آشنایی با مبدل DC به DC

مبدل DC-DC یک مدار الکترونیکی یا وسیله الکترومکانیکی است که یک جریان مستقیم (DC) از یک منبع با یک سطح ولتاژ به سطح دیگر تبدیل می‎کند. این مبدل درواقع یک نوع مبدل الکترونیک قدرت است. رنج توان از بسیار کم (باتری‎های کوچک) تا توان‎های بسیار بالا (انتقال توان ولتاژ بالا) متغیر است.

تاریخچه

قبل از توسعه نیمه‌هادی‌های قدرت و تکنولوژی‎های وابسته، یک‌راه تبدیل ولتاژ از یک منبع DC به ولتاژ بالاتر برای کاربردهای توان پایین، تبدیل ‎آن به AC توسط ویبراتور و سپس بالا بردن سطح آن توسط ترانس و استفاده از یک‌سوساز بود. برای توان‎های بالاتر یک موتور الکتریکی برای درایو کردن یک ژنراتور با ولتاژ موردنظر استفاده می‎شد. گاهی کل این مجموعه در یک بسته‌ی واحد “دینامومتر” قرار می‎گرفت به صورتی که یک سیم‎پیچ موتور را درایو می‎کرد و سیم‎پیچ دیگر ولتاژ خروجی را تولید می‎کرد. این روش‎ها بسیار ناکارآمد و پرهزینه بودند و فقط وقتی راه جایگزینی وجود نداشت مورداستفاده قرار می‎گرفتند مثلاً برای تیوب‎های حرارتی (لامپ خلأ) که به ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ باتری خودرو نیاز دارند. ظهور نیمه‌هادی قدرت و مدارهای مجتمع (IC)، به‌کارگیری تکنیک‌هایی همچون تبدیل توان از منبع DC به توان AC با فرکانس بالا به‌واسطه ترانس کوچک و یک‌سوسازی مجدد برای تغییر ولتاژ را به‌طور اقتصادی امکان‌پذیر کرد. بااینکه در سال ۱۹۷۶ رادیو خودروها دیگر نیازی به ولتاژ بالا نداشت همچنان یک سری از رادیوهای قدیمی برای کار کردن به ویبراتور و دینامومتر نیاز داشتند.

تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین‎تر توسط الکترونیک خطی امکان‌پذیر بود، بااین‌حال این روش‎ها بسیار ناکارآمد و همراه با تولید حرارت بالا بودند و امکان تبدل توان با بازده بالا با مدارات سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی امکان‌پذیر شدند.

کاربردهای مبدل DC به DC

کانورترهای DC-DC در دستگاه‎های الکترونیک همراه مانند موبایل و لپ‌تاپ استفاده می‎شود مخصوصاً وقتی‌که قرار است انرژی خود را از باتری‌ها دریافت کنند. این‌گونه دستگاه‎های الکترونیکی اصولاً شامل یک سری زیر-مدار هستند که هرکدام نیازمند سطح ولتاژ مخصوص خود است که با سطح ولتاژ باتری متفاوت است. علاوه بر این، وقتی از باتری جریان کشیده می‎شود، پس از مدتی ولتاژش افت می‎کند. مبدل‎های سوئیچینگ این قابلیت را دارند که باوجود کاهش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی خود را در سطح مطلوب و ثابت حفظ کنند و بنابراین، نیازی به استفاده از چند باتری با سطح ولتاژ یکسان نیست.

اکثر مبدل‎های DC-DC ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ای دارند.

مبدل‎های DC به DC که برای افزایش استحصال انرژی از سیستم‎های فتوولتائیک یا توربین‎های بادی بکار می‎روند، بهینه‎ساز توان یا پاور اپتیمایزر (power optimizer) نامیده می‎شوند.

ترانس‎هایی که برای تبدیل توان در فرکانس اصلی ۵۰-۶۰ هرتز بکار می‎روند باید سنگین و بزرگ باشند. به خاطر همین موضوع این ترانس‎ها گران‎قیمت و دارای تلفات بیشتری هستند. تکنیک‎های DC به DC که در آن‎ها از سلف یا ترانس استفاده‌شده، در فرکانس‎های بسیار بالاتری کار می‎کنند و نیازمند قطعات سبک‎تر و کوچک‎تر هستند.

تبدیل الکترونیکی

مبدل‎های الکترونیکی رایج از تکنیکهای سوئیچینگ استفاده می‎کنند. مبدل‎های سوئیچینگ DC به DC توسط ذخیره‌سازی موقت انرژی ورودی و سپس آزادسازی انرژی به خروجی، یک سطح ولتاژ را به سطح دیگر تبدیل می‎کنند که ممکن است کمتر یا بیشتر از سطح ولتاژ اولیه باشد. ذخیره کننده‎ی انرژی می‎تواند مبتنی بر میدان مغناطیسی باشد (مانند سلف و ترانس) یا الکتریکی باشد (خازن). این روش تبدیل می‎تواند سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد. تبدیل سوئیچینگ بسیار کارآمدتر از تبدیل توان خطی است بطوریکه بازده این تبدیل از ۷۰ تا ۹۸ درصد است. برای مثال مبدل ۳۳۰ وات رایمون پارو که در فروشگاه قابل‌مشاهده است دارای بازده ۷۸ درصد است. برای بازده بالا، زمان صعود و نزول سریع قطعات نیمه‎هادی نیاز است بااین‌حال ترکیب این حالت گذرای سریع و اثرات پارازیتی، طراحی این‌گونه مدارها را چالش‌برانگیز می‎کند. بازده بالاتر مبدل سوئیچینگ نیاز به هیت سینک بزرگ‎تر را مرتفع ساخته و قابلیت تحمل باتری تجهیزات سیار را افزایش می‌دهد. بازده از دهه‎ی ۱۹۸۰ به دلیل استفاده از فت‎ها افزایش یافت زیر این قطعات نسبت به ترانزیستورهای ۲قطبی امکان کلید زنی همراه با تلفات کمتر و با فرکانس بیشتر را فراهم می‎کنند و همچنین نیاز به مدارات درایو ساده‎تری دارند. پیشرفت دیگر مبدل‎های DC به DC  جایگزین کردن دیود هرز گرد با یک‌سوساز همگام توسط فت‎ها است که مقاومت حالت روشن آن‎ها بسیار پایین است و همین امر تلفات سوئیچینگ را کاهش می‎دهد. قبل از در دسترس قرار گرفتن نیمه‎هادی‎های قدرت، مبدل‎های DC به DC همگام دارای یک ویبراتور الکترومکانیکی همراه با یک ترانس افزاینده بودند که یک لامپ خلأ یا یک‌سوساز نیمه‎هادی را تغذیه می‎کرد.

اکثر مبدل‎های DC به DC طوری طراحی‌شده‌اند تا توان را در یک‌جهت از ورودی معلوم به خروجی مشخص تبدیل کنند. بااین‌حال اکثر رگولاتورهای سوئیچینگ می‎توانند توسط جایگزین کردن دیودها با یک‌سوسازهای فعال کنترل شونده‎ی مستقل به‌صورت دوطرفه ساخته شوند. یک مبدل دو طرفه کاربردهای خاص خود را دارد مثلاً در عملکرد احیای ترمز وسایل نقلیه که توان حین رانندگی به تایرها منتقل و حین ترمز گرفتن از چرخ‎های گرفته می‎شود.

باوجوداینکه مبدل‌های سوئیچینگ به تعداد قطعات محدودی نیاز دارند، ساختار پیچیده‎ای دارند. مانند همه‎ی مدارات فرکانس بالا، قطعات این مبدل‎ها باید با احتیاط انتخاب شوند تا عملکرد پایدار را به همراه داشته باشند و همچنین نویز ناشی از سوئیچینگ (EMI/RFI) را در سطح قابل‌قبول نگه‌دارند. قیمت مبدل‎های سوئیچینگ در کاربردهایی که نیازمند کاهش ولتاژ ورودی است نسبت به رگولاتورهای خطی بیشتر است. ولی با پیشرفت‎هایی که در طراحی درون تراشه صورت می‎گیرد، قیمت آن‎ها رو به کاهش است.

مبدل‎های DC به DC در قالب مدارهای مجتمع نیز قابل‌دسترس است که نیاز به چند قطعه اضافی دارد. همچنین ماژول‎های هیبرید کامل نیز در بازار عرضه می‎گردد.

مبدل‎های DC به DC خطی برای اهداف کاهش سطح ورودی و همچنین مبدل‎های DC به DC ساده خازنی (و همچنین مدار دیکسون) که ولتاژ را دو برابر می‎کنند تاکنون ساخته‌شده‌اند ولی همگی برای توان‎های خروجی پایین مورداستفاده قرار می‌گیرند.

قبلاً در رایمون پاور با مدارات باک و بوست که نوعی مبدل DC به DC هستند آشنا شدید. از انواع دیگر این مبدل‎های می‎توان به توپولوژی‎های فوروارد، فلای‎بک، پوش‎پول، نیم پل و تمام پل اشاره کرد.

مبدل‎های مغناطیسی

در مبدل‎های DC به DC انرژی به‌طور تناوبی از یک میدان مغناطیسی در یک سلف یا ترانس ذخیره و آزاد می‎شود. توسط تغییر دیوتی‎سایکل، توان خروجی به‌راحتی کنترل می‎شود. مبدل‎هایی که بر اساس ترانس ساخته می‎شود ایزولاسیون بین ورودی و خروجی را به همراه دارند.

هر توپولوژی مبدل DC به DC می‎تواند یکی از انواع زیر باشد:

  • سوئیچینگ سخت
  • رزونانسی: یک فیلتر LC ولتاژ و جریان روی ترانزیستور را حالت می‎دهد و ترانزیستور حین کلید زنی دارای جریان یا ولتاژ صفر است.

مبدل‎های خازنی

مبدل‎های سوئیچینگ خازنی بر اساس اتصال تناوبی خازن‎ها به ورودی و خروجی در توپولوژی‎های مختلف ساخته می‎شوند. برای مثال یک مبدل کاهنده خازنی سوئیچینگ می‎تواند دو خازن را به‌صورت سری شارژ کند و به‌صورت موازی تخلیه کند. این عمل همان توان ورودی را در اختیار کاربر قرار می‎دهد (البته با بازده کمتر از ۱۰۰%) به‌طور ایدئال، نصف ولتاژ ورودی و دو برابر جریان آن. به دلیل اینکه این مبدل‎ بر اساس میزان شارژ متفاوت کار می‎کند به آن مبدل پمپ شارژ نیز می‎گویند. این نوع مبدل‎های برای کارهایی که نیاز به جریان کم دارند استفاده می‎شوند. برای جریان‎های بالاتر، مبدل‎های سوئیچینگ انتخاب بهتری هستند. این مبدل‎های همچنین در ولتاژهای بالا که در آن سطح ولتاژ، شکست مغناطیسی رخ می‌دهد مورداستفاده قرار می‎گیرند.

نویز RF

مبدل‎های سوئیچینگ ذاتاً دارای نویز رادیویی با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎هایش هستند که مداخلات الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‎کنند.

نویز خروجی

خروجی یک مبدل DC-DC ایدئال، کاملاً صاف و مسطح است بااین‌حال، در واقعیت مبدل‎های یک DC خروجی فراهم می‎کنند که دارای میزانی نویز الکتریکی هستند. مبدل‎های سوئیچینگ نویز‎های سوئیچینگ با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎های آن تولید می‎کنند. علاوه بر این، تمام مدارهای الکترونیکی دارای میزانی نویز حرارتی هستند. برخی از مدارات حساس مخابراتی و مدارات آنالوگ نیازمند یک منبع تغذیه با نویز بسیار کمی است بطوریکه این هدف فقط با منبع تغذیه خطی محقق می‎گردد.

 

تفاوت بین فیوزهای شیشه‎ای و سرامیکی

فیوز با سوختن خود، دستگاه‎های الکترونیکی را در برابر اضافه‌بار یا اتصال کوتاه محافظت می‎کند. فیوزهای زیادی در اشکال، ابعاد و از جنس مواد مختلف وجود دارند. شیشه و سرامیک، دو ماده‎ی رایج در ساخت فیوزها هستند.

 

عملکرد فیوزها

وقتی خطایی مانند اضافه‌بار یا اتصال کوتاه در مدار رخ دهد، جریان زیادی در فیوز جاری می‎شود که منجر به سوختن یا ذوب شدن اِلِمان داخل فیوز می‎شود و جریان ورودی مدار قطع می‎گردد. این عمل از وارد شدن آسیب بیشتر به مدار توسط جریان زیاد جلوگیری می‎کند.

تاریخچه

در زمان‎های بسیار دور، فیوز چیزی به‌جز یک سیم ساده نبود. اولین فیوز محصورشده (دربسته) در سال ۱۸۹۰ توسط ادیسون ساخته شد. پس‌ازآن فیوز در انواع مختلفی تولید شد.

انواع

باوجوداینکه هدف استفاده از فیوز چه شیشه‎ای و چه سرامیکی یکسان است، هرکدام داری عملکرد خاصی خود هستند و در برابر اضافه جریان و اضافه‌بار عکس‌العمل جداگانه‎ای را از خود نشان می‎دهند. فیوزهای موجود را در دسته‎های زیر می‎تواند قرارداد:

  • فیوزهای با عملکرد بسیار سریع (FF)
  • فیوز سریع یا زود-سوز (F)
  • فیوز با عملکرد متوسط یا وقفه‎ای (M)
  •  فیوز کند-سوز، کند-کار یا تأخیری (T)
  •  فیوز بسیار کند یا با تأخیر بسیار زیاد (TT)

هرکدام از فیوزها نسبت به جریان‎های معمولی و جریان‎های هجومی (خروشانی) عکس‎العمل مختلفی را نشان می‎دهند و زمان خاص خود را برای عکس‎العمل می‎طلبند. بنابراین برای مدار خود باید فیوز مناسبی را انتخاب کنید. یک انتخاب ناصحیح می‎تواند به معنای عدم حفاظت یا حساسیت بیش‌ازحد باشد. اگر فیوز  بسیار کند عمل کند ممکن است در صورت بروز مشکل به قسمت‎های زیادی از مدار آسیب وارد شود یا برعکس ممکن است فیوز به‌قدری سریع بسوزد که بدون دلیل اصلاً مدار روشن نشود برای مثال اگر از یک فیوز FF در مداری استفاده شود که حین روشن شدن جریان هجومی می‎کشد، شاهد چنین اتفاقی خواهیم بود. به‌طورمعمول، برای یک اضافه‌بار ۵۰۰درصد یک فیوز FF یک‌دهم زمان نرمال فیوز F نیاز دارد تا بسوزد درصورتی‌که فیوز T 200 برابر زمان بیشتری برای سوختن نیاز دارد.

ساختار

بدنه‎ی فیوز از جنس شیشه، پلاستیک، سرامیک یا فایبرگلاس است و ترمینال‎های می‎توانند از جنس مس یا برنج باشند. این ترمینال‎ها به المنت متصل می‎شوند. المنت می‎تواند تک سیمه یا شامل بیش از یک سیم باشد. بسته به نوع این رشته‎ها فیوز می‎تواند عملکرد مختلفی داشته باشد. گاهی اوقات ماسه یا پودر کوارتز داخل فیوز ریخته می‎شود تا رفتار فیوز را تغییر دهند. این عمل اصولاً در فیوزهای سرامیکی صورت می‎گیرد.

تفاوت‎ها

در یک فیوز شیشه‎ای المنت قابل‌مشاهده است و این موضوع بازرسی فیوز را ساده‎تر می‎کند درصورتی‌که المنت فیوز سرامیکی قابل‌مشاهده نیست. یک فیوز شیشه‎ای دارای ظرفیت شکست پایینی است. یعنی تحت ولتاژ یا جریان زیاد المنت فیوز ذوب می‎شود بنابراین برای کاربردهایی که جریان زیادی می‎کشند زیاد مناسب به نظر نمی‎رسند. از طرف دیگر، فیوزهای سرامیکی دارای ظرفیت شکست یا گسست بالایی هستند و برای مدارهای ولتاژ و جریان بالا مناسب هستند. برخی از فیوزهای سرامیکی HRC (ظرفیت گسستن بالا=high rupturing capacity) می‎توانند برای یک جریان ۳۰۰،۰۰۰ آمپری وقفه ایجاد کنند و نسوزند درحالی‌که فیوزهای شیشه‎ای دارای ظرفیت بسیار کمتری هستند گاهی در حد ۱۵ آمپر.

فیوزهای شیشه‎ای دارای پایداری حرارتی پایینی هستند و برای محیط‎های گرم مناسب نیستند. از طرف دیگر فیوزهای سرامیکی می‎توانند دماهای بالاتری را تحمل کنند و در محیط‎های گرم‎تری به عملکرد عادی خود ادامه دهند.

فیوزهای سرامیکی برخلاف فیوزها شیشه‎ای اصولاً با ماسه پر می‎شوند تا از تشکیل لایه رسانا جلوگیری شود. وقتی اتصال کوتاه رخ می‎دهد. المنت ذوب و بخار می‎شود. در صورت شیشه‎ای بودن بدنه‎ی فیوز، این بخار می‎تواند روی بدنه بنشیند و لایه رسانایی را تشکیل دهد. ولی در فیوزهای سرامیکی حاوی ماسه، بخار و گرما توسط ماسه جذب‌شده و از هدایت الکتریسیته جلوگیری به عمل می‎آورد.

ملاحظات

  • قبل از نصب فیوز در نظر داشتن چند مورد مهم است:
  • ماکزیمم جریان مداوم، که بیشترین جریانی عبوری از فیوز را تعیین می‎کند.
  • ظرفیت شکست یا گسست که بیشترین جریان عبوری از فیوز در بازه زمانی کوتاه بدون آسیب دیدن آن را تعیین می‎کند.
  • ولتاژ: فیوز باید تحت ولتاژی کمتر از ولتاژ نامی نصب شود.

 

 

بررسی کامل پاوربانک (شارژر همراه) – قسمت اول

گوشی‎های تلفن همراه با وجود همه‎ی ویژگی‎ها و توانمندی‎های خود، روز به روز برای دریافت انرژی گرسنه‎تر می‎شوند و سه سوته یک باتری را خالی از شارژ می‎کنند. این یک مشکل مشترک بین همه کاربران گوشی‎های تلفن همراه است. تولیدکنندگان سعی بر این دارند که سایز باتری‎ها را افزایش دهند تا بازه‎های زمانی عملکرد آن‎ها را افزایش دهند ولی در این مورد با محدودیت سایز و وزن روبرو هستند. موقعیتی را در نظر بگیرید که در میان مسیر هستید و باتری گوشی شما شارژ تمام می‎کند در حالیکه به اپلیکیشن مسیریابی آن نیاز دارید! در این موقعیت تنها چیزی که نیاز دارید، یک منبع برای شارژ باتری است.

Read more

مبدل سوئیچینگ بوست (Boost)

مبدل سوئیچینگ بوست مبدلی است که سطح ولتاژ ورودی به خروجی را افزایش داده در حالیکه سطح جریان را کاهش می‎دهد. مبدل بوست، کلاسی از منابع تغذیه سوئیچینگ به حساب می‎آید و به طور معمول شامل دو نیمه‎هادی (یک دیود و یک ترانزیستور) و حداقل یک المان دخیره کننده می‎شود (سلف یا خازن یا ترکیبی از هردو). جهت کاهش ریپل ولتاژ فیلترهایی از جنس خازن (گاهی ترکیب با سلف) به خروجی و ورودی این مبدل‎های سوئیچینگ اضافه می‎گردد.

Read more

مبدل سوئیچینگ باک (Buck)

یک مبدل باک یا کاهنده در واقع یک مبدل قدرت DC به DC است که سطح ولتاژ ورودی به خروجی را کاهش می‎دهد (درحالی که سطح جریان را افزایش می‎دهد). این مبدل، کلاسی از منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) به حساب می‎آید و به طور معمول شامل دو نیمه‎هادی (یک دیود و یک ترانزیستور) و حداقل یک المان دخیره کننده می‎شود (سلف یا خازن یا ترکیبی از هردو). جهت کاهش ریپل ولتاژ فیلترهایی از جنس خازن (گاهی ترکیب با سلف) به خروجی و ورودی این مبدل‎های سوئیچینگ اضافه می‎گردد.

Read more

معرفی منابع تغذیه سوئیچینگ

همانطور که قبلا نیز ذکر شد، یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا switched mode power supply یا SMPS یک منبع تغذیه الکترونیکی است که با استفاده از رگولاتور سوئیچینگ توان الکتریکی را با بازده بالا تبدیل می‎کند. منابع تغذیه سوئیچینگ مانند دیگر منابع تغذیه، در حالیکه مشخصه ولتاژ و جریان را تغییر می‎دهند، توان را از یک منبع DC یا AC دریافت می‎کنند و به بار DC همچون کامپیوتر تحویل می‎دهند. برخلاف منابع تغذیه خطی، ترانزیستور(های) منابع تغذیه سوئیچینگ یا در حالت قطع کامل یا در حالت وصل کامل هستند و فقط در بازه‎های بسیار کوتاه دارای تلفات می‎باشند که از هدر رفتن انرژی تا حدود بسیاری جلوگیری می‎کنند. به طور “ایده‎آل” یک منبع تغذیه سوئیچینگ هیچ انرژی‎ای را تلف نمی‎کند.

رگولاسیون ولتاژ از طریق تغییر بازه‎ی روشن یا خاموش بودن ترانزیستور محقق می‎شود. بر خلاف آنچه که در SMPS ها وجود دارد، در منابع تغذیه خطی رگولاسیون ولتاژ از طریق اتلاف مداوم توان در ترانزیستور(ها) صورت می‎گیرد. مزیت بسیار مهم منابع تغذیه سوئیچینگ، بازده بالای تبدیل توان است.

رگولاتورهای سوئیچینگ وقتی با منابع تغذیه خطی جایگزین می‎شوند که کاربر به بازده بالاتر، وزن و سایز کوچک‎تر نیاز دارد. البته این منابع تغذیه دارای پیچیدگی بیشتری هستند، می‎توانند مشکلات نویز به همراه داشته باشند و طراحی‎های ساده می‎توانند مشکلات ضریب توان پایین داشته باشند.

Read more

منابع تغذیه سوئیچینگ و مقایسه آن‌ها با منابع تغذیه خطی

یک منبع تغذیه سوئیچینگ ( Switched-mode power supply (SMPS)) یا به بیانی ساده، یک Switcher، یک منبع تغذیهٔ الکترونیکی است که شامل یک تنظیم‌کنندهٔ جریان برای داشتن بازده خیلی بالا در هنگام تغییر توان الکتریکی است. مانند سایر منابع تغذیه یک SMPS، توان را از یک منبع به یک مقصد (مصرف‌کننده) همزمان با تغییر مشخصه‌های ولتاژ و جریان تبدیل می‌کند. یک SMPS معمولاً برای تأمین کارای، ولتاژی منظم به کار گرفته می‌شود. برخلاف منابع تغذیه خطی, در این منابع ترانزیستوری که نقش کلید را به عهده دارد با فرکانسی حدود ۵۰ کیلو هرتز یا بیشتر بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می گردد .نسبت ولتاژ خروجی به ورودی را می توان با تغییر نسبت زمان روشن بودن به زمان خاموش بودن ترانزیستور تعیین کرد . در نقطه مقابل, در یک منبع تغذیه خطی برای دستیابی به ولتاژ دلخواه باید قسمتی از ولتاز ورودی روی ترانزیستور افت کرده و تلف شود .بازده بالا مزیت اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ است . هنگامی که بازده بالاتر, ابعاد کوچک تر و وزن کم تر مد نظر باشد منابع تغذیه سوئیچینگ جایگزین منابع تغذیه خطی می شوند . منابع تغذیه سوئیچینگ پیچیده تر هستند و اگر جریان ورودی به آنها به خوبی فیلتر نشود می تواند نویز ایجاد کند.

Read more