رگولاتور خطی و سوئیچینگ

منابع تغذیه برای مبتدیان ، قسمت 5

رگولاتور خطی و سوئیچینگ موضوع مورد بحث قسمت پنجم از مجموعه آموزش منابع تغذیه برای مهندسان برق و الکترونیک میباشد.

در اینجا در بخش 5 مجموعه آموزش های ویدیویی مبتدیان در مورد منبع تغذیه ، ما با مقایسه انواع مختلف منبع تغذیه ای که دیده ایم ، هم خطی و هم سوئیچینگ ، کار خود را تمام خواهیم کرد و مزایا و معایب سوئیچینگ و خطی را مشاهده خواهیم کرد.

برای کسب اطلاعات بیشتر فیلم قسمت 5 را تماشا کنید!

متن ویدیوی آموزشی بالا را در ادامه مشاهده کنید.

سلام من کریس‌ریچاردسون هستم‌،‌اگر توانستید‌به قسمت‌5 برسید‌،‌پس احتمالاً تاکنون می‌دانید که من یک‌مهندس الکترونیک هستم که روی منابع تغذیه تمرکز‌دارم.

این پنجمین‌قسمت از سری سمینارهای وب برای علاقه‌مندان به منبع تغذیه یا علاقه‌مندان است که لزوماً به‌عنوان مهندس‌الکترونیک آموزش دیده‌اند.

تاکنون برخی تجهیزات کم‌هزینه را برای آزمایش منابع تغذیه جمع آوری کرده ایم. به منابع غیرقانونی تنظیم شده نگاه کردیم.

تنظیم کننده های خطی مختلف را آزمایش کرده و تنظیم کننده های مختلف سوئیچینگ را آزمایش کردیم.

در این بخش ما نمونه هایی از این منبع تغذیه مختلف را مقایسه می کنیم و آنها را بررسی می کنیم تا ببینیم کدام یک در برنامه های مختلف مناسب تر است.

دستور کار منبع تغذیه

انواع مختلف با تنوع بسیار در زمینه منبع تغذیه وجود دارد.

از سیستم های کوچک با استفاده از میلی وات ، (مگاوات) یا حتی میکرووات ، (uW) در مناطقی مانند میدان “برداشت انرژی” گرفته تا مگاوات (MW) در تولید و توزیع برق.

بنابراین انتخاب مناسب ترین دستگاه برای برنامه شما گام مهمی در استفاده و طراحی منبع تغذیه است.

مقایسه بازده منبع تغذیه

صرف نظر از نوع منبع تغذیه مورد آزمایش ، آزمایش دقیق بازده انرژی به یک آمپرمتر و یک ولت متر برای ورودی منبع تغذیه و سپس آمپرمتر دیگر و ولت متر دیگر برای هر خروجی نیاز دارد.

برای مدارهای بسیار کم توان ، به طور کلی زیر یک دهم وات (1/10 وات یا 0.1 وات) ، تجهیزات ویژه ای لازم است زیرا آمپرمتر و ولت متر همیشه مقداری برق مصرف می کنند و این اندازه گیری ها را مخدوش می کنند.

من قصد دارم روی منابع تغذیه حداقل یک وات توان خروجی تمرکز کنم.

زیرا این تجهیزات خاص قطعاً در لیست دستگاههای مقرون به صرفه من که در قسمت اول صحبت کردم نیست.

Kelvin Sensing به اندازه‎گیری ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی به طور مستقیم در ورودی و خروجی منبع تغذیه شما گفته‌می‌شود.

صفحه های آزمایشی که من استفاده کرده‌ام همیشه دارای‌نقاط تست‌درست در‌کنار خازن‌های ورودی و همچنین خازن‌های خروجی برای این منظور‌هستند.

اگر از بازخوانی ولتاژ منبع تغذیه آزمایشگاه استفاده می کنید یا به جعبه ATX اطمینان می دهید که دقیقاً 12 ولت یا 5 ولت می دهد ، اندازه گیری های شما اشتباه خواهد بود ، زیرا ولتاژ به دلیل افت مقاومت در کابل های اتصال از بین می رود.

آمپرمتر از مقاومت سری نیز استفاده می کند و ولتاژ نیز در آن از بین می رود.

برای اولین آزمایش بهره وری ، من به منبع تغذیه بی نظیر خود در اینجا برمی گردم.

این با منبع تغذیه خطی تنظیم شده است تا 500mA را ترسیم کند.

مولتی متر آبی اندازه گیری جریان ورودی ، (I_IN) و مولتی متر نارنجی ولتاژ ورودی (V_IN) را اندازه گیری می‌کند.

با روشن کردن “ON” ، ورودی 30.8 میلی آمپر در 226 ولت بر ثانیه رسم می شود.

اکنون همه چیز را تغییر می دهم و به جریان خروجی ، (I_OUT) و ولتاژ خروجی ، (V_OUT) نگاه می‌کنم.

همان مدار‌،‌اما اکنون وقتی آن را‌”روشن”‌می‌‌کنم‌، می‌خواهم جریان خروجی را در 510 میلی‌آمپر و ولتاژ خروجی را در‌6.2 میلی‌آمپر اندازه‌گیری‌کنم.

به یاد داشته باشید که این یک مدار نیمه تنظیم است.

در عمل اگر بخواهیم بسیاری از نقاط کارایی را محاسبه کنیم ، بار را تغییر می دهیم.

با این‌حال‌ :

این منبع تغذیه خطی در‌واقع از نظر نحوه‌تنظیم با این پتانسیومتر لگاریتمی است بنابراین‌کار را کمی دشوارتر می‌کند.

اکنون من این‌آزمایش را تکرار می‌کنم اما به‌جای استفاده از منبع تغذیه غیرقانونی‌ از منبع تغذیه سوئیچینگ تنظیم‌شده استفاده می‌کنم.

این جریان خروجی و ولتاژ خروجی است و وقتی آن را “روشن” می کنم ، دوباره 510 میلی آمپر است.

اما در واقع همانطور که انتظار داشتم از 6.5 ولت تنظیم شود‌، تنظیم نشده و در‌اینجا ما 7.07 ولت داریم.

با این وجود ، ما می توانیم این دو نقطه داده را بگیریم و یک نمودار کارآیی بسازیم.

اکنون من در حال آزمایش جریان ورودی و ولتاژ ورودی به منبع تغذیه dc-to-dc خود هستم ، و ما قبلاً می توانیم ببینیم که جریان ورودی بسیار پایین تر است در حالی که ولتاژ ورودی تقریباً یکسان است.

بنابراین ما می‌دانیم که کارایی بسیار‌بهتر خواهد‌شد و اکنون دو نقطه داده دیگر داریم‌، بنابراین بیایید پیش‌برویم و محاسبه کنیم.

مقایسه اتلاف و افزایش دما

در‌اسلایدها و فیلم‌های قبلی‌، دیدیم که رگولاتور سوئیچینگ در بیشتر‌موارد بسیار کارآمدتر از رگولاتور خطی هستند.

بنابراین جای تعجب نیست که رگولاتور خطی که در همان شرایط V_IN ، V_OUT و I_OUT استفاده می شوند ، انرژی بسیار بیشتری را تلف می کنند و اجزای آنها بسیار گرمتر از رگولاتور سوئیچینگ می شوند.

با این وجود صدای کم برق ، سادگی و کم هزینه بودن رگولاتور های NPN و LDO (تنظیم کننده های پایین افت) باعث می شود هر زمان استفاده از آنها منطقی باشد ، آنها را به انتخاب دلخواه خود تبدیل کنند.

معیارهای من موارد زیر است:

شماره 1 – VOUT <VIN (دقیقه) (حداقل ولتاژ ورودی)

شماره 2 – VOUT نسبت به VIN منفی نیست

شماره 3 – VOUT از VIN برای ایمنی یا کاهش سر و صدا جدا نشده است

شماره 4 – (VIN (حداکثر) – VOUT) * IOUT (حداکثر) کمتر از 1 وات است

این‌فرض می‌کند که شما فضای کافی و بودجه‌ای برای هیت‌سینک ندارید و از‌نظر من واقعاً فضا یا پول‌برای هیت‌سینک‌ها وجود‌دارد.

شاید برای شما تعجب آور باشد که بسیاری از هیت سینکهایی که می توانند بیش از یک وات را پراکنده کنند ، بیشتر از تراشه کنترل منبع تغذیه هستند.

برای صحبت در مورد گرما ، من در اینجا مبدل buck همزمان دارم.

این احتمالاً در بین رگولاتور سوئیچینگ های قدرت و تحویل حدود 27 یا 28 وات کارآمدترین است.

من اینجا آن را از 12 ولت از منبع تغذیه ATX خود تأمین می کنم.

من دقیقاً 5 ولت ولتاژ خروجی دارم ، تقریباً 5.5 آمپر به عنوان جریان خروجی و این به لطف گروهی از مقاومتهای قدرت است که مقاومت کل آنها زیر 1Ω است.

برای رسیدن به این ایده، دمای محیط در اتاق بین ۲۷ و ۲۸ ° C است.

یکی از مقاومت‌های قدرت در نزدیک به ۵۰ ° C بسیار داغ است.

من همیشه به این فکر می‌کنم که هر چیزی بیش از ۵۰ درجه سانتیگراد به طور ناراحت‌کننده‌ای برای لمس‌کردن است.

اگر شروع به اندازه گیری دمای برخی از اجزای برق کنم ، MOSFET سوئیچینگ جزو اجزایی  است که داغ می شود و به سختی بیش از 30 درجه سانتیگراد است.

این MOSFET قدرت همزمان است ، در دمای 29 درجه سانتیگراد کمی سردتر است.

سلف برق نیز عنصری است که می تواند بسیار زیاد و به سختی بیش از 30 درجه سانتیگراد گرم شود.

آخرین چیزی که اندازه گیری خواهیم کرد خازن ورودی الکترولیتی آلومینیومی است که به سختی گرم می شود.

اگر بخشی از رگولاتور خطی را تماشا کرده باشید ، پس به یاد خواهید آورد که این رگولاتور خطی گسسته (صفحه مدار نشان دهنده) دارای یک هیت سینک بزرگ و بزرگ است و دارای تراشه کنترل و ترانزیستور قدرت گسسته است.

نکته در مورد مقایسه مبدل buck با رگولاتور خطی

بنابراین ما این را با مبدل buck مقایسه می کنیم.

مولتی متر آبی جریان خروجی است ، (I_OUT) و مولتی متر نارنجی ولتاژ خروجی است (V_OUT).

بنابراین در واقع بار اینجا که در مجموع 1Ω است جریان بسیار زیادی را ترسیم می کند در واقع در حال فروپاشی است تا ولتاژ خروجی کمی در اینجا باشد.

اما با وجود دمای محیط حدود 27 درجه سانتیگراد ، این هنوز یک تست حرارتی خوب است.

تنها‌چیزی که واقعاً در یک رگولاتور خطی اهمیت دارد‌، خود تراشه است که در‌این حالت عنصر عبور گسسته است.

اگر پروب دما را روی آن قرار دهم خوب و گرم است ، احتمالاً بیش از 100 درجه سانتیگراد است.

من نوک ترموکوپل را درست در محل اتصال هیت سینک و زبانه آن MOSFET قدرت گسسته دارم.

یک تفاوت بزرگ وجود دارد ، اما به یاد داشته باشید که هیچ یک از اجزای مبدل buck بیش از 31 یا 32 درجه سانتیگراد یا به همین ترتیب نبودند.

چون بیش از حد گرم می شود آن را “خاموش” می کنم.

مقایسه ورودی و خروجی Ripple

رگولاتور خطی بدون سر و صدا در هنگام نوسان رسانای کم ، رگولاتور سوئیچینگ را شکست می دهد.

این مربوط به ورودی های آنها است که ما در بالای صفحه در اینجا می بینیم ، و ممکن است محدودیت های قانونی داشته باشند ، و همچنین برای خروجی های آنها که اغلب به نویز حساس هستند.

به عنوان مثال ، بیشتر مدارهای دیجیتالی به نویز فرکانس های خاص حساس هستند.

سه روش برای کاهش ولتاژ موج در هنگام اتلاف توان یا تغییر ولتاژ شما را مجبور به‌استفاده از سوئیچ می‌کند:

• توپولوژی رگولاتور سوئیچینگ خود را با دقت انتخاب کنید. به یاد داشته باشید که مبدل buck در ورودی بیشتر از خروجی خود سر و صدا دارند ، اما lfng ذخخسف برعکس هستند. تنظیم کننده های معکوس افزایش فشار و تنظیم کننده های برگشت در هر دو طرف پر سر و صدا هستند. اما این قیمتی است که باید برای افزایش یا کاهش ولتاژ خروجی پرداخت شود.
• یک فیلتر خروجی کم عبور اضافه کنید. معمولاً یک فیلتر ساخته شده از سلف و یک خازن (فیلتر LC) است.

فیلترها همیشه کم عبور هستند زیرا شما DC خالص می خواهید و نویز در ذات خود AC است.

• از یک رگولاتور سوئیچینگ استفاده کنید تا کاملاً نزدیک شوید اما دقیقاً بالاتر از VOUT مورد نظرتان است و سپس از LDO به عنوان اصطلاحاً “تنظیم کننده پست” استفاده کنید.

این باعث می شود اتلاف انرژی در LDO به حداقل برسد و ولتاژ خروجی بسیار نرم شود.

برای مقایسه موج دار شدن ولتاژ منبع تغذیه ، هم تنظیم کننده buck در سمت چپ و هم LDO خود را با ترانزیستور قدرت گسسته در سمت راست دارم.

هر کدام از آنها از منبع تغذیه ATX +12 ولت استفاده می کنند.

هرکدام دارای بار یکسان و دو مقاومت قدرت 8Ω به صورت موازی هستند.

تا در مجموع یک بار 4Ω ایجاد کنند ، و در اسلاید قبلی موج ولتاژ ورودی را مشاهده کردید.

مقایسه Regulator Output Ripple

اکنون ما از اسیلوسکوپ برای اندازه گیری دو موج ولتاژ خروجی استفاده می کنیم.

باز هم 5 ولت خروجی برای LDO و 5 ولت خروجی برای تنظیم کننده باک و اگر به اسیلوسکوپ نگاه کنیم ، تنظیم کننده باک در زرد موج می زند و موج LDO به رنگ آبی است.

در‌ابتدا ممکن است بگویید که‌ تقریباً یکسان به نظر می‌رسند‌،‌اما بیشتر موجی که به رنگ آبی می‌بینیم نتیجه اتصال‌نویز است.

اگر کاوشگر را بیرون بیاوریم می توانیم ببینیم که صدای LDO بسیار پایین تر است.

مقایسه نویز تابیده شده

رگولاتور خطی نیز سر و صدای بسیار کمتری نسبت به رگولاتور سوئیچینگ دارند ، حتی یک سوئیچ پردازش انرژی بسیار کمتری را انجام می دهد.

هنگام طراحی منبع تغذیه‌، معمولاً طراحی فیلترها و مدارهای کاهش‌دهنده نویز الکترومغناطیسی به اندازه‌طولانی تر زمان‌میبرد تا طراحی خود سوئیچر.

اگر کسی را می شناسید که محصول خود را برای آزمایش آزمایشگاه های UL در ایالات متحده یا آزمایش CE در اروپا برده باشد ، ممکن است داستان هایی از گذراندن روزها در آزمایش و رفع خطا برای نویز رسانا یا تشعشع متداول باشد که بیش از حد مجاز است.

این دلیل دیگری است که من هر زمان که بتوانم از تنظیم کننده های خطی استفاده می کنم.

برای نشان دادن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ، من در اینجا رادیویی AM (Amplitude Modulated) را تنظیم کرده ام که در حدود 600kHz تنظیم شده است که در محدوده فرکانس سوئیچینگ این تنظیم کننده باک است.

وقتی مدار را “روشن” می کنم ، به اندازه کافی از نویز مطمئن شوید.

وقتی رادیو را به منبع که گره سوئیچینگ و سلف است نزدیک می کنم ، تداخل بیشتری می شنویم.

یکبار دیگر برای آزمایش EMI رادیوی AM را در حدود 600 کیلوهرتز تنظیم کرده ام و قبلاً با تنظیم کننده buck دیدیم که به محض روشن کردن آن ، چیزی غیر از نویز ساکن دریافت نمی کنیم.

وقتی رگولاتور خطی را “روشن” می کنم ، تقریباً همان مقدار توان خروجی داریم.

اما اگرچه اندکی تداخل وجود دارد‌، حتی اگر به منبع تغذیه نزدیک شویم می‌توانیم رادیوی AM را کاملاً خوب بشنویم.

این زیبایی رگولاتور خطی ، صدای تابشی بسیار کمی دارد.

یک تست دیگر اکنون رادیو مشابهی دارم اما اکنون با FM (فرکانس مدولاسیون)‌92 مگاهرتز تنظیم شده و صدای خوبی دارد.

اگر آنتن (هوایی) را ببندم چه اتفاقی میقتد؟

تداخل دوباره شروع می شود.

این اتفاق می افتد زیرا اینورتر سوئیچینگ نه تنها در سرعت 400 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز کار می کند بلکه دارای هارمونیک های زیادی است و همچنین دارای نویز فرکانس بالا است.

اینها باند FM را گسترش می دهند و همچنین تداخل ایجاد می کنند.

حالا ما می خواهیم رگولاتور خطی را آزمایش کنیم.

من در اینجا رادیو FM دارم و با بسته شدن آنتن ، آن را “روشن” می کنم اما باید سریع باشم زیرا این بسیار داغ می شود زیرا می بینید که در اینجا جریان و ولتاژ زیادی ایجاد می کند و مهم نیست که من چه کاری انجام می دهم می تواند به شنیدن رادیو اسپانیا ادامه دهد.

این بخش 5 منبع تغذیه برای غیر EE است.

در حال حاضر این آخرین آموزش ویدئویی در‌این مجموعه است و ساخت این فیلم‌ها برای من لذت بخش بوده است.

از طرف خودم و آموزش الکترونیک. صمیمانه امیدوارم که شما چیزی یاد گرفته باشید و دوباره از تماشای شما متشکرم.

با دنبال‌کردن این‌لینک در‌مورد: منبع تغذیه حالت سوئیچ‌، می‌توانید اطلاعات‌بیشتر و یک آموزش‌عالی در‌مورد انواع ‌مختلف منبع تغذیه را بیابید.