مدارات الکترونیک قدرت و الکترونیک صنعتی، نکات طراحی، ایمنی و افزایش بهره‌وری

مقدمه

امروزه الکترونیک قدرت در میان مسائل روز مربوط به تکنولوژی جایگاه ثابت و مهمی برای خود دست و پا کرده است. مسیر حرکت جهان به سوی منابع انرژی گوناگون از طرفی، و محدودیت‌های انرژی در کشور ایران از طرف دیگر دو عامل هستند که از جهات مختلفی این فناوری را تبدیل به یکی از دغدغه های صنعت کشور کرده است. در حوزه‌های متفاوت نیاز به مداراتی احساس می‌شود که توانایی تامین تغذیه از منابع مختلف در شرایط متفاوت را دارا باشند. در این مقاله قصد داریم مدارات الکترونیک قدرت را از مناظر متفاوتی بررسی کنیم و اهمیت ویژه آن را در حوزه طراحی بردهای الکترونیکی در عصر مدرن نمایش دهیم.

بخش اول

نکات کلیدی که در این مقاله بررسی می‌شوند:

· تولید توان الکتریکی

· انتقال توان الکتریکی

· توزیع توان الکتریکی

· کنترل توان الکتریکی

این نکته قابل توجه است که در تعاریف پایه تمام این کاربرد ها ما همواره درحال استفاده از ادوات نیمه‌ هادی برای فرایند کلیدزنی روی ولتاژ و جریان ورودی به منظور تامین خروجی مطلوب خودمان هستیم. پیشرفت های اخیر در حوزه تجهیزات نیمه هادی کمک شایانی به پیشرفت بازار این تکنولوژی داشته و مهم تر از همه باعث شده تولید این مدارات مقرون به صرفه شود.

4 حوزه مورد بحث ما در این مطلب شامل:

1. مبدل های AC به DC: به طور کلی معروف به منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS

2. مبدل های DC به DC: مبدل های شناخته شده ای نظیر باک (Buck) و بوست (Boost).

3. مبدل های DC به AC: شناخته شده توسط یو پی اس (UPS) و اینورتر (Inverter).

4. مبدل های AC به AC: مبدل های ولتاژ یا ولتاژ کانورتر و ایزولاتور ها یا به طور شناخته شده

بخش دوم

منابع تغذیه سوئیچینگ یک راه حل پیچیده اما مقرون به صرفه برای نیاز های منابع تغذیه مدرن است. این واحد ولتاژ خط را به ولتاژ یا جریان قابل استفاده برای دستگاه ثانویه تبدیل کرده و برای این امر از سوئیچینگ یا کلیدزنی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. رویکردها و توپولوژی های متفاوتی برای این منابع وجود دارد که به شرح ذیل هستند.

مبدل‌ها

· مبدل باک: مناسب ولتاژهای پایین و جریان های متوسط

· مبدل بوست: مناسب ولتاژ بالا و جریان های کم

· مبدل باک-بوست: مناسب کاربرد های خاص

· مبدل فلایبک (Flyback): مناسب برای شرایطی که توان مطلوب کمتر از 100 وات و جریان کمتر از 10 آمپر باشد. به طور کلی این دسته را تحت عنوان ولتاژ و جریان پایین در نظر می‌گیریم(در حوزه الکترونیک قدرت).

o مدار فلایبک تک-کلید (Single Switch Flyback): مناسب برای توان های زیر 100 وات

o مدار فلایبک دو-کلید (2-Switch Flyback): مناسب برای توان های کمتر از 400 وات و جریان های بیش از 10 آمپر.

· مبدل های مستقیم

o مبدل پوش-پول (Push-Pull): مناسب شرایطی که توان مد نظر 1000-4000 وات می‌باشد. این بازه معمولا ولتاژ مدیوم و جریان بالا را در بر می‌گیرد.

o مبدل نیم-پل (Half-Bridge): مناسب برای شرایطی که توان ورودی کمتر از 400 وات باشد.

o مبدل تمام-پل (Full-Bridge): مناسب شرایطی که توان خروجی در بازه 400-4000 وات می‌باشد.

در ادامه به بررسی جزئی تر هر یک از موارد بالا به صورت جزئی تر با معرفی آیسی ها و محاسبات خواهیم پرداخت.

بخش سوم

ملاحظات طراحی:

این ساختار ایزوله نمی‌باشد به این معنی که خروجی به صورت مستقیم به ورودی متصل است. این نوع مبدل ها معمولا به عنوان یک رگولاتور کاهنده ولتاژ استفاده می‌شوند. این مبدل ها نسبت به رگولاتور های خطی دارای پیچیدگی طراحی هستند اما بازدهی آن ها در ولتاژ های پایین و تلف توان خیلی کمتر نسبت به رگولاتور های خطی مزیت بالقوه ای محسوب می‌شود که استفاده گسترده از آن هارا توجیه میکند. این ساختار معمولا با به کارگیری یک آیسی و تعداد کمی المان های وابسته که هزینه زیادی هم ندارند قابل پیاده‌سازی است.

آیسی های موجود برای این کاربرد:

· LM2576-Texas Instrument

· RT6200-Richtech

· TPS54302-Texas Instrument

· LTC3374-Analog Devices

در میان لیست بالا LM2576 نقش گسترده ای را در ادوات و دستگاه های موجود در بازار ایفا می‌کند که معلول قیمت مناسب و در دسترس بودن آن است. این آیسی یک کلیدزن ساده است که در فرکانس 150 کیلوهرتز و ولتاژ های 3.3، 5 و 12 ولت و همچنین adjustable کار می‌کند. نسخه adjustable میتواند خروجی بین 1.2تا 37 ولت و بازدهی 73% برای ما تامین کند. این آیسی در پکیج های TO-220 و TO-263 موجود است که دست طراح را برای انتخاب باز میگذارد.

توضیحات

ولتاژ ورودی به پین شماره 1 وارد می‌شود. معمولا در ورودی این آیسی خازن هایی برای از بین بردن ریپل ورودی قرار می‌گیرد که نیاز است حتی المقدور نزدیک آیسی باشند. معمولا خازن های تانتالیومی بین ورودی تا زمین نصب می‌شوند که باعث ثبات بیشتر ولتاژ در ورودی آیسی می‌شوند.

پین شماره 5 برای خاموش کردن مدار رگولاتور ولتاژ است. وقتی ولتاژ این پایه به مقداری بالای 1.3 ولت برسد مبدل باک روشن می‌شود. و اگر کمتر شود آن را خاموش می‌کند. با متصل کردن مستقیم این پین به زمین می‌شود این ویژگی را کلا غیر فعال کرد.

پین چهارم برای حلقه فیدبک مدرا استفاده می‌شود تا ولتاژ خروجی رگوله شود. این پایه را میتوان به سادگی به خروجی متصل کرد (پین 2). همیشه توصیه می‌شود این خط را از سلف های مدار دور نگهداریم تا از القای شار در آن جلوگیری شود.

پین سوم همان زمین مدار است. قرار گرفتن خازن برای فیلتر کردن خروجی توصیه می‌شود اما مهم تر از آن یک دیود است که باید مطابق شکل در مدار قرار گیرد. این دیود باید بتواند حداقل 1.3 برابر جریان خروجی مارا از خود عبور دهد تا مشکلی برای مدار به وجود نیاید. دیودهای شاتکی نظیر 1N5823 میتوانند انتخاب مناسبی برای این شرایط باشند اما برای هر کاربرد نیاز است جریان خروجی مطلوب، در نظر گرفته شود.

جمع‌بندی

در این مقاله تلاش شد نگاهی فنی تر به حوزه الکترونیک قدرت و منابع تغذیه داشته باشیم. برای کسب اطلاعات بیشتر به شما توصیه می‌شود همواره صفحه مقالات وبسایت رادان را دنبال کنید. همچنین در صورتی که نیاز به طراحی برد در زمینه الکترونیک، الکترونیک قدرت، ابزار دقیق، مدار های کنترل و میکس سیگنال دارید حتما با تیم طراحی ما در ارتباط باشید. ما با استفاده از دانش نوین متخصصین بومی، با افتخار آمادگی ارائه خدمات به جامعه صنعت ایران هستیم.