دارة محول Flyback

في الإلكترونيات ، المنظم هو جهاز أو آلية يمكنها تنظيم خرج الطاقة باستمرار. تتوفر أنواع مختلفة من المنظمين في مجال إمداد الطاقة. ولكن بشكل أساسي ، في حالة التحويل من DC إلى DC ، هناك نوعان متاحان من المنظمين: الخطي أو التبديل.

A منظم الخطية ينظم الانتاج باستخدام انخفاض الجهد مقاوم. بسبب هذا ، توفر المنظمات الخطية كفاءة أقل وتفقد الطاقة في شكل حرارة. يستخدم منظم التبديل محثًا وصمامًا ثنائيًا ومفتاح طاقة لنقل الطاقة من مصدرها إلى الخرج.

أنواع منظم التبديل

هناك ثلاثة أنواع متاحة من تبديل المنظمين.

1. محول الخطوة (Boost Regulator)

2. محول تنحي (منظم باك)

3. محول Flyback (منظم معزول)

لقد أوضحنا بالفعل دائرة Boost Regulator و Buck Regulator. في هذا البرنامج التعليمي ، سوف نصف دائرة منظم Flyback.

و الفرق بين باك ودفعة منظم هو، في منظم باك وضع مغو، الصمام الثنائي والدوائر التحول تختلف من دفعة منظم. أيضًا ، في حالة منظم التعزيز ، يكون جهد الخرج أعلى من جهد الدخل ، ولكن في منظم باك ، سيكون جهد الخرج أقل من جهد الدخل. تعد طوبولوجيا باك أو محول باك أحد أكثر الهياكل الأساسية استخدامًا في SMPS. إنه خيار شائع حيث نحتاج إلى تحويل جهد أعلى إلى جهد خرج أقل.

بخلاف تلك الجهات التنظيمية ، يوجد منظم آخر وهو خيار شائع بين جميع المصممين ، وهو منظم Flyback أو محول Flyback. هذا هيكل متعدد الاستخدامات يمكن استخدامه عند الحاجة إلى نواتج متعددة من مصدر إخراج واحد. ليس ذلك فحسب ، تسمح طوبولوجيا flyback للمصمم بتغيير قطبية الإخراج في نفس الوقت. على سبيل المثال ، يمكننا إنشاء خرج + 5V ، + 9V و -9V من وحدة محول واحدة. كفاءة التحويل عالية في كلتا الحالتين.

شيء آخر في محول Flyback هو العزل الكهربائي في كل من المدخلات والمخرجات. لماذا نحتاج إلى العزلة؟ في بعض الحالات الخاصة ، لتقليل ضوضاء الطاقة ، والعمليات المتعلقة بالسلامة ، نحتاج إلى عملية معزولة ، حيث يتم عزل مصدر الإدخال تمامًا عن مصدر الإخراج. دعنا نستكشف عملية flyback الأساسية ذات الإخراج الفردي.

تشغيل دارة محول Flyback

إذا رأينا تصميم flyback الأساسي ذو الإخراج الفردي مثل الصورة أدناه ، فسنحدد المكونات الأساسية الأساسية المطلوبة لبناء واحد.

يتطلب محول flyback الأساسي مفتاحًا ، والذي يمكن أن يكون FET أو ترانزستور ، أو محولًا ، أو ديودًا ناتجًا ، أو مكثفًا.

الشيء الرئيسي هو المحولات. نحن بحاجة إلى فهم العمل الصحيح للمحول قبل فهم عملية الدوائر الفعلية.

يتكون المحول من محاثين على الأقل ، يُعرفان باسم الملف الثانوي والأولي ، يتم لفهما في ملف سابق مع قلب بينهما. يحدد اللب كثافة التدفق التي تعد معلمة مهمة لنقل الطاقة الكهربائية من ملف إلى آخر. الشيء الأهم الآخر هو مراحل المحولات ، وهي النقاط الموضحة في الملف الأولي والثانوي.

أيضًا ، كما نرى ، يتم توصيل إشارة PWM عبر مفتاح الترانزستور. يرجع ذلك إلى تكرار إيقاف تشغيل وقت التبديل وتشغيله. PWM تعني تقنية تعديل عرض النبض.

في منظم Flyback ، هناك عمليتان للدائرة ، أحدهما هو طور التشغيل عندما يتم شحن الملف الأولي للمحول ، والآخر هو إيقاف التشغيل أو مرحلة النقل للمحول عندما يتم نقل الطاقة الكهربائية من المرحلة الابتدائية إلى المرحلة الثانوية و أخيرًا إلى التحميل.

إذا افترضنا أن المفتاح قد تم إيقاف تشغيله لفترة طويلة ، فإن التيار في الدائرة يكون 0 ولا يوجد جهد.

في هذه الحالة ، إذا تم تشغيل المفتاح ، فسوف يزداد التيار وسيخلق المحث انخفاضًا في الجهد ، وهو نقطة سلبية حيث يكون الجهد أكثر سالبة عبر النهاية الأولية المنقطة. خلال هذه الحالة ، تتدفق الطاقة إلى المرحلة الثانوية بسبب التدفق المتولد في القلب. على الملف الثانوي ، يتم إنشاء جهد في نفس القطبية ولكن الجهد يتناسب طرديًا مع نسبة دورات الملف الثانوي إلى الأساسي. بسبب الجهد السالب النقطي ، يتم إيقاف تشغيل الصمام الثنائي ولن يتدفق أي تيار في المرحلة الثانوية. إذا تم شحن المكثف في دورة التبديل-إيقاف-التشغيل السابقة ، فإن مكثف الخرج سوف يوفر فقط تيار الإخراج للحمل.

في المرحلة التالية ، عند إيقاف تشغيل المفتاح ، ينخفض ​​التدفق الحالي عبر المرحلة الابتدائية ، مما يجعل نهاية النقطة الثانوية أكثر إيجابية. كما هو الحال في المرحلة السابقة من مفتاح التشغيل ، فإن قطبية الجهد الأولي تخلق نفس القطبية في المرحلة الثانوية أيضًا ، في حين أن الجهد الثانوي يتناسب مع نسبة الملف الأولي والثانوي. نظرًا للنهاية الموجبة للنقطة ، يتم تشغيل الصمام الثنائي ويوفر المحرض الثانوي للمحول تيارًا لمكثف الإخراج والحمل. فقد المكثف الشحنة في دورة التشغيل ، والآن تتم إعادة تعبئته مرة أخرى ويكون قادرًا على توفير تيار الشحن للحمل أثناء وقت التبديل ON.

في دورة Switch ON و OFF بأكملها ، لم تكن هناك توصيلات كهربائية بين مصدر طاقة الإدخال إلى مصدر طاقة الإخراج. وبالتالي ، فإن المحول يعزل المدخلات والمخرجات.

هناك نوعان من أوضاع التشغيل حسب توقيت التبديل وإيقاف التشغيل. يمكن أن يعمل محول Flyback في الوضع المستمر أو الوضع غير المستمر.

في الوضع المستمر ، قبل الشحن الأساسي ، يذهب التيار إلى الصفر ، تتكرر الدورة. من ناحية أخرى ، في الوضع المتقطع ، تبدأ الدورة التالية فقط عندما ينتقل تيار المحرِّض الأساسي إلى الصفر.

كفاءة

الآن ، إذا بحثنا في الكفاءة ، وهي نسبة المخرجات إلى طاقة الإدخال:

(العبوس / الدبوس) × 100٪

نظرًا لأن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، فلا يمكن تحويلها إلا ، حيث تفقد معظم الطاقات الكهربائية القوى غير المستخدمة إلى حرارة. أيضا ، لا يوجد وضع مثالي في المجال العملي. تعتبر الكفاءة عاملاً كبيرًا في اختيار منظمات الجهد.

يعتبر الصمام الثنائي أحد عوامل فقد الطاقة الرئيسية لمنظم التحويل. انخفاض الجهد الأمامي الذي يتضاعف بالتيار (Vf xi) هو القوة الكهربائية غير المستخدمة والتي يتم تحويلها إلى حرارة وتقلل من كفاءة دائرة منظم التبديل. أيضًا ، إنها التكلفة الإضافية للدائرة لتقنيات إدارة الحرارة / الحرارة مثل استخدام غرفة التبريد ، أو المراوح لتبريد الدوائر من الحرارة المشتتة. ليس فقط انخفاض الجهد الأمامي ، يؤدي الاسترداد العكسي لثنائيات السيليكون أيضًا إلى فقد طاقة غير ضروري وتقليل الكفاءة الإجمالية.

تتمثل إحدى أفضل الطرق لتجنب الصمام الثنائي القياسي في استخدام صمامات Schottky التي تتميز بانخفاض جهد أمامي منخفض واسترداد عكسي أفضل. في جانب آخر ، تم تغيير المفتاح إلى تصميم MOSFET الحديث حيث تم تحسين الكفاءة في حزمة صغيرة وصغيرة الحجم.

على الرغم من حقيقة أن منظمات التبديل تتمتع بكفاءة أعلى ، وتقنية تصميم ثابتة ، ومكون أصغر ، إلا أنها صاخبة من المنظم الخطي ولكنها لا تزال شائعة على نطاق واسع

مثال على تصميم محول Flyback باستخدام LM5160

سنستخدم طوبولوجيا flyback من Texas Instruments. يمكن أن تكون الدائرة متاحة في ورقة البيانات.

و LM5160 يتكون التالية features-

• نطاق جهد إدخال واسع من 4.5 فولت إلى 65 فولت
• مفاتيح مدمجة للجانب العلوي والجانب المنخفض
  • لا يلزم وجود ديود شوتكي خارجي
• 2-أ الحد الأقصى للحمل الحالي
• التحكم التكيفي المستمر في الوقت المحدد
  • لا يوجد تعويض عن حلقة خارجية
  • استجابة سريعة عابرة
• اختيار التشغيل القسري PWM أو DCM
  • يدعم FPWM مخرجات متعددة Fly-Buck
• تردد تبديل ثابت تقريبًا
  • المقاوم قابل للتعديل حتى 1 ميجا هرتز
• وقت بدء البرنامج
• بداية متحيزة
• ± 1٪ مرجع جهد التغذية المرتدة
• يسمح LM5160A بالتحيز الخارجي لـ VCC
• ميزات الحماية المتأصلة لتصميم قوي
  • الحد الأقصى للحماية الحالية
  • إدخال قابل للتعديل UVLO والتباطؤ
  • حماية UVLO من VCC و Gate Drive
  • حماية الاغلاق الحراري مع التباطؤ
• قم بإنشاء تصميم مخصص باستخدام LM5160A مع مصمم الطاقة WEBENCH®

إنه يدعم نطاق جهد إدخال واسع من 4.5V إلى 70V كمدخل ويوفر 2A من تيار الخرج. يمكننا أيضًا تحديد عمليات PWM أو DCM القسرية.

Pinout من LM5160

لا يتوفر IC في حزمة DIP أو نسخة سهلة اللحام ، على الرغم من أنها مشكلة ، إلا أن IC يوفر الكثير من مساحة PCB بالإضافة إلى أداء حراري أكبر على خافض حرارة PCB. يظهر مخطط الدبوس في الصورة أعلاه.

الحد الأقصى لالتقييمات المطلقة

نحن بحاجة إلى توخي الحذر بشأن الحد الأقصى المطلق لتصنيف IC.

دبوس SS و FB لديه تحمل جهد منخفض.

مخطط حلبة محول Flyback والعمل

باستخدام LM5160 ، سنقوم بمحاكاة مصدر طاقة معزول بجهد 12 فولت بناءً على المواصفات التالية. اخترنا الدائرة لأن كل شيء متاح في موقع الشركة المصنعة.

يستخدم التخطيطي الكثير من المكونات ولكن ليس من الصعب فهمه. يتم استخدام C6 و C7 و C8 في الإدخال لترشيح مصدر الإدخال. بينما يتم استخدام R6 و R10 للأغراض ذات الصلة بإغلاق الجهد المنخفض. المقاوم R7 مخصص للغرض المرتبط بالوقت. هذا الدبوس قابل للبرمجة باستخدام مقاوم بسيط. مكثف C13 المتصل عبر دبوس SS هو مكثف بدء ناعم. يتم توصيل AGND (أرضي تناظرية) و PGND (أرضي طاقة) و PAD بمصدر GND. على الجانب الأيمن ، مكثف C5 ، 0.01 uF هو مكثف Bootstrap يستخدم لتحيز محرك البوابة. R4 و C4 و C9 عبارة عن مرشح تموج حيث يوفر R8 و R9 جهد التغذية المرتدة لدبوس التغذية المرتدة في LM5160. تحدد حصص المقاومات هذه جهد الخرج. يتم استخدام C10 و C11 لتصفية المخرجات الأولية غير المعزولة.

المكون الرئيسي هو T1. إنه محث مقترن بمحث 60 درجة مئوية على كلا الجانبين ، الابتدائي والثانوي. يمكننا اختيار أي محث مقترن أو محث إنتان بالمواصفات التالية-

1. نسبة الدوران SEC: PRI = 1.5: 1
2. المحاثة = 60 درجة مئوية
3. تيار التشبع = 840mA
4. مقاومة التيار المستمر الابتدائية = 0.071 أوم
5. العاصمة الثانوية المقاومة = 0.211 أوم
6. التكرار = 150 كيلو هرتز

يستخدم C3 لاستقرار EMI. D1 هو الصمام الثنائي الأمامي الذي يحول الإخراج و C1 ، C2 هي أغطية المرشح ، R2 هو الحد الأدنى للحمل المطلوب لبدء التشغيل.

أولئك الذين يرغبون في توفير مصدر الطاقة لمواصفات مخصصة ويريدون حساب القيمة ، توفر الشركة المصنعة أداة Excel ممتازة حيث يمكنك ببساطة وضع البيانات وسيقوم برنامج Excel بحساب قيمة المكونات اعتمادًا على الصيغ المتوفرة في ورقة البيانات.

قدمت الشركة المصنعة أيضًا نموذج التوابل بالإضافة إلى تخطيطي كامل يمكن محاكاته باستخدام أداة محاكاة TINA-TI القائمة على SPICE الخاصة بشركة Texas Instrument. يوجد أدناه الرسم التخطيطي المرسوم باستخدام أداة TINA-TI المقدمة من الشركة المصنعة.

يمكن عرض نتيجة المحاكاة في الصورة التالية حيث يمكن عرض تيار الحمل والجهد المثاليين-