پایان نامه شبیه سازی منابع تغذیه سوئیچینگ

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی 

مهندسی برق گرایش مخابرات 

تابستان 87

چکیده

پروژه کارشناسی که ملاحظه می­کنید در زمینه منابع تغذیه سوئیچینگ می­باشد که به اصول کار و چگونگی طرح و تجزیه و تحلیل منابع تغذیه سوئیچینگ پرداخته و در پایان شبیه سازی آن توسط نرم­افزار ORCAD انجام گرفته است.

در این پایان نامه سعی گردیده به صورت جامع و کامل در زمینه منابع تغذیه سوئیچینگ توضیح داده شود و در پایان شبیه سازی این منابع تغذیه انجام شده تا مورد استفاده علاقه مندان قرار گیرد.

مقدمه

منبع تغذیه غیرخطی (سوئیچینگ )

منابع تغذیه خطی منابعی هستند که عنصر کنترل آنها در ناحیه فعال از عملکرد خود قرار دارد، معایب یک منبع تغذیه خطی عبارتند از : 1- بازده کمتر از 50 درصد ( در توانهای نسبتاً زیاد ) ، 2- حجم زیاد

معایب منبع تغذیه خطی می تواند با استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ کاهش یافته و یا حذف شود.

یکسو ساز و فیلتر

عنصر سوئیچینگ

ترانس ایزوله

یکسو ساز خروجی و فیلتر

فیدبک و کنترل

ولتاژ مرجع

شکل A-1

ac

Vout

بلوک دیاگرام ساده شده یک منبع غیرخطی (سوئیچینگ) در شکل زیر نمایش داده شده است.

(تمامی فرمول ها و مدار ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)

شمای مداری ساده شده این بلوک دیاگرام می تواند به صورت شکل زیر توصیف شود ( از واحد فیدبک و کنترل صرف نظر شده است.)

نحوه عملکرد این مدار به صورت زیر است :

(تمامی فرمول ها و مدار ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)

ابتدا ولتاژ متناوب برق شهر مستقیماً یکسو و فیلتر می شود تا یک ولتاژ DC نسبتاً زیاد تولید شود. این ولتاژ به عنصر سوئیچینگ اعمال می شود تا موج مربعی فرکانس زیاد حاصله بعد از عبور از یک ترانس کاهنده و یکسو سازی ، ولتاژ dc مورد نیاز تولید کند. بدیهی است که با کنترل زمان قطع و وصل کلید می توان دامنه ولتاژ خروجی را بر روی یک مقدار مشخص تثبیت کرد . این عمل می تواند توسط واحد فیدبک و کنترل انجام گیرد که در شماتیک مداری فوق ترسیم نشده است.

مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای مزایایی به شرح زیر می باشند :

1- راندمان بزرگ تراز 50٪  : معمولاً بازده منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر از بازده منابع تغذیه خطی می باشد . بازده منابع تغذیه سوئیچینگ بین 70٪ تا 80٪ است.

در منابع تغذیه سوئیچینگ عنصر کنترل (سوئیچینگ) در حالت اشباع و قطع کار می کند و توان تلفاتی پایینی دارد ، در حالی که در منابع تغذیه خطی عنصر کنترل در حالت فعال کار می کند  و توان بالایی دارد . در واقع با فرض ایده آل بودن عنصر کنترل داریم :

Ic= Icq

Vce = Vceq

P = Vce  × Icq

( توان تلفاتی )

تغذیه خطی

رابطه فوق نشان می دهد که در منبع سوئیچینگ با فرض ایده آل بودن ترانزیستور هیچ گونه توانی تلف نمی شود اما برای منابع در بهترین شرایط داریم :

(تمامی فرمول ها و مدار ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)

که نشان می دهد توان بسیار زیادی به ویژه در جریان زیاد تلف می شود که بیان گر این موضوع است که منابع خطی نمی توانند راندمان بالایی داشته باشند.

- ابعاد کوچک ترانس

در منابع تغذیه خطی ترانس در فرکانس 50 هرتز برق شهر کار می کند. بر این اساس انرژی نسبتاً زیاد در تعداد دفعات کم به خروجی منتقل می شود . در حالی که در منبع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس ، بسته های انرژی کوچک تری در تعداد دفعات بیشتری منتقل می گردد. برای مثال منبع پر از آبی را در نظر بگیرید ، اگر این منبع را با یک ظرف بزرگ و با سرعت کم و یا با یک فنجان ولی با سرعت زیاد خالی کنیم ، هر دو می توانند در یک زمان منبع را خالی کنند با این که ظرفیت و حجم یک فنجان بسیار کوچک تر است. از این مثال این موضوع را درک می کنیم که در منابع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس ، حجم ترانس کوچک می شود . به عنوان مثال اگر فرکانس سوئیچینگ برابر با 30KHZ و فرکانس برق شهر 50HZ باشد ، ابعاد ترانس در منابع تغذیه سوئیچینگ نسبت به منابع تغذیه خطی 600 برابر کوچکتر می باشد ، زیرا :         

3- سبک بودن منبع تغذیه

بیشتر وزن یک منبع به ترانس آن بستگی دارد . حال اگر ترانس کوچک باشد این منبع سبک خواهد شد.

4- کاملاً فشرده

منابع تغذیه سوئیچینگ را می توان در بسته بندی های کاملاً فشرده قرار داد ، چون اتلاف حرارتی کمی دارند.

5- ورودی با محدوده دینامیکی زیاد

ولتاژ ورودی می تواند در محدوده وسیعی تغییر کند در حالی که ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند.

6- زمان نگهداری بیش از پنج میلی ثانیه

در منابع تغذیه سوئیچینگ زمان نگهداری بیشتر از منابع تغذیه خطی است . دلیل آن ولتاژ dc بالایی است که در خازن ورودی ذخیره می شود . از آنجایی که انرژی ذخیره شده در خازن با مربع ولتاژ رابطه دارد به همین دلیل منبع سوئیچینگ زمان نگهداری بیشتری دارد.

معایب منابع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ با بلوک دیاگرامی که در شکل A-1 معرفی شد ، همانند منابع تغذیه خطی دارای معایبی می باشد که در ادامه سعی بر رفع این معایب و یا در واقع ارائه بلوک دیاگرام کامل­تر یک منبع تغذیه سوئیچینگ داریم . این معایب به شرح زیر می باشد :

< >به دلیل نوع فیدبک به کار برده شده ایزولاسیون ( مجزا سازی) مدار از بین می رود و در این حالت زمین ورودی به زمین خروجی متصل می شود و خطر برق گرفتگی برای کاربر به وجود می آید.با توجه به شکل A-2 تغییرات ولتاژ جریان در نقطه (a) باعث تشعشع می شود . در این حالت علاوه بر تشعشع ، تلفات در ترانس افزایش یافته و با افزایش تلفات در ترانس بازده آن کاهش می یابد. به عنوان مثال اگر ولتاژ برق شهر برابر با 220 ولت مؤثر باشد مقدار ولتاژ dc خازن ورودی برابر 220√2 = 311 ولت خواهد شد. اگر زمان روشنی عنصر سوئیچینگ برابر با یک میکروثانیه فرض شود ، در این صورت داریم :

(تمامی فرمول ها و مدار ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)

(این پایان نامه فاقد منبع می باشد)