1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ:

مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی ( ترانزیستور ) بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود.

یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل ( 1-2 ) یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.

شکل (1-2) یک رگولاتور سوئیچینگ ساده

2-2: چاپرهای DC:

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تبدیل یک منبع DC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژ متغیر می باشد. چاپر DC وسیله ای است که مستقیمأ DC را به DC تبدیل می کند. چاپر می تواند به جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع DC بکار گرفته شود. از اینرو می توان چاپرها را به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

شکل ( 2-2 ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود. در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.

از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( 3-2 ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای) نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز میشود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.

اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.

چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :

1- عملکرد فرکانس ثابت. در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.

2- عملکرد فرکانس متغییر. در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژ خروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.

3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولأ از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.

از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.

مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک فیلتر LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.

برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.

این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلفها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.

ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده است.

1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ:

مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی ( ترانزیستور ) بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود.

یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل ( 1-2 ) یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.

شکل (1-2) یک رگولاتور سوئیچینگ ساده

2-2: چاپرهای DC:

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تبدیل یک منبع DC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژ متغیر می باشد. چاپر DC وسیله ای است که مستقیمأ DC را به DC تبدیل می کند. چاپر می تواند به جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع DC بکار گرفته شود. از اینرو می توان چاپرها را به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

شکل ( 2-2 ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود. در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.

از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( 3-2 ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای) نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز میشود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.

اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.

چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :

1- عملکرد فرکانس ثابت. در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.

2- عملکرد فرکانس متغییر. در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژ خروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.

3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولأ از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.

از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.

مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک فیلتر LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.

برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.

این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلفها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.

ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده است.