مبدل Buck و boost
منابع تغذیه برای مبتدیان ، قسمت 4

مبدل Buck و boost چیست و نحوه کارایی آن ها به چه شکل می‌باشد؟

بخش ۴ از مجموعه آموزشی ویدئویی ما بر روی منابع برق برای  شما مبتدیان و مهندسین غیر الکترونیک است.

شما را با انواع مختلف منبع تغذیه و تجهیزات سوییچینگ buck و boost آشنا می‌کند.

در بخش‌سوم مجموعه آموزش‌های ویدئویی را برای‌مبتدیان در‌مورد منابع تغذیه‌، آزمایش و استفاده از منابع تغذیه خطی را بررسی کردیم.

در اینجا‌، در بخش چهارم مجموعه آموزش‌های ویدئویی‌، آزمایش و استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ شامل مبدل های باک و بوست را که می‌توانند ولتاژ خروجی را پایین بیاورند یا افزایش دهند‌، بررسی خواهیم کرد.

برای کسب اطلاعات بیشتر فیلم قسمت 4 را تماشا کنید!

متن فیلم آموزشی در زیر آمده است

سلام من کریس ریچاردسون هستم ، مهندس الکترونیک که روی منابع تغذیه تمرکز دارد.

این چهارمین دوره از وبینارها برای افرادی‌است که منابع تغذیه را دوست دارند اما لزوماً برای مهندسی الکترونیک آموزش دیده‌اند.

تاکنون در این مجموعه ما تجهیزات کم هزینه ای را برای آزمایش منابع تغذیه ، هر دو منبع تغذیه غیرمجاز ، انواع مختلف تنظیم کننده های خطی و اکنون زمان آزمایش برخی از تنظیم کننده های سوئیچینگ ، جمع آوری کرده ایم.

منبع تغذیه مدرن همان چیزی است که امروزه بر بازار تسلط دارد.

مبدل Buck – ساده ترین سوئیچ ها

“buck” ساده ترین تنظیم کننده سوئیچینگ است و درک آن آسان تر است.

کلید کنترل در بالا ، ترانزیستور دو قطبی یا معمولاً MOSFET با دیود D1 کار می کند تا موج مستطیلی را در نقطه اتصال سوئیچ ، دیود و سلف ایجاد کند.

این نقطه، گره سوییچ است و مهم‌ترین ولتاژ برای بررسی در سیستم است.

سلف و خازن یک فیلتر عبور پایین را تشکیل می‌دهند که خروجی آن معمولا DC‌(جریان مستقیم)با ریپل AC‌(جریان متناوب متناوب)است.

مقدار میانگین این ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی و چرخه وظیفه موج مستطیلی بستگی دارد.

چرخه‌وظیفه برابر است با TON تقسیم بر‎‌مجموع TON و TOFF و هر چه چرخه کار بیشتر باشد‌،‌ولتاژ خروجی بیشتر است.

این سوئیچ ولتاژ خروجی را کاهش می دهد ، از این رو نام آن Buck Regulator است.

دقیقاً مانند یک تنظیم‌کننده خطی‌،‌حداکثر V_OUT نظری برابر با V_IN است.

در عمل حداکثر V_OUT که می‌توانیم بدست آوریم تا حدی کمتر‌از V_IN است.

در حال آزمایش تنظیم کننده سوئیچینگ

اولین تنظیم کننده سوئیچینگ که امروز قرار است آزمایش کنیم مبدل buck است و می‌توانید مدار را در‌اینجا ببینید.

این خازن ورودی است و خازن های کوچک ، این دو سوئیچ کنترل هستند.

این یک تنظیم کننده همزمان است‌، به این معنی که به جای دیود برای قسمت پایین‌، MOSFET دارد.

سلف برق با حلقه سیم متصل شده به صورت سری در صورت لزوم قرار دادن یک پروب جریان است و اینها خازن های خروجی در اینجا هستند.

در حال حاضر این مبدل buck تخلیه شده است و من از +5 ولت منبع تغذیه ATX استفاده می کنم.

تقریباً 5 ولت است و خروجی من تقریباً به 1.9 ولت تنظیم شده است.

در حال حاضر هیچ باری وجود ندارد و این چهار مقاومت قدرت در اینجا 8Ω هر کدام به طور موازی متصل شده اند تا بار 2Ω را ایجاد کنند.

وقتی آنها را وصل می کنم حدود 1 آمپر می دهند.

می‌بینید که در ولتاژ ورودی اندکی افت می کند و همچنین ولتاژ خروجی اندکی افت می‌کند اما هنوز تنظیم‌کننده است.

من همه چیز را تغییر داده ام تا کارایی بالای تنظیم کننده سوئیچینگ را در اینجا نشان دهم.

بنابراین اکنون من در‌اینجا مولتی متر آبی و ولتاژ ورودی را در مولتی متر نارنجی در اینجا اندازه گیری می‌کنم.

بنابراین می‌خواهم ببینید که‌وقتی مدار را با بار متصل تغذیه می‌کنیم‌، در 5 ولت ولتاژ آن حدود‌380 میلی آمپر‌(0.380A)‌را می‌کشد.

ویژگی جالب مبدل buck

اکنون من از ورودی 12 ولت برای تأمین آن استفاده می کنم و شما می توانید 12 ولت را روی مولتی متر آبی ببینید ، بار یکسان است و ولتاژ خروجی یکسان است ، اما اکنون جریان خروجی به 210 میلی آمپر (0.210A) کاهش یافته است.

این یک ویژگی جالب مبدل buck است.

با بالا رفتن ولتاژ ورودی ، جریان ورودی پایین می آید.

در حقیقت هنگامی که شما در حال آزمایش یک تنظیم کننده سوئیچینگ هستید ، یکی از اولین آزمایش های اساسی این است که آیا شما یک منبع ورودی متغیر دارید ، مشاهده کنید و مطمئن شوید که با افزایش ولتاژ ورودی ، جریان ورودی پایین می آید.

این قسمت پشتی مدار مبدل buck است.

من گره سوئیچینگ و ولتاژ خروجی را با دو پروب اسیلوسکوپ اندازه گیری می کنم.

یک بار آمپر وجود دارد که از ورودی 12 ولت تأمین می شود.

ما می توانیم گره سوئیچینگ را به رنگ زرد با چرخه کار و موج دار شدن ولتاژ خروجی مشاهده کنیم.

حدود 20 تا 30 میلی ولت پیک به اوج.

دوباره همین آزمایش با این تفاوت که این بار ما 5 ولت آن را در ورودی تأمین می کنیم و اکنون می توان دید که چرخه کار بسیار بالاتر می رود ، ما در مبدل buck هستیم و چرخه کار تقریباً برابر با ولتاژ خروجی در است 1.9 ولت تقسیم بر ولتاژ ورودی 5 ولت ، و همچنین ممکن است موج اندکی پایین تری داشته باشیم ، شاید جایی در محدوده 10 تا 15 میلی ولت.

مبدل boost

یک مبدل boost کمی بیشتر از یک مبدل buck است که برعکس کار می کند.

فقط تصور کنید که D1 یک MOSFET باشد و TR1 یک دیود باشد.

در جایی که VIN را می‌بینید‌، همیشه یک خازن وجود دارد حتی اگر در این نمودار نشان داده نشده باشد.

مبدل boost مدار خوبی برای توضیح این است که چرا یک سلف قلب بیشتر تنظیم کننده های سوئیچینگ است.

برای ایجاد ولتاژ خروجی بالاتر از ولتاژ ورودی ، مبدل boost انرژی را در میدان مغناطیسی سلف ها ذخیره می کند که با افزایش جریان در L1 در حالی که TR1 “روشن” است ، ایجاد می شود.

در حالی که جریان هنوز جریان دارد ، مدار کنترل TR1 را “خاموش” می کند.

سلف می تواند از نظر تئوری ولتاژ آن را تا بی نهایت افزایش دهد تا جریان آن را حفظ کند.

نیازی نیست که به بی‌نهایت برسد‌، فقط کافی است D1 را روشن کنید و به بایاس به جلو منتقل کنید.

بنابراین جریان می تواند به خروجی برسد.

از نظر تئوری مبدل boost می تواند ولتاژ خروجی را تا بی نهایت افزایش دهد اما در عمل به حدود 10 برابر ولتاژ ورودی (10 * V_IN) محدود می شود.

آخرین یادداشت مهم در اینجا:

مبدل boost فقط می تواند V_OUT را با توجه به V_IN افزایش دهد که دقیقاً برعکس مبدل buck است.

از مثال مبدل boost ‌،‌من در‌اینجا از یک pcb استفاده می‌کنم که در واقع دارای دو تنظیم‌کننده سوئیچینگ است.

یک مورد برتر در اینجا یک تنظیم کننده معکوس است ، که یک توپولوژی بسیار جالب است.

اما ما وقت نداریم در اینجا در مورد آن صحبت کنیم بنابراین غیرفعال است.

قسمت پایین مبدل boost است و قطعات کاملاً کوچک هستند.

خازن ورودی در واقع در زیر ورودی های ورودی مخفی است.

این سلف برق است و دیود خروجی در پشت این دستگاه تست پنهان است که من از آن برای اندازه گیری دقیق گره سوئیچینگ استفاده می کنم در حالی که خازن خروجی نیز در زیر این آزمایشگاه پنهان است و همچنین برای اندازه گیری دقیق خروجی وجود دارد ولتاژ.

در حال حاضر من 5 ولت ولتاژ از منبع تغذیه ATX و حدود 14.7 ولت برق دارم.

شاید از خود بپرسید که چرا من 14.7 ولت دارم و جواب صادقانه این است که این مدار مانند اکثر مدارهایی که نشان داده ام مربوط به مواردی است که من مخصوصاً برای انواع مختلف مشتریان انجام داده ام.

ولتاژ 14.7 ولت ولتاژ معمولی نیست‌،‌اما این تنظیم کننده‌های قابل‌تنظیم هستند بنابراین می‌توانید ولتاژ مورد‌نظر خود را از آنها دریافت‌کنید.

در‌اینجا دوباره مبدل boost وجود دارد‌، اما این بار من جریان ورودی و جریان خروجی را اندازه گیری می‌کنم .

بنابراین وقتی آن را “روشن” می کنم‌، 5 ولت در خروجی حدود 900mA (0.9A) و در ورودی 3.5 آمپر است.

نکته در مورد مبدل buck

به یاد داشته باشید که این نقطه مقابل مبدل buck است و در مبدل buck از آنجا که ولتاژ خروجی کمتر است ، جریان ورودی همیشه کمتر از جریان خروجی است.

در مبدل boost عکس است. از آنجا که بازده برق زیاد است‌، قدرت ورودی تقریباً برابر با توان‌خروجی است.

بنابراین از آنجا که ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ خروجی است ، جریان ورودی بالاتر از جریان خروجی است.

برای آخرین تست مبدل تقویت ، مدار من در اینجا است که همان بار را در حدود 900mA و 5 ولت تا 14.7 ولت را تأمین می کند.

در اینجا می توانیم گره سوئیچینگ را به رنگ زرد و ولتاژ خروجی AC را به رنگ آبی ببینیم.

به عنوان تفاوت بین این مبدل و باک ، باید دو نکته مهم را مشاهده کنید.

ولتاژ گره سوئیچینگ بین صفر و ولتاژ خروجی می رود و موج دار شدن بسیار بیشتر است.

این همیشه در مبدل boost درست است.

در مبدل boost ولتاژ ورودی بسیار نرمتر است در‌حالی که ولتاژ‌خروجی موج بیشتری دارد و عکس‌این در مبدل buck صادق‌است.

معکوس کردن تنظیم کننده افزایش فشار

توپولوژی نهایی سه اصل تنظیم کننده افزایش buck است.

همانطور که از نام آن پیداست‌، می‌تواند ولتاژ خروجی ایجاد‌کند که مقدار‌واقعی آن از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد.

این یک مقدار بزرگ است ، اما قطبیت ولتاژ خروجی با توجه به ورودی معکوس می شود.

تعداد مدارهای مدرنی که به ولتاژهای منفی (-ve) نیاز دارند در حال کاهش است.

اما آمپلی فایرهای حساس‌، حسگرها و سایر‌تجهیزات هنوز هم از ولتاژهای مثبت و هم از ولتاژهای منفی برای‌کار استفاده می‌کنند.

مانند تقویت ، تقویت باک از توانایی شگفت انگیز سلف در ایجاد ولتاژ منفی استفاده می کند.

در این حالت‌، هنگامی که TR1 “خاموش” می‌شود ولتاژ روی سلف برای حفظ جریان جریان ، قطب را معکوس می‌کند.

اگر عملکرد انتقال را در سمت چپ بررسی کنید‌، در تئوری ولتاژ خروجی می تواند به بی نهایت منفی برسد.

در عمل شما به حدود منفی 10 برابر ولتاژ ورودی می رسید ، (-10 * VIN).

متأسفم که می گویم من نتوانستم هیچ تابلوی ارزیابی یا pcb آزمایشی برای نمایش و مبدل boost معکوس افزایش واقعی پیدا کنم اما معمولاً می توانید تقریباً هر مبدل buck را بگیرید و با تغییر قطبیت و اتصال دیود خروجی و سلف خروجی ، آن را به یک تقویت کننده وارونه تبدیل کنید.

بنابراین شاید من بتوانم در ویدیوی آینده کارهایی شبیه به این انجام دهم.

رگولاتور Flyback

هیچ بحثی در مورد رگولاتور های تعویض تنظیم کننده Flyback کامل نخواهد بود.

از نظر حجم برشی ، متداول ترین تعویض کننده موجود buck است.

فقط تلفن همراه شما حدوداً پنج یا ده مورد از آنها را دارد ، اما برگشت به بازار شماره دو است.

تقریباً در‌هر منبع تغذیه AC به DC زیر 50 وات از‌این توپولوژی بسیار انعطاف‌پذیر به یک‌شکل یا شکل‌دیگر استفاده می‌شود.

رگولاتور فلای بک بر اساس تنظیم کننده افزایش فشار است اما در سلف خود دارای دو سیم پیچ است.

در حقیقت اگر Nps بسازید که نسبت دو سیم پیچ برابر با یک باشد (1: 1) ، تنظیم کننده برگشت و تنظیم کننده افزایش فشار دقیقاً عملکرد انتقال یکسانی دارند.

نسبت‌ این سیم پیچ ها اجازه می‌دهد تا V_OUT برابر با V_IN باشد‌،‌اما همچنین می‌تواند بسیار‌، خیلی‌بیشتر یا خیلی‌کمتر باشد.

این دو سیم پیچ را نیز می توان جدا کرد و این برای ایمنی الکتریکی بسیار عالی است ، مانند برق نگرفتن کسی و همچنین جدا کردن مدارهای حساس از مدارهای پر سر و صدا.

سرانجام با قطع خروجی برگشت توسط ترانسفورماتور یا سلف کوپل ، می تواند مثبت یا منفی باشد.

با قطع شدن سیمها می توانم مهمترین قسمتهای این منبع را به شما نشان دهم.

بنابراین ما در اینجا خازن های ورودی ، یک منبع گسسته و MOSFET را در سمت اصلی داریم.

این ترانسفورماتور یا بهتر است به عنوان یک سلف کوپل شده ، دیود خروجی و خازن های خروجی شناخته شود.

همچنین توجه داشته باشید:

که این جداسازی بین طرف اصلی و طرف ثانویه وجود دارد ، بنابراین این می تواند یک مبدل جدا شده باشد ، باز هم برای ایمنی الکتریکی یا خلاص شدن از شر سر و صدا.

در قسمت پشتی‌ما دوباره می‌توانیم جدایی را در‌اینجا ببینیم و این دیودها در‌واقع زمین اولیه را تا سطح‌ثانویه کوتاه می‌کنند.

بنابراین این مدار خاص جدا نیست ، اما می تواند باشد.

اگر می خواستیم آن را جدا کنیم ، از شر این مقاومت ها خلاص می شویم و از دستگاهی به نام opto-coupler برای بازخورد کنترل منبع تغذیه استفاده می کنیم.

منبع تغذیه Flyback

در اینجا من یک منبع تغذیه فلای بک کوچک دارم که برای‌کار از ۳۶ ولت تا ۷۲ ولت طراحی شده‌است.

این به طور معمول به عنوان یک حوزه مخابرات شناخته می‌شود.

این دقیقا همان کاری است که من می‌توانم با نیروی برق ATX انجام دهم. بنابراین برای رسیدن به این ۲۲.۴ ولت، که باید ۲۴ ولت باشد، من در حقیقت از ۱۲ ولت منفی (۱۲ V)تا ۱۲ ولت مثبت (+ ۱۲ V)فرار می‌کنم و می‌توانم این کار را انجام دهم چون تامین برق ATX از یک زمین مشترک برای هر دوی این دو استفاده می‌کند.

اما یک مشکل وجود دارد. اگر من سعی می‌کردم که یک دستگاه پرس و جوی oscilloscope را در اینجا امتحان کنم. از آنجا که این زمین است، به محض اینکه این جا را متصل و لمس می‌کنم، منبع تغذیه من “خاموش” می‌شود، زیرا یک مدار کوتاه از ولتاژ خروجی به زمین ایجاد کرده‌ام.

پس کاری که من می‌خواهم انجام دهم این است که کمی تقلب کنید و در واقع از آن چه که یک منبع انرژی آزمایشگاهی منزوی نامیده می‌شود برای انجام بقیه آزمایش‌ها استفاده کنید.

در‌اینجا مجددا رگولاتور flyback وجود دارد،.

اما اکنون با ۴۸‌ولت در ورودی کار می‌کند و این امر از منبع برق DC این آزمایشگاه سه تایی می‌آید.

من در مورد eBay چک کردم و اینها عموما در‌هر جایی از حدود ۱۰۰ یورو تا ۲۰۰ یورو قیمت داشتند.

بنابراین آن‌ها آزاد نیستند، اما قادر به گفتن یک کاهنده بودجه نیستند.

شکل موج منبع تغذیه Flyback

در هر صورت ، یک رگولاتور flyback در واقع دارای دو گره سوئیچینگ است.

این واقعاً از دو سلف تشکیل شده است که در یک هسته متصل شده اند.

بنابراین ما در‌حال مشاهده سمت‌اصلی متصل به زرد به MOSFET قدرت و طرف دوم با رنگ آبی به دیود هستیم.

همچنین توجه داشته باشید که این ولتاژها بسیار بیشتر از ولتاژهایی هستند که تاکنون با آنها سرو کار داشته ایم.

بنابراین شما در این فیلم ها مشاهده کرده اید که مدارها را در حین کار لمس می کنم ، و این ممکن است برای مدارهایی که تا 12 ولت کار می کنند خوب باشد.

اما من قطعاً این مدار را لمس نمی کنم در حالی که 48 ولت کار می کند، این برای شما یک شوک تند و زننده خواهد بود.

بخش 4 آموزش منبع تغذیه برای غیر EE است.

برای قسمت 5 منتظر‌بمانید تا ما انواع مختلف منبع تغذیه را مقایسه‌کنیم تا ببینیم کدام یک در‌کدام شرایط بهتر کار‌می‌کنند.

با دنبال‌کردن این‌لینک در‌مورد: منبع تغذیه حالت سوئیچ‌، می‌توانید اطلاعات‌بیشتر و یک آموزش عالی در مورد منابع تغذیه را دریافت‌کنید.

در بخش 5 و آموزش نهایی مجموعه آموزش تصویری منابع تغذیه برای مبتدیان ، ما در مورد انواع مختلف منبع تغذیه از جمله منبع تغذیه سوئیچینگ و خطی که در آموزش های قبلی بررسی کرده ایم بحث و مقایسه خواهیم کرد.