قسمت اول (معرفی و اصول عملکرد)

تقریبا در دهه 1950 میلادی و به موازات اختراع ترانزیستور اولین مفاهیم تکنیک های سوییچینگ شکل گرفت و اولین مدارات سوییچینگ ابداع شدند. سیر تکاملی و نوآوری های شگرفی که در مبحث سوییچینگ اتفاق افتاد این شاخه از الکترونیک را بکلی دگرگون و متحول ساخته است در این مقاله قصد دارم یکی از ابتدایی ترین مدارات سوییچینگ و مکانیزم عملکرد آن را مورد بررسی قرار دهم.

اشاره ==>

قدمت مدار یاد شده در این مقاله تقریبا به دهه 1950 می رسد و چیزی در حدود 70 سال از عمر آن می گذرد این مدار بدون هیچ دخل و تصرفی و با اراِِِئه همان پارامترها مورد بررسی قرار می گیرد در حقیقت من قصد نوشتن یک حاشیه بر مدار معروف بوست "BOOST" را دارم نکته جالب این که این مدار هنوز بسیار پر کاربرد است و من در بعضی از پروژه های الکترونیکی خودم از آن استفاده می کنم .

تشریح مدار

مدار بالا شامل سه قسمت است :

1 - مدار BOOST

2 - مدار تولید پالس برای سوییچ زنی

3 - کنترلر ولتاژ خروجی و محدود کننده پالس

*************************************************

1 - مدار BOOST

مدار بوست بیشتر جز مدارهای اینورتر طبقه بندی می گردد خروجی مدارهای اینورتر معمولا چند برابر بزرگتر از ورودی آنهاست شکل زیر توپولوژی مدار BOOST را نمایش می دهد.

مدار دارای دو مد (mode) عملیاتی است مد-1 (وقتی سوییچ بسته است) و مد-2 (وقتی سوییچ باز است).

مد-1 هنگامی که سوئیچ بسته است ، جریان منبع از طریق سلف جریان می یابد و سلف با تولید یک میدان مغناطیسی مقداری انرژی ذخیره می کند. قطبیت در سمت چپ سلف مثبت است.

مد-2 با باز شدن سوئیچ ، بدلیل افزایش امپدانس خروجی جریان سلف کاهش می یابد. میدان مغناطیسی که قبلاً در سلف ایجاد شده بود از طریق بار شروع به دشارژ می گردد. بنابراین قطب معکوس خواهد شد (به این معنی که سمت چپ سلف منفی خواهد شد). در نتیجه ، انگار ما دو منبع ولتاژ سری شده در ورودی خواهیم داشت که باعث می شود ولتاژ بیشتری برای شارژ خازن از طریق دیود D تامین شود.

حال اگر سوئیچ زنی کلید به اندازه ای سریع باشد ، سلف در بین مراحل شارژ کاملاً تخلیه نمی شود و با باز شدن سوئیچ ، همیشه یک ولتاژ بیشتر از منبع ورودی مشاهده می شود. همچنین در هنگام باز شدن سوئیچ ، خازن موازی با بار با این ولتاژ ترکیبی شارژ می شود. هنگامی که سوئیچ بسته می شود و سمت راست از سمت چپ جدا می شود ، خازن قادر خواهد بود ولتاژ و انرژی لازم را به بار برساند. در این مدت ، دیود مانع از تخلیه خازن از طریق سوئیچ به زمین می شود. قطعاً باید سوئیچ دوباره به اندازه ای سریع باز شود تا از خالی شدن بیش از حد خازن جلوگیری شود.

شکل موجهای زیر مربوط به ولتاژ ها و حریان سلف مبدل بوست است

البته شکل موجهای خروجی در دو حالت CCM , DCM با هم تفاوتهایی دارند.

در مدار معرفی شده ترانزیستور Q3 به همراه سلف L1 و دیود D2 و خازن C3 مبدل بوست را تشکیل می دهند . برای دیدن روابط حاکم بر مبدل بوست و اطلاعات بیشتر به صفحه مبدل بوست ویکی پدیا به نشانی ذیل مراجعه کنید: Boost converter

2 - مدار تولید پالس برای سوییچ زنی

برای اعمال پالس به ترانزیستور Q3 از یک مولتی ویبراتور آ-استابل ترانزیستوری استفاده شده است نقش دیود D1 و مقاومت R5 افزایش کیفیت شکل مربعی سیگنال خروجی مولتی ویبراتور است .

شکل موجهای نقاط کلکتور و بیس هر ترانزیستور بقرار ذیل است:

تذکر: این شکل موجها مربوط به حالت کلی مدار مولتی ویبراتور آ-استابل با دیوتی سایکل 50% است و شکل موج مدار بوست یاد شده نیست. شکل موجهای اصلی بعدا تشریح خواهند شد.

اصلاح اعوجاج هارمونیکی مولتی ویبراتور:

به شکل موجهای زیر دقت کنید:

شکل موج بالا مربعی کامل است ولی در شکل پایین بدلیل کندی زمان Rising Time شارژ شدن خازن ها شکل موج مربعی نیست دیود D1 زمان لازم برای رسیدن به VCC را در اختیار خازن قرار می دهد. نقش دیود D1 , مقاومت R5 تنها برای تیز کردن لبه های پالس خروجی مولتی ویبراتور است.

نکته: ناگفته نماند بجای استفاده از مولتی ویبراتور ترانزیستوری آ_استابل از هر مدار پالسی شکل مانند مدارات تایمر 555 و مدارات pwm میکروکنترلری و ... می توان استفاده نمود به قسمی که دامنه ولتاژ و فرکانس مدار مشابه با پارامترهای مولتی ویبراتور یاد شده یکسان باشد وانگهی همانطور که در ابتدا گفتم من قصد دخل و تصرف در این مدار را ندارم و فقط قصد بررسی جزییات آن را دارم.

3 - کنترلر

این قسمت خروجی مدار را در اندازه ولتاژ 12 ولت محدود می نماید . ولتاژ حروجی مدار بوست در حال افزایش است تا در ولتاژی خاص ثابت بماند در این مدار قبل از اینکه به آن ولتاژ ثابت برسیم خروجی را در مقدار 12 ولت محدود می کنیم به این صورت که ولتاژ خروجی بیش از 12 ولت دیود زنر را به شکست می کشاند و ترانزیستور Q4 (کنترلر مدار) روشن می شود و از اعمال پالس مولتی ویبراتور به سوییچ اصلی مدار بوست که همان ترانزیستور (Q3) است جلوگیری می کند و آن را به ناحیه قطع می برد. طبیعی است با قطع پالس ورودی روند افزایشی ولتاژ مبدل بوست متوقف می گردد در اینجا به نقش مقاومت R6 باید توجه داشت زمانی که خروجی مدار بوست کمتر از 12 ولت است این مقاومت نقش کنترل کننده جریان بیس ترانزیستور Q3 را برعهده دارد (کوپلاژ اهمی) و زمانی که خروجی مدار از 12 ولت بیشتر می گردد (روشن شدن Q4 ) این مقاومت بین خروچی مولتی ویبراتور و زمین قرار می گیرد تا خروجی ترانزیستور Q2 به زمین شاسی اتصال کوتاه نگردد.تعیین مقدار مقاومت R7 منوط به پارامترهای ترانزیستور Q4 است و تعیین مقدار مقاومت R8 به پارامترهای دیود زنر بستگی دارد.

در قسمت دوم به جزییات طراحی - شبیه سازی نرم افزاری و نمونه ساخته شده این مدار می پردازیم و آزمایشهایی روی این مدار انجام خواهیم داد.

ادامه دارد...

پاورقی:

6V to 12V Converter

Boost converter

مولتی ویبراتور آ_استابل