مرجع کامل سیستم های صوتی ایران

در منابع تغذیه سوییچینگ،یک ترانزیستور،عمل کلید زنی را انجام میدهد و به دلیل اینکه فقط دو وضعیت روشن(اشباع)و خاموش دارد،تلفات بسیار کمی بر رویش می افتد.مهم ترین مزیت منابع تغذیه سوییچینگ،بازده ی بالای آنها است.همچنین،منابع سوییچینگ کوچکتر و سبک تر هستند،نسبت به منابع تغذیه خطی و ترانسفورمر ها.بزرگ ترین عیب سوییچر ها،نویز ناشی از کلید زنی در جریان است،به خصوص اگر به خوبی فیلتر نشوند.شماتیک و طراحی های ساده ی این منابع نیز ممکن است ضریب قدرت ضعیفی داشته باشند.

توضیحات:رگولاتور های خطی،ولتاژ مورد نیاز را با از دست دادن توان اضافه در یک مقاومت یا در کلکتور-امیتر یک ترانزیستور در ناحیه ی فعال،فراهم میکنند.منابع خطی،ولتاژ یا جریان نیاز به رگوله شدن را به صورت گرما،در اورده و تلف میکنند.اگر نسبت ولتاژ ورودی به ولتاژ خروجی را به دست اوریم،متوجه تلفات خواهیم شد.

در مقابل،منابع تغذیه سوییچینگ،ولتاژ و جریان خروجی را با سوییچ کردن در عناصر ذخیره همانند سلف و خازن،تنظیم میکنند،با روش ها و پیکره بندی های مختلف.یک المان سوییچ ایده آل(یک ترانزیستور که در ناحیه قطع و اشباع کار میکند نه فعال)هیچ مقاومتی هنگامی که روشن است از خود نشان نمیدهد و وقتی که خاموش است نیز جریانی از خود عبور نمیدهد.به همین دلیل،اگر تمامی قطعات را ایده آل فرض کنیم،این منابع هیچ تلفاتی نداشته و با بازده ی 100%،توان را به بار تحویل میدهند و توانی به عنوان گرما تلف نمیشود.

برای مثال یک منبع ساده،یک منبع تغذیه DC را در نظر بگیرید که میخواهیم ولتاژش را افزایش دهیم،یک سلف،یک کلید الکترونیکی و یک زمین مدار،و یک موج مربعی برای راه اندازی کلید،در نهایت،ولتاژ پیک تا پیک خروجی مدار،از مقدار ولتاژ منبع تغذیه DC اولی،بیش تر خواهد بود.این عمل،به این خاطر اتفاق می افتد که سلف،نسبت به تغییرات جریان،باعث القا کردن ولتاژی دو سر خودش،میشود،و هنگامی که کلید،باز است،این ولتاژ با ولتاژ منبع جمع میشود.اگر یک دیود و یک خازن سر راه خروجی قرار بدهیم،حداکثر ولتاژی که مدار تحویل میدهد،در خازن ذخیره خواهد شد و این ولتاژ،که ولتاژ بالا تری نسبت به ولتاژ منبع اولیه است،به عنوان منبع تغذیه میتواند استفاده شود.

این،یک مدار کانورتر بوست است که همانند ترانسفورمر های افزاینده،ولی برای ولتاژ های DC عمل میکند.منبع تغذیه باک بوست شبیه همین منبع عمل میکند اما خروجی اش،پلاریته معکوس با ورودی دارد.در این مدار،با وصل شدن کلید،سلف شارژ شده و با قطع شدن،جریان خود را به بار میدهد.برخی از منابع باک بوست نیز ولتاژ را کاهش اما جریان را افزایش میدهند.

در سوییچر ها،جریان خروجی مدارات،بستگی به توان ورودی،المان های ذخیره سازی،و توپولوژی مدار دارد.همچنین،بستگی به شکل موج مورد استفاده برای تغذیه سوییچ،که معمولا یک موج مربعی مدوله شده ی پهنای باند است که مقدار DC اش از 0 تا 100 درصد تغییر میکند،نیز دارد.چگالی اسپکتروم این شکل موج،مهم است.فرکانس های بالایی که در این موج وجود دارند،بر روی خروجی،ریپل میاندازند،که با فیلتر های LC قابل رفع است.این نویز ها،یکی از مهم ترین معایبی هستند که هنوز بسیاری،ترانسفورمر های حلقوی را برای کارهای صوتی مناسب تر میدانند،البته امروزه با پیشرفت تکنولوژی این نویز ها به حداقل رسیده اند.

مزایا و معایب سوییچر ها:مهم ترین مزیت سوییچر ها،بازده ی بسیار بالای آنها نسبت به منابع تغذیه خطی است،زیرا ترانزیستور ها در حالت اشباع،توان بسیار کمی در خود تلف میکنند.مزیت دیگر،کوچکتر بودن وسبک تر بودن آنها نسبت به ترانسفورمر های سنگین است(برای نمونه،دستگاه های جوش جدید را با ترانس های جوش قدیمی مقایسه کنید).در حالت استند بای نیز تلفات کمتری نسبت به ترانسفورمر ها دارند.از معایب آنها،میتوان به پیچیدگی ساخت،تولید انرژی در فرکانس و دامنه ولتاژی بالا،که فیلتر های پایین گذر باید آنها را اصلاح کنند تا تداخل مغناطیسی به وجود نیاید،یک ریپل ولتاژ در فرکانس سوییچر ها بر روی خروجی و هارمونیک های آن،اشاره کرد.سوییچر های ساده،ممکن است فیلتر خوبی نداشته باشند و بر روی خط برق،و یا مثلا برق باطری در خودرو،نویز بیاندازند و باعث تداخل در کابل های صوتی و تصویری شوند.همچنین،اگر دارای فیلتر های اصلاح ضریب توان نباشند،بر روی فاز،اعوجاج هارمونیکی میاندازند.یک نوع فیلتر:

مقایسه سوییچر ها با منابع تغذیه خطی:دو عدد منبع تغذیه رگوله شده اصلی وجود دارند،منبع خطی و منبع سوییچینگ.جدول زیر،این دو منبع را با هم مقایسه میکند:

تئوری نحوه ی کار:

بلاک دیاگرام یک منبع سوییچینگ مبدل ACبه DC:

مرحله یکسوسازی ورودی:اگر ورودی سوییچر،ACباشد،باید مرحله ی اول،تبدیل آن به DC باشد.منابع DC به DCهمانند منبع تغذیه امپلی فایر خودرو که برق ورودیشان مستقیم است،نیازی به این مرحله ندارند.بسیاری از منبع تغذیه سوییچینگ همانند پاور های کامپیوتر،در این مرحله ممکن است دارای مدار دوبرابر کننده ی ولتاژ نیز باشند.این کار،به آنها اجازه میدهد که  اگر ولتاژ ورودی،115 ولت بود،انرا به 230 تبدیل کرده و سپس بقیه عملیات را انجام دهند و اگر ولتاژ ورودی 230 ولت بود،به طور نرمال کار کنند.این انتخاب،میتواند به صورت دستی یا خودکار انجام شود.یکسو ساز های دیودی،یک ولتاژ DC رگوله نشده را تولید میکنند که برای صاف شدن،به خازن های بزرگ میرود(بزرگ ترین خازن های پاور های سوییچینگ،معمولا برای این قسمت میباشند).جریان،به علت شارژ شدن خازن ها،فقط از محدوده ی پیک ولتاژ ورودی کشیده میشود که سریع است و فرکانس بالایی دارد.

به همین دلیل،ضریب توان را کاهش میدهد.برای اصلاح این عیب،از یک مدار اصلاح ضریب توان در ورودی استفاده میشود تا شکل موج جریان کشیده شده از ورودی نیز سینوسی گردد و ضریب توان اصلاح شود.

منابع تغذیه سوییچینگ با ورودی AC،با ورودی DC نیز میتوانند کار کنند زیرا ولتاژDCاز یکسوساز ها بدون تغییر،عبور میکند.اگر منبع تغذیه با برق 115 ولت بدون کلید انتخاب ولتاژ باشد،ولتاژ DC مورد نیاز برای کار برابر با 163 ولت(115*2√).البته باید این نکته را در نظر داشت که این کار،به این دلیل که فقط از نصف دیود های یکسوساز برای بار کامل استفاده میکند،ممکن است باعث گرم کردن انها و یا سوختن آنها شود.اما اگر منبع دارای کلید انتخاب ولتاژ ورودی باشد،بر پایه مدارات دوبرابر کننده ولتاژ،کافی است کلید انتخاب ورودی را روی 220 ولت گذاشته و ولتاژ325 ولتی DC را(230*2√)را به آن بدهیم.دیود های این منبع به این دلیل که برای تحمل ولتاژ و جریان بیش تر ساخته شده اند،میتوانند از پس آن برآیند.

مرحله اینورتر:این مرحله،ولتاژ DC را که توسط یکسوساز ایجاد شده و یا مستقیم از منبع میاید را به AC توسط یک اسیلاتور،تبدیل میکند و به یک ترانسفورمر کوچک با سیم پیچی در حد چندین دور میدهد،با فرکانسی از 10 تا چند صد کیلوهرتز.معمولا این فرکانس(به خصوص برای کارهای صوتی)بالای 20 کیلوهرتز انتخاب میشود تا برای انسان قابل شنیدن نباشد.برای این قسمت،از ترانزیستور های ماسفت و گاها تقویت چند طبقه برای دستیابی به توان بالا تر،استفاده میشود.ماسفت ها،مقاومت کمی دارند،جریان بالایی را میتوانند عبور دهند و سرعت کلید زنی شان بالا است.

مبدل ولتاژ و یکسوساز خروجی:اگو بخواهیم ولتاژ خروجی از ورودی ایزوله باشد،موج AC ایجاد شده،به سیم پیچ اولیه یک ترانسفورمر فرستاده میشود.این ترانس در سیم پیچ ثانویه،ولتاژ را بالا یا پایین میاورد،بسته به کاربرد.اگر ولتاژ خروجی مورد نظر،نیاز به DC شدن داشته باشد،پس مرحله بعدی،یکسو ساز است.برای ولتاژ های بالای 10 ولت،از دیود های سیلیکونی معمولی استفاده میشود.اما برای ولتاژ های کمتر،از دیود های شاتکی.این دیود ها،زمان ریکاوری کمتری نیاز دارند و برای همین،در فرکانس های بالا،تلفات کمتری ایجاد میکنند.برای ولتاژ های بسیار کم(همانند 3.3 ولت در مادربرد کامپیوتر)ممکن است از ماسفت ها به عنوان یکسوساز های کنترل شده،استفاده شود.این ماسفت ها ولتاژ بسیار کمی را در دوسر خود تلف میکنند.سپس،ولتاژ خروجی،صاف میشود،توسط خازن ها و سلف ها.هرچه فرکانس کلید زنی بالا تر باشد،به منابع ذخیره ای با حجم و مقدار کمتری نیاز خواهیم داشت.

منبع تغذیه ساده تر و غیر ایزوله،از یک سلف به جای ترانس استفاده میکنند.(و یا از خازن و مدار های دوبرابر کننده ولتاژ).همانند مدارات باک،بوست،و باک-بوست.این مدارات،مدارات ساده ای هستند و یک سلف و یک ترانزیستور برای کلید زنی،استفاده میکنند.

منبع باک،ولتاژ ورودی را با رابطه ی مستقیمی از دوره ی تناوب موج مربعی،که پریود نام دارد،کاهش میدهد.مثلا اگر ولتاژ ورودی،10 ولت باشد و DC یا دوره ی تناوب موج کنترلر،50% باشد،ولتاژ خروجی 5 ولت خواهد بود.از ولتاژ خروجی،یک فیدبک گرفته میشود تا ولتاژ خروجی را با کنترل دوره ی تناوب،ثابت نگه دارد.در کانورتر بوست،ولتاژ خروجی همیشه بالا تر از ولتاژ ورودی خواهد بود و در منبع باک-بوست،این ولتاژ میتواند کوچکتر،بزرگتر و یا مساوی با ولتاژ ورودی باشد.حالت های بسیار زیادی برای منابع غیر ایزوله وجود دارد اما این سه حالت،پایه بودند.با اضافه کردن یک سلف دیگر،میتوان منابع کاک،سپیک،و... را به وجود آورد.دیگر منابع،از خازن و دیود برای تبدیل ولتاژ استفاده میکنند که برای کار های ولتاژ بالا-جریان کم،مفید است.

رگولاتور:یک مدار فیدبک،ولتاژ خروجی را مانیتور میکند تا با یک ولتاژ مرجع،مقایسه شود.کنترلر این قسمت،میتواند یک ترانس کوچک(البته امروزه کمی غیر رایج است)و یا اپتوکوپلر باشد،تا خروجی را ایزوله کند.رگولاتور های حلقه باز،دارای مدار فیدبک نیستند.به جای آن،آنها بر ولتاژ ورودی به ترانس تکیه کرده و فرض میکنند که خروجی،صحیح است.همچنین مدارات رگوله شده،امپدانس کویل و حتی هیسترزیس مغناطیسی آن را نیز جبران میکنند.مدارات فیدبک،نیاز به این دارند که ابتدا قدرت تولید شده و سپس آنها کار کنند،برای همین،معمولا یک منبع غیر سوییچینگ برای حالت استندبای اضافه میشود.

طراحی ترانسفورمر:منابع تغذیه ای که با برق شبکه کار میکنند،الزامی است که حتما از ترانسفورماتور ایزوله استفاده کنند و همینطور برای ایزوله کردن گالوانیک.اگر چه که بسیاری از منابعی که DCبهDC هستند،نبازی به ایزوله کردن ندارند اما ترانسی که استفاده میکنند،ایزوله است.ترانسفورمر های سوییچینگ با فرکانس های بالا کار میکنند.به همین دلیل،در مقایسه با ترانسفورمر های فرکانس 50/60 هرتزی،کوچک تر و ارزان تر هستند.(حتی میتوان از سیم الومنیومی ارزان نیز در آنها استفاده کرد چون تعداد دور بالا نیست).ولتاژ خروجی ترانسفورمر،بستگی به به مساحت هسته،شار مغناطیسی،و فرکانس،دارد.با افزایش فرکانس،میتوان هسته را کوچک تر کرد اما افزایش بیش از حد فرکانس نیز باعث بالا رفتن تلفات میشود.جنس هسته،از مواد فرومغناطیس(فریت)انتخاب میشود که هم تلفات کمی در فرکانس های بالا دارند و هم به خوبی شار مغناطیسی را عبور میدهند.هسته های معمولی اهنی با روکش لمینت،برای فرکانس های زیر 400 هرتز مناسب هستند و تلفات بسیار بالایی در فرکانس های بالا دارند.همچنین،انرژی بیش تری در نیمه هادی سوییچینگ هدر میرود.همچنین،در منابع با فرکانس های بالا،برد الکترونیکی نیز باید دقیق طراحی شود تا باعث تداخل نشود.

تلفات مس:در منابع معمولی با فرکانس های 50 و 60 هرتز،از اثر پوستی در هادی ها میتوان صرف نظر کرد،مگر آنکه قطر هادی ها بیش از 7.6 میلیمتر،باشد.در منابع سوییچینگ،باید به طور ویژه به اثر پوستی توجه شود زیرا میتواند یکی از منابع تلفات باشد.در فرکانس 500 کیلو هرتز،عمق پوستی در مس برابر با 0.076 میلیمتر است.که مقدار کوچکتری از سیم های رایج مورد استفاده در سوییچر ها میباشد.به علت اثر پوستی،مقاومت سیم بالا میرود،چون جریان در فرکانس های بالا تمایل دارد از سطح هادی عبور کند،تا از داخل آن.همچنین،به علت وجود هارمونیک های فرکانس بالا در موج pwm،این اثر تشدید میشود.همینطور،در ادامه،اثر نزدیکی نیز همانند اثر پوستی،در سیم پیچ ها،باعث کاهش جریان و بالا رفتن مقاومت در فرکانس های بالا میشود.

ضریب توان:منابع تغذیه معمولی،دارای یک پل دیود یکسوساز تمام موج هستند که خازن های بزرگ را شارژ میکنند.این منابع،هنگامی از خط ACجریان میکشند که ولتاژ خط از ولتاژ خازن ها بالاتر رود،که لحظه ی سریعی است،و در پیک سیگنال قرار دارد.در بخش های دیگر سیگنال،خازن ها انرژی مورد نیاز سوییچر را تامین میکنند.در نتیجه،منابع سوییچینگ باعث ایجاد هارمونیک در جریان شده و ضریب توان را پایین میاورند.این باعث میشود که روی دیگر ابزار ها،بار اضافی ایجاد شود،سیم های ساختمان،بیش تر گرم کنند،و ترانسفورمر ها و موتور ها،و همچنین باعث مشکلات پایداری در ژنراتور ها میشوند.این هارمونیک ها توسط فیلتر ها قابل کاهش اند اما فیلتر ها گران اند.برخلاف جابه جایی ضریب توانی که توسط بار های سلفی یا خازنی ایجاد میشوند،این دیستوریشن نمیتواند تنها با یک فیلتر خطی،تصحیح شود.مدارات اضافی مورد نیاز اند تا با جریان های کوچکک پالسی مقابله کنند،قرار دادن یک منبع بوست به عنوان تصحیح کننده ضریب توان بین دیود های یکسو ساز و خازن های اصلی،میتواند مشکل را تا حد زیادی برطرف کند اما این کا(تصحیح ضریب توان اکتیو)قیمت و پیچیدگی را بالا میبرد.

انواع:منابع سوییچینگ،به دسته های مختلفی تقسیم میشوند اما دو تا از اصلی ترین دسته بندی آنها،منابع ایزوله و غیر ایزوله است.

منابع غیر ایزوله:این منابع بسیار ساده هستند،سه نوع اول،در جدول زیر،از اصلی ها هستند و از سلف به عنوان منبع ذخیره انرژی استفاده میکنند.در ستون رابطه ولتاژ،Dمقدار DC مبدل است،که از 0تا1 تغییر میکند.ولتاژ ورودی(V1)فرض میشود که همیشه بالا تر از صفر است.اگر منفی باشد،برای ساده شدن،ولتاژ خروجی(V2)نیز منفی میشود.

توپولوژی های باک،بوست و باک-بوست،بسیار به هم شبیه و مربوط اند.ورودی،خروجی و گراند،هرکدام در یک نقطه هستند.یکی از این سه،از مسیر سلف عبور میکند،و یکی از مسیر کلید ها.در مسیر کلید ها،یکی باید اکتیو باشد که ترانزیستور است،و دیگری میتواند یک دیود باشد.گاهی اوقات،توپولوژی میتواند تغییراتی را با انجام کارهای ساده ببیند.مثلا،یک منبع باک با ورودی 12 ولت و خروجی 5 ولت،میتواند تبدیل به یک منبع باک بوست شود که ورودی اش 7 ولت و خروجی اش 5 ولت است،تنها با جابه جایی ترمینال های خروجی و تنظیم DC موج کنترلر!همچنین،منابع سپیک و زتا نوع باز آرایی شده ی منبع کاک هستند.اگر DC موج کنترلر کم شود،منابع سوییچینگ ممکن است کمتر کارآمد باشند.برای داشتن ولتاژ های بالا تر میتوان از توپولوژی های ایزوله شده استفاده کرد.

منابع ایزوله:تمامی منابع ایزوله از ترانسفورمر استفاده میکنند،که میتوان با تعداد دور و نسبت دور های آن،تعیین کرد که خروجی کمتر یا بیش تر از ورودی باشد.در برخی از توپولوژی ها،میتوان چندین سیم پیچی ثانویه برای داشتن چندین ولتاژ در خروجی،طراحی کرد.برخی از توپولوژی ها از ترانسفورمر به عنوان ذخیره کننده انرژی استفاده میکنند در حالی که ممکن است برخی،از آن به عنوان ایزولاتور استفاده کنند.

بازده و EMI:ولتاژ های ورودی بالا تر و یکسوسازی سنکرون،بازده را بالاتر میبرد.توان مصرفی کنترلر نیز مورد بحث است.فرکانس های سوییچینگ بالا تر،اجازه میدهند تا ابعاد قطعات کاهش یابد اما تداخل رادیویی زیاد میشود.یک منبع رزونانس فوروارد،کمترین تداخل مغناطیسی را ایجاد میکند،به خاطر اینکه فرکانس رزونانسی که خود مدار تولید میکند،برای خودش بسیار نرم است.

ادامه در قسمت بعد....