آشنایی با مبدل DC به DC و انواع آن (قسمت دوم)

رگولاتور سوئیچینگ باک

مبدل باک يا كاهنده ، یک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش ولتاژ ورودیDC بدون تغییر پلاریته آن طراحی شده است. به مفهوم ساده تر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده ولتاژ است که به طور مثال، ولتاژ‌ 12+ ولت را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می‌کند.
رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی ازمحبوب‌ترین ودر عين حال ساده ترين رگولاتورهای سوئیچینگ است. در مدار این مبدل،اصولا یک ترانزیستور یا ماسفت یا IGBT قدرت وجود دارد.

همان‌طور که در مدار شکل بالا می‌بینید، در مبدل باک ترانزیستور سری TR1 وجود دارد که وظیفه آن کنترل ولتاژ خروجی است. مبدل باک، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 خاموش ويا روشن باشد، دو وضعیت عملکرد دارد:
١:زمانى كه ترانزیستور بایاس ON باشد، دیود D1 بایاس معکوس شده و ولتاژ ورودی VIN موجب برقراری جریان در سیم‌پیچ سلف شده وبه وسيله آن خازن متصل به بار را شارژ می‌کند. هنگامى كه جریان از سلف می‌گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) تولید می‌کند که طبق قانون فارادی تا وقتى که به یک حالت ماندگار برسد با عبور جریان مخالف است
٢: زمانى که ترانزیستور off می‌شود، ولتاژ ورودی مدار امیتر يك لحظه‌ قطع خواهد شد و باعث كاهش میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ‌ معکوس مى شود كه این ولتاژ معکوس باعث می‌شود دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی سلف باعث ادامه عبور جریان در جهت قبلی خواهد شد. این جریان، بار را تغذیه می‌کند و به وسيله دیود به سلف بر می‌گردد.
در این وضعيت، تا وقتى که ترانزیستور به وضعیت هدایت برگردد، سلف، همانند یک منبع، بار را تغذیه می‌کند. همزمان خازن نیز تخلیه می‌شود و جریان بار را تأمین مى كند. ترکیب اين دو (سلف و خازن) یک فیلتر LC را تشکیل می‌دهد که ریپل خروجی ایجاد شده توسط سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می‌کند.
در نتيجه، وقتی ترانزیستور هدایت کند، جریان از منبع تامين می‌شود و هنگامی که هدایت نکند، جریان به وسيله سلف تأمین خواهد شد. توجه داشته باشيد که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت باشد.
از مزایای مبدل باک مى توان به اين اشاره كرد که ترکیب سلف و خازن آن سبب فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد. در بهترين حالت، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ پیوسته کار کند و جریان سلف هیچ‌گاه صفر نشود. اگر عناصر مدار ایده‌آل باشند، در وضعیت روشن (on) سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد مى باشد.

رگولاتور سوئیچینگ بوست

مبدل سوئیچینگ بوست نوع دیگری از منبع تغذیه سوئیچینگ است که كاركرد آن مشابه مبدل باک است با این تفاوت که ولتاژ خروجی آن بزرگتر از ولتاژ ورودی مى باشد و پلاریته ولتاژ‌ ورودی را تغییر نمی‌دهد.به مفهوم ساده تر، مبدل بوست یک مدار رگولاتور افزاینده ولتاژ‌ است که به طور مثال ولتاژ 5+ ولت ورودی را به 12+ ولت در خروجی تبدیل می‌کند.
در مورد مبدل باك گفته شد که در مدار آن یک ترانزیستور به به صورت سری با ورودی قرار می‌گیرد،اما در مبدل بوست از یک ترانزیستور سوئیچینگ موازی برای کنترل ولتاژ‌ خروجی مدار استفاده می‌شود. از آن‌ جهت که ترانزیستور به حالت موازی با خروجی در مدار مبدل تعبیه شده است، انرژی الکتریکی وقتی از سلف به خروجی منتقل می‌شود که ترانزیستور خاموش (off) باشد.

همانطور كه در شكل بالا مي بينيد
در مدار مبدل بوست وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد، انرژی الکتریکی از منبع VIN به سلف منتقل می‌شود به وسيله ترانزیستور به منبع باز می‌گردد. بنابراين، هیچ بخشی از جریان به بار منتقل نمی‌شود؛ چون در این حالت ترانزیستور اشباع شده و همانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند. در نتيجه، جریان گذرنده از سلف زیاد می‌شود؛ به دليل اين كه یک مسیر داخلی کوتاه‌تر برای بازگشت جریان آن به منبع وجود دارد. در همین لحظه، دیود بایاس معکوس می‌شود، براى اين كه آند آن به دلیل هدایت ترانزیستور زمین شده است، بنابراين خازن در بار تخلیه می‌شود.
در مدار مبدل بوست وقتی ترانزیستور کاملاً OFF شود، منبع ورودی به وسيله سلف و دیود سری به خروجی وصل می‌شود. از آن‌ جهت که در این حالت میدان سلف کاهش می‌یابد، انرژی ذخیره شده در آن از طریق دیودی که اکنون بایاس مستقیم است و هدایت می‌کند به خروجی انتقال می‌یابد.
همانند مبدل باک، ولتاژ خروجی مبدل بوست به ولتاژ ورودی و سیکل وظیفه بستگی دارد، در نتيجه با کنترل كردن سیکل وظیفه تنظیم خروجی امکان پذیر خواهد بود. همان‌طور که در شكل مي بينيد، اندازه ولتاژ خروجی مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی مى باشد.
مبدل‌های بوست اصولا در مدارهای خازنی مانند شارژ باتری، فلاش دوربین و… به کار می‌روند، به اين دليل كه وقتی سوئیج بسته است، خازن همه جریان بار را تأمین می‌کند.

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست (buck‐boost converter)

مبدل سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل باک و بوست است که ولتاژ‌ خروجی آن معکوس (منفی) ولتاژ ورودی است و از لحاظ اندازه می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر از آن باشد. در مبدل باك بوست یا کاهنده-افزاینده، سوئیچ، به طور متناوب سلف را بین ورودی و ولتاژ خروجی قرار می‌دهد. این مبدل ها پلاریته ولتاژ را معکوس می‌کنند و می‌تواند اندازه آن را کاهش یا افزایش دهند.

همان طور كه در شكل بالا مى بينيد زمانى كه ترانزیستور TR1 کاملاً روشن(on) می‌شود، ولتاژ سلف برابر با ولتاژ منبع تغذیه ورودی خواهد بود. در این وضعيت، جریانی از بار خروجی عبور نخواهد کرد، به دليل اين كه دیود D1 بایاس معکوس شده است. زمانى که ترانزیستور کاملاً خاموش (off) گردد، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که از قبل در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل می‌شود.

به عبارت ساده تر، زمانى كه ترانزیستور روشن (on)باشد، انرژی از منبع تغذیه DC به بار منتقل می‌شود و زمانى كه ترانزيستور خاموش (off) شود انرژی سلف به بار منتقل خواهد شد. در نتيجه ، در صورتى که ترانزیستور OFF باشد، ولتاژ بار با ولتاژ سلف برابر خواهد بود. بنابراين، ولتاژ‌ خروجی معکوس می‌تواند بزرگتر ،کوچکتر و يا مساوی با اندازه ولتاژ‌ منبع تغذیه DC ورودی باشد. به طور مثال، یک مبدل باک-بوست مثبت به منفی می‌تواند ۵ ولت را به 12- ولت و یا ۱۲ ولت را به 5- ولت تبدیل کند.نام گذارى این مبدل هم از این جهت مى باشد که اندازه ولتاژ‌ خروجی آن می‌تواند بزرگتر (مانند مبدل بوست) و یا کوچکتر (مانند مبدل باک) از اندازه ولتاژ منبع ورودی باشد. البته پلاریته ولتاژ خروجی مخالف پلاریته ولتاژ ورودی مى باشد.

مبدل چوک (Cuk converter)

مبدل هاى چوك دو سلف دارند که با ورودی و خروجی مدار سری هستند. شبکه کلید، به صورت تناوبی خازن را در مسیر سلف‌های خروجی و ورودی قرار می‌دهد. نسبت تبدیل این مبدل مشابه نسبت تبدیل مبدل کاهنده-افزاینده مى باشد و علاوه بر انكه مى تواند پلاریته ولتاژ را تغيير دهد توانايى کاهش یا افزایش ان را نيز دارد.
به عبارت ساده تر با استفاده از مبدل چوك می توانيم ولتاژ خروجی ای بالاتر از ولتاژ ورودی و یا پایین تر از اندازه ولتاژ ورودی داشته باشیم. این نوع مبدل دارای هزینه ی ساخت پایین ، راندمان بالا ، و صدای پایین مى باشد. از مبدل های چوك در لوازم الکترونیکی مصرفی و سایر برنامه های کاربردی استفاده مى شود. لازم به ذکر است كه کنترلر PI برای این نوع مبدل می تواند استفاده شود و سبب کاهش پاسخ گذرا و بهبود پاسخ حالت کار پایدار می شود.
این نوع از مبدل شامل یک سوئیچ (ماسفت و یا IGBT)،ولتاژ ورودی ، یک دیود موازی معکوس ،یک خازن برای ذخيره انرژی ، یک خازن برای انتقال انرژی ،دو سلف و یک مقاومت بار مى باشد.

مبدل سپیک (single‐ended primary inductance converter) یا SEPIC

مبدل سپيك نوعى مبدل DC-DC تنظيم كننده مى باشد كه مى تواند هم ولتاژ ورودى را تقويت و هم تضعيف بكند.
این مبدل می‌ تواند ولتاژ خروجی بزرگتر، برابر و یا كوچكتر از ولتاژ ورودی تولید کند. این عمل با تنظیم زمان وظیفه ( Duty cycle‎) امکان‌پذیر مى باشد. مدار سپیک، یک مبدل بوست که به دنبالش یک مبدل باک قرار گرفته است می توان آنرا یک مشابه مبدل باک-بوست دانست ولی با این برترى که ولتاژ خروجی هم جهت ولتاژ ورودی خواهد بود.این امر باعث می‌شود تا از این مبدل برای ثابت نگه داشتن ولتاژ و تنظيم ولتاژ خروجی استفاده شود. مثلا مى توان به وسيله یک حلقه فیدبک نوسانات ولتاژ ورودی در خروجی را خنثی کرد.

برای دیدن قسمت دوم این مقاله کلیک کنید

مقاله پیشنهادی
منبع تغذیه سوئیچینگ استاندارد و با کیفیت چه ویژگی هایی دارد؟