اتصال کوتاه

.

.

اسنابر^[1] چیست؟

نیمه‌رساناهای قدرت قلب تجهیزات الکترونیک صنعتی و قدرت‌های بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا مانند تریستورها، آی.جی.بی.تی.ها، ماسفت‌ها و مانند آن‌ها قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید:

• کاهش‌یا حذف پالس‌های سوزنی^[2] ولتاژی‌یا جریانی،
• محدود کردن dI/dt‌ یا dV/dt،
• شکل دادن به «خط بار^[3]» برای ابقای آن در محدوده‌ی ایمنِ کاری،
• انتقال توان تلفاتی از کلید به‌یک مقاومت‌یا به‌یک بار مفید،
• کاستن از مجموع تلفات ناشی از عمل کلیدگری^[4]،
• کاستن از تداخل الکترومغناتیسی حاصل از ولتاژهای میرنده^[5] و نوسان‌های میرنده‌ی جریان^[6].

انواع گوناگونی از اسنابرها وجود دارد، اما متداول‌ترین آن‌ها «اسنابرهای قطع کن^[7]» از نوع «مقاومت - خازن^[8]» و «مقاومت- خازن – دیود^[9]»‌ هستند. این نوشتار به خواننده نشان می‌دهد که این دو نوع اسنابر چگونه طراحی می‌شوند.

.

شکل موج‌های کلیدگری^[10]

پیش از وارد شدن به عرصه‌ی طراحی اسنابرها، ضروری است با شکل موج‌هایی که به طور طبیعی در مدارهای قدرت پدیدار می‌شوند، آشنا شویم. همین شکل موج‌ها علت و انگیزه‌ی کاربرد اسنابرها هستند و آگاهی در مورد چند و چون آنها برای طراحی اسنابر مناسب ضروری است. انواع بسیار گوناگونی از مدارها در تجهیزانی مانند مبدّل‌های توان^[11]، راه انداز الکتروموتورها^[12]، بالاست لامپ‌ها^[13] و تجهیزات دیگر مورد استفاده قرار دارند. خوشبختانه، همه‌ی این مدارهای متفاوت، در ارتباط با عمل کلیدگری،‌یک شبکه‌ی مداری و شکل موج‌های‌یکسان دارند. تصویر 1 چهار مدار پرمصرف را نشان می‌دهد.

.

.

همه‌ی این مدارها، و در واقع اغلب مدارهای الکترونیک قدرت، همین شبکه‌ی کلید-دیود-اندوکتوری را که درون منطقه‌های زرد رنگ تصویر بالا رسم شده، در درون خودشان دارند. رفتار این شبکه در همه‌ی این مدارها ‌یکسان است. به عبارت دیگر، ما باید چالش طراحی اسنابر را تنها برای ‌یک مدار حل کنیم و همان راه حل را برای مدارهای دیگر نیز به کار ببندیم. این امر چالش طراحی را به شدت ساده می‌کند و اجازه‌ی اجرای طراحی‌های عمومی و کلّی برای اسنابرها را به دست می‌دهد.

.

.

یک مدار منبع تغذیه‌ی کلیدگریِ معمولی از نوع «مبدّل افزاینده^[14]» در تصویر (2-الف) داده شده است. برای طراحی اسنابر نگرانی ما از بابت رفتار مدار در طول «زمان گذار کلیدگری^[15]» است که بسیار کوتاه‌تر از زمان «چرخه‌ی کلیدگری^[16]» می‌باشد. این موضوع به ما اجازه می‌دهد تا تجزیه و تحلیل مدار را ساده کنیم. در کارکرد عادی، ولتاژ خروجی‌یک ولتاژ مستقیم با مقدار بسیار اندکی تَمَوُّج‌ یا «ریپل^[17]» است. به عبارت دیگر، می‌توانیم مصرف‌کننده (بار) و خازن صافی را با ‌یک باتری جایگزین سازیم، زیرا تغییرات ولتاژ خروجی در طول زمان‌های گذارِ کلیدگری بسیار کوچک هستند. در نتیجه، مقدار جریان در اندوکتور هم در طول زمانِ گذار خیلی کم تغییر می‌کند  و ما می‌توانیم اندوکتور را با ‌یک «منبع جریان» جایگزین نماییم.

.

.

مدار ساده شده در تصویر (2-ب) داده شده است. شکل موج‌های ولتاژ (E) و جریان (I) در تصویر (2-پ) دیده می‌شوند.

در آغاز چرخه‌ی کلیدگری، کلید در حالت باز قرار دارد و جریان (I_o) از طریق دیود به باتری می‌رود. هنگامی که کلید بسته می‌شود، جریان فوری از مسیر دیود به مسیر کم‌اهم‌ترِ کلید متمایل می‌شود. البته، تا موقعی که در دیود جریان برقرار است، ولتاژ دو سر کلید روی مقدار E_o باقی می‌ماند. وقتی که تمام جریان به کلید منتقل شده باشد، ولتاژ کلید می‌تواند شروع به کاهش بکند. این وضعیت در زمان قطع وارونه می‌شود. به محض باز شدن کلید، ولتاژ دو سر آن افزایش می‌یابد. اما جریانی که در کلید جاری بود، تا موقعی که ولتاژ کلید به مقدار E_o برسد، شروع به کم‌شدن نمی‌کند، زیرا دیود تا این نقطه در بایاس معکوس قرار خواهد داشت. تازه، پس از رفتن دیود به حالت هدایت است که جریان در کلید می‌تواند افت کند.

این روش کلیدگری، که به طور معمول بر آن «کلیدگری سخت^[18]» نام نهاده‌اند، کلید را زیر تنش الکتریکیِ سنگینی قرار می‌دهد زیرا بیشینه‌ی ولتاژ و بیشینه‌ی جریان باید به صورت همزمان در کلید پشتیبانی شوند. علاوه بر این، چنین وضعیتی به بروز تلفات بالای کلیدگری منجر خواهد شد.

.

.

در مدارهای عملی، همان طور که در تصویر (3-الف) نشان داده شده، تنشِ کلید به دلیل حضور غیر قابل اجتناب اندوکسیون‌های پارازیتی (L_p) و ظرفیت‌های خازنیِ پراکنده و پارازیتی (C_s) ، حتی بالاتر هم خواهد بود. ظرفیت‌های خازنی پراکنده و پارازیتی شامل «ظرفیت پیوند^[19]» در محل پیوند P-N بلور نیمه‌رسانای کلید و «ظرفیت‌های پراکنده^[20]» ناشی از طراحی فیزیکی مدار است. اندوکسیون‌های پارازیتی نیز ناشی از طراحی فیزیکی مدار (طرح فیبر مدار چاپی، ابعاد نوارهای مسی و طول پایه‌های افزاره‌ها) هستند. اندوکسیون‌های پارازیتی را می‌توان با طراحی خوبِ مدار چاپی و چینش افزاره‌ها به کمینه‌ی ممکن تقلیل داد، اما ممکن است همچنان مقدار کمی اندوکتانس باقی بماند که می‌تواند، مطابق تصویر (3-ب)، سبب پیدایش پالس‌های ولتاژیِ نوسانی در زمان قطع کلید بشود.

فراوان‌ترین علت استفاده از‌ یک اسنابر، محدود‌کردن قله‌های ولتاژی بر دو سر کلیدها و کاستن از تلفات کلیدگری در طول زمانِ قطع کلید می‌باشد.

در بخش بعدی روش طراحی اسنابر تشریح خواهد شد.

.

(بخش بعدی)

.

.

مطالب مرتبط:

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 2

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت - بخش 3

.

.

.

.

.