژی شار درون هسته در فاصله هوایی ذخیره میشود .بر خلاف منابع دیگر که هسته فقط نقش انتقال دهنده شار از اولیه به ثانویه می باشد . شکل ۱ یک مبدل فلای بک که با یک موج مربعی کار میکند را نشان میدهد.
شکل ۱
این مدار بصورت زیر عمل میکند:
وقتی ترانزیستور Q1 روشن است، جریان آن باعث ذخیره شدن انرژی در سیم پیچی اولیه ترانس میشود. بدلیل اینکه پلاریته اولیه و ثانویه ترانس مخالف یکدیگر میباشند، در این حالت دیود خاموش است و هیچ انرژی به بار منتقل نمیشود.
در منبع تغذیه فلایبک وقتیکه ترانسفورماتور خاموش میشود، بدلیل از بین رفتن میدان مغناطیسی، پلاریته ترانسفورماتور بر عکس میشود. حالا دیود روشن میشود، خازن شارژ شده و جریان به بار اعمال میشود. چون ترانسفورماتور هم کار ترانسفورمر و هم کار چک را انجام میدهد، به سلف اضافی در قسمت خروجی احتیاجی نداریم. ولی در عمل یک سلف کوچک برای حذف نویزهای فرکانس بالای ناشی از سوئیچ کردن بعد از دیود قرار میدهند. شکل مو جهای این مدار در شکل ۲ آورده شدهاند.
از آنجایی که در منبع تغذیه فلایبک به سلف خروجی احتیاج ندارد به همین دلیل برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب است زیرا احتیاج به سلفی که قادر به تحمل اختلاف ولتاژ زیاد در خروجی باشد ندارد. این رگولاتور سادهترین و کم هزینهترین رگولاتور شامل ترانس است اما کاربرد آن محدود به توانهای پایین ۱۵۰ وات است زیرا در بالاتر از آن پیک جریان ورودی به حد غیر قابل قبولی بالا میرود.
اصلاح المان سوئیچینگ در منبع تغذیه فلایبک:
ترانزیستور:
کاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوئیچینگ برعهده دارد. در حالت سوئیچینگ ترانزیستورها در حالت اشباع و قطع کار میکنند.برای به اشباع بردن و ماندن در آن نیاز به جریان بیشتری برای بیس وجود دارد .لذا طراح باید بدترین حالت یعنی Bmin و حداکثر جریان کلکتور را در نظر بگیرد.
اشکالات عمده ترانزیستور های دو قطبی:
۱- شکست بهمنی، هنگامی که ترانزیستور خاموش است و یک موج ولتاژ زیاد به پیوند کلکتور بیس می رسد، رخ می دهد.
۲- پدیده شایع تر و پیچیده تر برای فهم، پدیده شکست ثانویه و ازدحام جریان است که در طی پروسه روشن و خاموش سازی رخ می دهد و اینهاپدیده های وابسته به ولتاژ هستند هنگامی که جریان جاری است و ولتاژ نسبتا زیادی بین کلکتور و امیتر وجود دارد رخ میدهد. و این به تلفات لحظه ای نسبتا زیادی که به صورت یکنواخت هم توزیع نشده منجر می شود.
سرعت سوییچ اثر مستقیمی در تلفات سوییچ داردو این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس کاری مدار دارد . تلفات سوئیچینگ از جریان کلکتور به امیتر هنگامی که ترانزیستور از اشباع به قطع می رود (یا برعکس) نشات می گیرد، در این زمان جریان بار کلکتور به جهت خاصیت القایی بار کماکان جاری است. که به تلفات قابل توجهی متناسب با فرکانس کاری منتهی می شود.
در این حالت بهتر است به بیس به عنوان خازن کوچکی بین پایه بیس و امیتر نگاه شود، سرعت شارژ و دشارژ شدن این خازن تعیین کننده فرکانس کاری بین قطع و اشباع است. وجود این خازن طرح را کمی پیچیده می کند.
یک خازن به مقدار ۲۰۰ پیکو تا ۵۰ نانو فاراد به موازات مقاومت بیس نصب می شود. این خازن سرعت دهنده که انباره نامیده می شود شارژ و دشارژ بیس را سرعت می دهد. این خازن عملا یک ولتاژ منفی در بیس هنگام خاموش کردن ترانزیستور ایجاد می کند و اثرات ازدحام جریان را می کاهد. به علاوه ولتاژ بیس امیتر را در طی خاموش کردن منفی می کند.
نکته دیگر که باید در انتخاب ترانزیستور دقت شود، سرعت کلیدزنی و یا فرکانس کار آن می باشد و زمان کلیدزنی ترانزیستورها باید بسیار کوچک (کمتر از یک میکروثانیه) باشد. این زمان شامل تاخیر در روشن شدن، صعود و زمان نزول جریان می باشد.
در غیر این صورت ترانزیستور زمان کافی جهت پاسخ گویی به پالس های اعمالی از مدار کنترل را نخواهد داشت در نتیجه علاوه بر کاهش کیفیت خروجی باعث افزایش بسیار شدید تلفات در ترانزیستور می شود.
مسفت های قدرت :
مسفت های قدرت به عنوان سوییچ های سریع شناخته شده اند. تکنولوژی آنها امروزه خیلی توسعه یافته است وتقریبا بیش از دهها بار سریعتر از سوییچ های BJT میباشند. به علاوه ولتاژ اشباع آنها در مقایسه با ترانزیستور های دو قطبی خیلی کمتر است که همه اینها مسفت را به عنوان بهترین گزینه ها تبدیل کرده است.
مسفت های قدرت اجزا هدایت شونده با ولتاژ گیت هستند و جریان متوسط خیلی کمتری در مقایسه با BJT نیاز دارند. برای اغلب مسفت ها ولتاژ هدایت گیت برای به اشباع بردن آن در حدود ۱۰ ولت میباشد که این خوددر مقایسه با VBE مربوط به BJT ها که در حدود ۰٫۷ ولت میباشد یک مزیت محسوب میشود.
گیت مسفت مانند خازنی با ظرفیت ۹۰۰ تا ۲۰۰۰ پیکو فاراد رفتار میکند. در حالت DC جریان چند نانو آمپر برای کار و اشباع کافی است ولی در حالت عملکرد AC جریان به طرز قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و این بدان معنی است که مدار راه انداز باید امپدانس خیلی کوچکی داشته باشد.ساختار فیزیکی مسفت ها آنها را برای مقاصد سوییچینگ ایده آل کرده است.
طراح با مشکل شکست ثانویه و ازدحام جریان روبرو نیست ولی تلفات سوییچینگ قطعه را گرم میکند . امپدانس هدایت از ۲۰۰ اهم نباید تجاوز کند تا شرایط لازم برای سوییچینگ سریع و شارژ کافی خازن معادل میلر را فراهم کند. در صورت بالا بودن امپدانس درین مدار به یک نوسان ساز بدل شده و تلفات هم افزایش می یابد.
مقاومت گیت همکنون به مقدار ۱۰ اهم تنظیم شده است تا سرعت سوییچ کردن مسفت به حداکثر مقدار خود برسد . مقدار ولتاژ درین-سورس مسفت ۱۰۰ ولت در نظر گرفته شده تا با توجه به اسپایک های حاصله در زمان خاموش شدن مسفت ، شکست ولتاژی در آن روی ندهد و در طول مدت زمانهای طولانی صدمه نبیند و بکار خود ادامه دهد.
اصلاح چک ترانس در منبع تغذیه فلایبک :
در ترانسهای حالت فوروارد جریانهای اولیه وثانویه همزمان جاری میشوند و جهت آنها طوری است که شار ناشی از آنها در هسته همدیگر را خنثی میکنند تنها چیزی که هسته را روی منحنی BH حرکت میدهد جریان مغناطیسکننده است که معمولاً از ۱۰% کل جریان اولیه بیشتر نیست اما در ترانس فلایبک کل جریان اولیه جریان مغناطیسکننده است که میتواند به سرعت هسته را به اشباع ببرد برای جلوگیری از این امر از هستههای فریت گپدار ویا هستههای پودر آهن یا پرمالوی استفاده میشود.
پروسه طراحی ترانسفورمر در منبع تغذیه فلایبک به طور کامل از سایر ترانسفورمر توپولوژی های دیگر منبع تغذیه سوییچینگ متفاوت می باشد . ترانس فلای بک از یک هسته با سیم پیچ اولیه ویک یا چند ثانویه ساخته شده است. مهمترین عامل در طرح ترانسفورمر فلای بک آن است که اولیه قادر به ذخیره انرژی کافی در هسته در زمان مجاز ، جهت حمل قدرت مورد نیاز است.
به علت بالا بودن ولتاژ خروجی ، رعایت نکردن نکات ایمنی در طراحی ترانس باعث مشکلات زیادی در مدار میشود. یکی از آن نکات در نظر گرفتن فاصله پیچیده شدن سیم پیچ اولیه و ثانویه از دو طرف بوبین است که در صورت عدم رعایت این مورد ، احتمال جرقه زدن ولتاژ در بخش خروجی به سایر قسمتهای دیگر ترانس وجود دارد. ایجاد کوپلاژ الکتریکی و مغناطیسی جهت به حداقل رساندن اندوکتانس نشتی جزو موارد مهمی در طراحی ترانس می باشد .
تزویج سیم پیچ اولیه با سیمهایی که شل پیچیده شده اند ایجاد میدان مغناطیسی میکنند که در فضای خالی گردش میکنند و همانند یک القاگر سری اضافی با اندوکتانس اولیه عمل میکند که اندوکتانس نشتی را بوجود می آورند و این اندوکتانس های نشتی در ترانس هستند که تولید اسپایک میکنند و مقداری انرژی را در خود ذخیره میکنند که به خروجی انتقال داده نمیشود و بازدهی هسته را پایین می آورد . یکی دیگر از نکات مهم در پیچیدن ترانس استفاده از عایق های نازک با قابلیت عایق کردن الکتریکی بین دو لایه اولیه و ثانویه ترانس می باشد . چنانچه از عایق مناسبی جهت جدا سازی بین لایه ها استفاده نشود احتمال افزایش خازن پارازیتی بین دو لایه وجود دارد و راهی برای حرکت نویز از ثانویه به اولیه و بالعکس به وجود می آید و همچنین کوپلاژ مغناطیسی هسته نیز کاهش می یابد و مقداری از انرژی مورد نیاز به صورت تلفات به هدر میرود. در صورت استفاده از ورقه های عایق مناسب با درصد ایزوله کنندگی بالای ولتاژی ، از بوجود آمدن خازن و جرقه بین دو لایه جلوگیری میکنیم.
بهتر است که برای کاهش خازن بوجود آمده بین لایه های اولیه و ثانویه از ورقه های فویل مسی عایق شده بین دو لایه استفاده شود که از آن به عنوان حفاظ مغناطیسی نیز استفاده میشود تا جلوی انتشار امواج رادیویی بوجود آمده توسط سیم پیچ ثانویه گرفته شود.در انتخاب اندازه ترانس باید به این نکته توجه شود که تا حد امکان نسبت طول به عرض بوبین ترانس بزرگ در نظر گرفته شود تا از بوجود آمدن تعداد لایه های بیشتر جهت رسیدن به ولتاژ مورد نظر جلوگیری شود و هرچقدر تعداد لایه های پیچیده شده در ثانویه کمتر باشد. اندوکتانس نشتی بوجود آمده کمتر شده و بالطبع مقدار بالا زدگی ولتاژ در هنگام خاموش شدن ترانزیستور اثر میدانی کمتر میگردد و بدین ترتیب خازن اسنابر کوچکتری لازم است که در مدار اسنابر موازی با اولیه ترانس استفاده شود و تلفات در مدار اسنابر نیز کاهش می یابد. یکی دیگر از نکات مهم استفاده از روش سیم پیچی دو گانه و یا چند گانه به جای استفاده از یک سیم ضخیم در قسمت اولیه ترانس می باشد که کمک زیادی به کاهش اندوکتانس نشتی ترانس میکند و تکنیک بعدی یکی در میان بستن سیم پیچ های اولیه و ثانویه می باشد. به طوری که سیم پیچ ثانویه بین دو بخش تقسیم شده از سیم پیچ اولیه قرار میگیرد و بدین ترتیب کوپلینگ بین آنها بیشتر می شود و بخش زیادتری از شار ذخیره شده به ثانویه انتقال داده میشود.
هرچقدر کوپلینگ افزایش پیدا کند مقدار تلفات مدار و اسنابر کمتر می شود.
چون ترانس منبع تغذیه 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.
اصلاح مدارات کنترل رگولاتور سوئیچینگ
بسیاری از منابع تغذیه سوئیچینگ امروزی از نوع ،(کنترل عرض پالس)، میباشند. در این تکنیک، زمان هدایت ترانزیستورهای سوئیچ، در طی یک پریود تغیـیر میکند. که این تغییر، بـرای کنترل و تنظیم ولتاژ خروجی تا یک مقدار ثابت میباشد. (این مقدار ثابت از قبل مشخص شده است).
اگر چه ممکن است روشهای دیگری برای کنترل و تنظیم ولتاژ خروجی استفاده شده باشد، روش بهتری را(به دلایلی نظیر تنظیم بار و پایداری با تغییرات درجه حرارت ) پیشنهاد میکند.
روش جداسازی سیستم رگولاتور سوئیچینگ:
نقش یک رگولاتور یا تنظیم کننده در منبع تغذیه دو قسمت است:
– اول اینکه سطح ولتاژ خروجی منبع تغذیه باید به مقدار کافی از سطح ولتاژ ورودی وسایل و مدارهای الکترونیک و قدرت بالاتر باشد تا افت ولتاژ ناشی از جریانهای مصرفی را جبران کند.
– دوم اینکه باید ایزوله خوب و مطمئن بین ورودی و خروجی داشته باشد، تا مصرف کننده از شوکهای وارده از جریانهای نشتی و ولتاژهای بالا محافظت شود.
در شکل دو بلوک دیاگرام مختلف نمایش داده شده است. این شکلها چگونگی ایزوله کردن قسمتهای مختلف منبع سوئیچینگ را نشان میدهند. این دو بلوک دیاگرام عمومی هستند و برای طراحی هر نوع منبع تغذیه سوئیچینگی مثل تمام پل، نیم پل برگشتی، مستقیم و… استفاده میشوند.
حال به بررسی بلوک دیاگرام شکل میپردازیم. در این شکل، بلوکهای زمین مشترک، با سمبل زمین همانند رسم شده اند. در بلوک دیاگرام تقویت کننده خطا، مدار کنترل و فیلتر خروجی، زمین مشترک دارند. ایزولاسیون بین ورودی و خروجی مدار، توسط ترانس و راه اندازی توسط تـرانس انـجام میشود، که عموما ترانس ، راه انداز بیس یا راه انداز گیت است.
این روش میتواند برای انواع طراحیها، با مبدلهای مختلف استفاده شود. در بلوک دیاگرام مدار کنترل ، المان سوئیچ و فیلتر ورودی، زمین مشترک دارند. که ایزولاسیون بین ورودی و خروجی توسط ترانس و ایزولاتور نوری انجام میشود. این روش بیشتر در مبدلهای برگشتی و مستقیم به کار برده میشود.
اصلاح سیستم
معمولا در منبع تغذیه فلایبک ، یک پالس مربعی برای راه اندازی ترانزیستورهای سوئیچینگ تولید میشود. که با تغییر عرض این پالس، زمان هدایت ترانزیستورها بر طبق آن افزایش یا کاهش مییابد و بدین ترتیب میتوان سطح ولتاژ خروجی را تنظیم کرد. و چون در این نوع رگولاتور المان سوئیچ ،ترانزیستور، در دو حالت روشن و خاموش قرار دارد، پس توانی تلف نمیشود.
مدار کنترل میتواند یک کاناله یا دو کاناله باشد. مدار یک کاناله برای راه اندازی مبدل تک ترانزیستوری مثل مبدل برگشتی و مبدل مستقیم به کار میرود و مدار دو کاناله برای راه اندازی دو ترانزیستور و یا بیشتر از دو ترانزیستور مثل مبدلهای نیم پل، تمام پل و پوش پول، کاربرد دارد.
دارا بودن از ۰ تا ۱۰۰%و تنظیم زمانی برای عدم هدایت همزمان ترانزیستورهای خروجی داشتن هزینه مناسب و کارکرد مطمئن مدار. لازم به ذکر است که مدار کنترل دارای اجزائی میباشد که میتوان با ساختن تک تک قسمتها به طور جداگانه و اتصال آنها، مدار مزبور را تحقق بخشید. در منبع تغذیه فلایبک طراحی شده نیز برای تغییر مقدار ولتاژ خروجی ، نیاز به تغییر پهنای پالس وجود دارد و این تغییر پهنای پالس در خروجی با توجه به تنظیم مقدار ولتاژ مرجع دربخش فیدبک مدار، انجام میشود.
قسمت فیدبک با دریافت ولتاژ خروجی به عنوان ورودی و مقایسه آن با یک سطح ولتاژمرجع، ولتاژ خطا را تولید مینماید. این مقایسه توسط یک مقایسه کننده ساده که از یک تقویت کننده عملیاتی تشکیل گردیده است، انجام میشود. تفاضل ولتاژ ثابت مرجع و ولتاژ تقسیم شده از خروجی 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.
مدار مدولاتور عرض پالس در منبع تغذیه فلایبک یا با پردازش سیگنال خطا، پالسهایی با پهنای متفاوت بوجود میآورد که به ورودی بیس یا گیت ترانزیستورخروجی اعمال می گردد. 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. با توجه به عدم نیاز به پهنای پالس بیشتر از ۵۰ درصد از محدود کننده پهنای پالس بهره برده شده است.