اتصال کوتاه

در این‌جا با روش طراحی یک منبع تغذیه‌ی کلیدگری (سوییچینگ) با توان ۱۲۰ وات آشنا می‌شویم. در بخش نخست با ساختن یک سنجش‌گر خودالقایی سیم‌پیچ‌ها مشکل اندازه‌گیری ترانسفورماتور این مدار راحل کرده بودیم

.

.

در چهاردهم اردبیهشت ماه امسال مقاله‌ای با عنوان ساخت سنجش‌گری برای وارسی خودالقایی سیم‌پیچ‌ها در این تارنما به خوانندگان پیشکش کردم. در همان نوشتار اشاره‌ای به آنچه در زیر می‌خوانید داشتم. حال، بنا بر قولی که داده بودم، روش طراحی یک منبع تغذیه‌ی کلیدگری (سوییچینگ) را  با ساختار (توپولوژی) «فلای‌بک^[۱]» شرح می‌دهم.

این منبع تغذیه از ولتاژ ۲۲۰ ولت شبکه شهری دو خروجی ۴۲ ولتی با مجموع توان بیشینه ۱۲۰ وات تولید می‌کند. این منبع تغذیه‌ی کلیدگری با ساختار فلای‌بک نسبت به توپولوژی‌های دیگرِ این نوع منابع تغذیه دارای برتری‌هایی مانند آسانی محاسبه، تولید نویز کم‌تر، و قابلیت تنظیم در بازه‌ای وسیع می‌باشد.

.

.

شرح مختصر مدار

در این مدار از یک مدار مجتمع با شماره‌ی UC۳۸۴۲ که یک «کنترل‌کننده‌ی حالتِ جریانیِ ^[۲]PWM» است استفاده به عمل آمده است. به دلیل کاربرد این آی.سی.، نیاز مدار به تجهیزات و افزاره‌های اضافی بسیار محدود شده است. فرکانس کار توسط خازن های ۳ و ۴ و مقاومت ۵ روی ۴۰ کیلوهرتز تنظیم می‌شود. این همان فرکانسی است که در داده‌برگ این آی.سی. از طرف سازنده توصیه شده است. این مدار مجتمع به یک ترانزیستور «وی‌ماوس^[۳]» تیپ BUZ۳۵۵ فرمان می‌دهد و آن را قطع و وصل می‌کند. با هر بار هدایت این ترانزیستور، جریان در ترانسفورماتور به صورت خطی بالا می‌رود تا موقعی که جریان عبوری از مقاومت ۱۱ به حد مطلوب که از پیش تنظیم شده است، برسد. در این لحظه مدار مجتمعِ کنترل‌کننده، ترانزیستور را به حالت قطع می‌برد. صافی (فیلتر) پایین‌گذری که با مقاومت ۹ و خازن ۸ ساخته شده، از قطع و وصل شدن‌های ناخواسته بر اثر پالس‌های اتفاقی باریک (با زمان ابقای کوتاه) پیش‌گیری می‌کند.

.

.

در مرحله‌ی قطع، انرژی ذخیره شده در خودالقاییِ ترانسفورماتور از طریق دیود ۱ و خازن الکترولیت ۷ و در ادامه از راه مدار تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ شامل پتانسیومتر ۱ و مقاومت‌های ۱ و ۲ به شکل یک ولتاژ روی پایه‌ی ۲ آی.سی. قرار می‌گیرد. این ولتاژ با یک «ولتاژ مبنا^[۴]» در داخل آی.سی. مقایسه می‌شود. حاصل این مقایسه به صورت اختلاف ولتاژ (ولتاژ خطا^[۵]) روی پایه‌ی ۳ آی.سی. ظاهر می‌شود.

به محض این که این ولتاژ روی پایه‌ی ۳ پیدا شد، فرمان خاموش شدن ترانزیستور صادر می‌شود. با تکرار این چرخه، ولتاژ روی خازن ۷ در مقداری یکنواخت تثبیت می‌گردد. در نتیجه، ولتاژهای خروجی هم که از راه دیودهای ۳ و ۴ گرفته می‌شوند، متناسب با نسبت پیچش اولیه به ثانویه‌های ترانس تثبیت می‌شوند.

مدار «کلمپ^[۶]»، که از دیود ۲، مقاومت ۸ و خازن ۹ ساخته شده است، پالس‌های نامطلوب ریز و درشتی را که بر اثر «خودالقایی‌های پراکنده^[۷]» و کوپلاژ ناقص در خود ترانس منبع تغذیه ایجاد شده‌اند، محدود می‌کند. به همین علت‌ها، پیش از دیود ۱ مقاومت ۱۲ تعبیه شده است. مقاومت ۶ وظیفه‌ی به کار انداختن مدار را بر دوش دارد.

.

محاسبه‌ی مدار فلای‌بک

در این‌جا من قصد ندارم آن طور که معمول است موضوع را با استفاده از فرمول‌های حاضر و آماده‌ی ریاضی شرح دهم، بلکه هر گام طراحی را با متن معمولی توضیح خواهم داد. به جای نگارش فرمول‌هایی با نشانه‌های ریاضی، من مستقیم مقدارها و واحدهای آن‌ها را به کار می‌برم.

این منبع تغذیه‌ی کلیدگری با ساختار فلای‌بک با همان هسته‌ی فریتی که در مقاله‌ی ساخت سنجش‌گری برای وارسی خودالقایی سیم‌پیچ‌ها تشریح شد، کار می کند. من مقادیری را که به کمک سنجش‌گر به دست آورده‌ام مورد استفاده قرار می‌دهم:

1. ولتاژ کار روی خازن الکترولیت ۲۲۰ میکروفاراد، با داشتن ولتاژ ورودی ۲۲۰ ولت، در مقدار ۳۲۰ ولت قرار خواهد گرفت. به این مقدار باید علاوه بر یک تولرانس مثبت و منفی ده درصدی، ۸ ولت هم به عنوان «ولتاژ ریپل^[۸]» اضافه کرد. در نتیجه، بالاترین ولتاژی که به دست می‌آید ۳۵۲ ولت و کم‌ترین آن ۲۸۰ ولت است.
2. مقدار قله‌ایِ جریانی را که از ترانس و ترانزیستور می‌گذرد، باید در کم‌ترین مقدار ولتاژ ورودی محاسبه کرد. هنگام برقراری جریان، انرژی باید در خودالقا ذخیره شود. طول زمان برقراری جریان را ۱۰ میکروثانیه در نظر می‌گیریم. در نتیجه، چون طول یک چرخه‌ی فرکانس ۴۰ کیلوهرتز برابر ۲۵ میکروثانیه است، مدت قطع جریان ۱۵ میکروثانیه خواهد شد. حال، باید برای محاسبه، این پارامترها را در نظر بگیریم: ولتاژ کمینه ۲۸۰ ولت، توان خروجی ۱۲۰ وات، راندمان ۸۰%، ضریب وظیفه^[۹] 0/۴  (۱۰µs ÷ ۱۵µs). با این فرض‌ها خواهیم داشت:

۱۲۰W ÷ 280V ÷ ۰/۸ ÷ ۰/۴ = 1/۳۴A

این مقدار جریان یک «مقدار میانگین» است. به خاطر خطی بودن شکل جریان، مقدار قله‌ایِ جریان دو برابر مقدار حساب شده در بالا، یعنی ۲/۶۸ آمپر خواهد بود.

ولتاژ روی مقاومت ۱۱ برابر خواهد بود با ۲/۶۸A x 0/۳۳R = 0/۸۸V  . این ولتاژ باید زیر یک ولت بماند زیرا مقداری بالاتر از این برای آی.سی. مدار ما مجاز نمی‌باشد.

• خودالقایی پیچش اولیه‌ی ترانسفورماتور را می‌توان از مقدارهای محاسبه‌شده در بالا به دست آورد:

۲۸۰V x 10µs ÷ ۲/۶۸A = 1/۰۴۴mH

• تعداد دور این پیچشِ ترانس نیز با نتایجی که از اندازه‌گیری‌ها در مقاله‌ی پیشین به دست آمدند، به سادگی حساب می شود. مقدار خودالقایی با تعداد دور دارای تناسبی چهار برابری است. در آنجا ما برای یک پیچش ۲۳ دوری ۱۴۰ میکروهانری را اندازه‌گیری کرده بودیم. در این‌جا تعداد دور را به این شکل به دست می‌آوریم:

     با پیچیدن ۶۳ دور، بیشینه‌ی مغناتیسی شدن هسته به مقدار

 ۶۳x 2/۶۸A = 169A

     خواهد رسید که این مقدار هنوز با فاصله‌ی خوب و امنی پایین‌تر از مقدار مجاز ۲۳۰ آمپر قرار دارد.

• ولتاژ در زمان قطع را تعیین می‌کنیم. فرد هنگام طراحی یک منبع تغذیه‌ی کلیدگری با ساختار فلای‌بک در انتخاب این ولتاژ دستِ بازی دارد. مقدار ولتاژ مطلوب با انتخابِ نسبت پیچش‌های اولیه و ثانویه تعیین خواهد شد. پایین‌ترین مقدار برای این ولتاژ توسط «ضریب وظیفه» محدود می‌شود و نباید از آن به سمت پایین تخطی شود: ۲۸۰V x 10µs / ۱۵µs = 187V . بیشینه‌ی این ولتاژ توسط مشخصات ترانزیستور محدود می‌شود. من در این‌جا مقدار ۲۳۰ ولت را انتخاب می‌کنم که با کمینه‌ی ولتاژ در زمان قطع فاصله‌ی کافی دارد. بیشینه‌ی این ولتاژ  روی ترانزیستور به ۳۵۲V + ۲۳۰V = 582V می‌رسد. در عمل، اما، پالس‌های بزرگی توسط اندوکسیون‌های پراکنده پدیدار می‌شوند.
• تعداد دور پیچش ثانویه برای یک پیچش ۴۲ ولتی برابر است با: ۴۲V x 63 / ۲۳۰V = 11/۵۰ دور. اما چون فقط تعداد دورکامل به حساب می‌آید، تعداد ۱۲ دور را در نظر می‌گیریم. در نتیجه، اما، مقدار ۲۳۰ ولتی را که قبلاً تعیین کرده بودیم، به ۲۲۰ ولت کاهش می‌دهیم. به این ترتیب، برای پیچش ۴۲ ولتی چنین محاسبه می شود:

۴۲V x 63 ÷ ۲۲۰V =۱۲/۰۲

      که با تقریب خوبی با نتیجه‌ی مطلوب انطباق دارد.

.

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور در این مدار تعیین‌کننده‌ی ویژگی‌های یک مدار منبع تغذیه‌ی کلیدگری با ساختار فلای‌بک است. برای این که این مدار تا حد ممکن ساده باقی بماند، من از بازگرداندن ولتاژ خروجی ۴۲ ولتی به مدار تنظیم و تثبیت در سمت اولیه‌ی ترانس خودداری کردم. این مدار فقط ولتاژ کار آی.سی. کنترلر بر روی خازن ۷ را پایدار و یکنواخت نگه می‌دارد. پایداری دقیق این ولتاژ چالش اصلی نیست، بلکه آن چه که مهم است، ثبات ولتاژ ۴۲ ولتی بر روی پایانه‌های خروجی است. اما این پایانه‌ها فقط وقتی روی ۴۲ ولت ثابت باقی خواهند ماند که یک کوپلاژ ۱۰۰درصدی بین پیچش‌های ترانسفورماتور وجود داشته باشد. چنین هدفی، اما، در عمل دست یافتنی نمی‌باشد.

.

.

من چندین ترانس را به صورت آزمایشی پیچیدم و در این مدار مورد اندازه‌گیری قرار دادم. اولین ترانس آزمایشی را بدون «در هم پیچی» پیچیدم و خیلی ساده اولیه و ثانویه‌ها را روی روی هم پیچیدم. ولتاژ خروجی آن به این شرح بود: در حالت بی‌باری ۶۸ ولت، با بارگذاری ۳ آمپری در حدود ۱۳ ولت. به عبارت دیگر این ترانس کاملاً به درد نخور بود! پس از آن من یک ترانس دیگر را به صورت در هم پیچیدم و پیچش‌های اولیه و ثانویه را در تماس حداکثری با هم قرار دادم. ترتیب پیچیدن این ترانس از زیر به سمت رو به این صورت بود:

• پایانه‌های ۶-۸ و ۷-۱۰: هر کدام ۱۱ دور با دو رشته سیم به صورت بیفیلار پیچیدم.
• یک لایه ایزولاسیون.
• پایانه‌های ۱-۲ یک پیچش ۵ دوری به صورتی که روی تمام عرض قرقره پخش باشد، پیچیدم.
• یک لایه ایزولاسیون.
• پایانه‌های ۴-۵ تعداد ۶۳ دور را در دو لایه با عایق بین لایه‌ها پیچیدم.
• پایانه‌های ۶-۸ و ۷-۱۰: دوباره برای هر کدام ۱۱ دور با دو رشته سیم به صورت بیفیلار پیچیدم و سرسیم‌های آنها را با پیچش‌های همنام زیرین موازی بستم.
• یک لایه ایزولاسیون.
• پایانه‌های ۱-۲ یک پیچش ۵ دوری به صورتی که روی تمام عرض قرقره پخش باشد، پیچیدم و سرسیم‌های آنها را با پیچش‌های همنام زیرین موازی بستم.
• عایق نهایی را پیچیدم.

من با این ترانس به مقادیر بهینه و ایده‌آل نرسیدم، اما آن چه که به آن دست پیدا کردم برای کاربرد من رضایت‌بخش به حساب می‌آید. در حالت بی‌باری ۴۵/۸ ولت و زیر بار ۳ آمپری ۳۸/۳ ولت گرفتم. مدار را برای دریافت ۴۲ ولت زیر بار ۲/۶ آمپری تنظیم کردم. در کاربرد مورد نظر من، همواره از یکی از خروجی‌های ۴۲ ولتی ۲/۶ آمپر و از خروجی ۴۲ ولتیِ دیگر بیشینه ۱۰۰ میلی‌آمپر کشیده می‌شود.

.

.

کوپلاژ میان پیچش‌های ترانسفورماتور را می توان با پیچیدن یک حلقه‌ی اتصال کوتاه دور هسته بهبود داد. در نمونه‌ای که من ساختم، برای اجرای این حلقه‌ی اتصال کوتاه از فویل مس به ضخامت ۳۵ میکرون استفاده کردم. دو سر این حلقه ی مسی را پس از پیچیدن به هم لحیم کردم.

.

.

طرح فیبر مدار چاپی این منبع تغذیه و راهنمای چینش افزاره‌ها بر آن در این‌جا دیده می‌شود. فایل زیر تصویر در بر دارنده‌ی طرح فیبر در اندازه‌ی واقعی است.

.

.

برای دریافت فایل اینجا کلیک کنید

.

ضریب بازدهی و کیفیت دستگاه

برای اندازه‌گیری ضریب بازدهی یا راندمان مدار دانستن دو عامل لازم است. یکی مقدار توان خروجی که بار و مصرف‌کننده‌ی من از این منبع تغذیه خواهد کشید، و دیگری مقدار مصرف توان این دستگاه از شبکه‌ی برق ۲۲۰ ولت شهری در ازای این بار.

در ابتدا به نظر می‌رسد که اندازه‌گیری توان مصرفی از شبکه آسان باشد، اما چنین نیست زیرا در منبع تغذیه‌های کلیدگری ولتاژ و جریان شکل و فرم یکسانی ندارند. صرف‌نظر از نوع وسیله‌ی اندازه‌گیری که به کار ببریم، نتیجه غلط خواهد بود! ساده‌ترین راه، استفاده از یک «منبع تغذیه‌ی آزمایشگاهی» به‌جای یکسو کردن جریان متناوب است. مشکل، اما، اینجاست که من چنین دستگاه گران‌قیمتی در اختیار ندارم. به این خاطر راه دیگری را در پیش می گیریم. باید به سادگی ولتاژ کار روی خازن ۶ اندازه گرفته شود. پس از آن فقط مقدار جریان است که باقی می‌ماند. لیکن بدون انگولک کردن مدار نمی‌توان جریان را سنجید. اما یک راه فرعی که به اندازه‌ی کافی دقت دارد، به کار بردن فرمول I x t = C x U است (تغییر ولتاژ روی خازن در حال ثابت بودن جریان). ظرفیت خازن الکترولیت را اندازه گرفتم: ۲۲۳ میکروفاراد بود. ولتاژ روی آن در ۷/۵ میلی‌ثانیه به میزان ۱۶/۴ ولت افت می‌کند. از این داده‌ها معلوم می‌شود که جریان:

۲۲۳µF x 16/۴V ÷ ۷/۵ms = 0/۴۸۸A

است. ولتاژ کار ۲۹۶ ولت است و از این‌ها نتیجه می‌شود که از این خازن الکترولیت به بعد ۱۴۴ وات در مدار مصرف می‌شود.  مقاومت ۴ در حدود ۴/۷ وات توان را تلف می‌کند، که با فرض گذر یک آمپر جریان موثر بر روی این مقاومت به دست می‌آید. این مقدار به اضافه‌ی تلفات مسی در چوک ۱ را جمعاً ۵ وات فرض می‌کنیم. در نتیجه، کل توان مصرفی در مدار ۱۴۴W + ۵W = 149W خواهد بود. با داشتن توان خروجی برابر با ۱۲۰ وات، بازده یا راندمان مدار برابر خواهد بود با ۱۲۰ ÷ ۱۴۹ = 80/۵%. در مجموع در این منبع تغذیه ۱۴۹W – ۱۲۰W = 29W انرژی تلف می‌شود. این توان تلفاتی گرمایی است و باید به هوای پیرامون رانده شود. .

این منبع تغذیه باید در یک محفظه‌ی فلزی بسته نصب شود تا اختلالات تشعشعیِ فرکانس بالا^[۱۰] از آن تا حد ممکن کم شود. بنابراین، برای دفع گرمای آن باید یک هواکش کوچک در محفظه‌ی دستگاه پیش‌بینی شود.

.

.

مطالب مرتبط:

ساخت سنجش‌گری برای وارسی خودالقایی سیم‌پیچ‌ها – ۱

روش آسان تفکیک و تشخیص فریت‌هایی که در اختیار داریم

.

.

پانویس‌ها: