سوییچینگ چیست؟
سوییچینگ یا Switching به فرآیند انتقال، هدایت و مدیریت داده‌ها، سیگنال‌ها یا ارتباطات بین نقاط مختلف یک شبکه یا سیستم ارتباطی گفته میشود. این فناوری نقش مهمی در شبکه‌های کامپیوتری، مخابرات و سیستم‌های ارتباطی دارد و امکان ارسال اطلاعات از مبدأ به مقصد را با سرعت، دقت و کارایی بالا فراهم می‌کند. سوییچینگ با استفاده از روش‌های مختلفی مانند سوییچینگ مداری (Circuit Switching) و سوییچینگ بسته‌ای (Packet Switching)، مسیر مناسب برای انتقال داده‌ها را انتخاب کرده و به بهینه‌سازی عملکرد شبکه کمک می‌کند.
سوئیچینگ (سوئیچ زنی ) در دو دسته ی مهم کاربرد دارد.
1- منابع تغذیه ی سوئیچینگ switching power supply
Switch mode power supply (smps)
2- تقویت کننده های سویئچینگ Switching amplifier
در ابتدای بحث ، به تقویت کننده های سوئیچینگ می پردازیم.
این نوع تقویت کننده های قدرت کاربرد زیادی در صنعت دارند.
مانند:
(on line _ stand by)Ups
مدارات کنترل دور موتور
Ac ، رگولاتور (Automatic voltage regulator)AVR
تقویت کننده های صوتی (آمپلی فایر ها)
فرستنده های رادیویی قدرت
و….
بحث را با تقویت کننده های صوتی شروع می کنیم.
تقویت کننده های سوئیچینگ :
آمپلی فایر ، مهم ترین جز سیستم های صوتی است ، که وظیفه ی آن دریافت سیگنال کوچک و ضعیف صوت و تقویت چندین برابر آن و در نهایت پخش آن از بلندگو ها می باشد.
ما از تقویت کننده چه انتظاراتی داریم ؟
1- شنیداری : ما می خواهیم همان صدایی وسیگنالی راکه به ورودی اعمال می کنیم ، فقط تقویت کند،بدون اینکه فرکانسی یا فرکانس هایی ازآن کم کند.
می دانیم که صدای انسان محدوده ی فرکانسی 20-20کیلو هرتز است، یعنی دارای یک طیف فرکانسی است.که حذففرکانس های بالا باعث بم شدن صدا وحذف فرکانس های پایین باعث زیر شدن صدا می شود.
پس در مرحله ی اول ما می خواهیم پهنای باند تقویت کننده شامل پهنای باند صدای انسان باشد.
– فنی : انتظاراتی که از نظر فنی در آمپلی فایر ها مورد توجه ماست موارد زیر است.
الف – اولین ومهمترین مسئله که در تمامی سیستم های قدرت مورد توجه ماست راندمان است، ما می خواهیم بیشترین راندمان وکمترین تلفات را داشته باشیم.
ب – خنک سازی آسان؛نیاز به قطعات حجیم خنک کاری را نداشته باشیم
ج – حجم کم
د – قیمت پایین و مقرون به صرفه بودن
بررسی کلاس های تقویت کننده جهت بررسی اینکه کدام کلاس انتظارات ما را برآورده می کند:
الف : کلاس A
در این تقویت کننده 2سری تلفات داریم.
1- تلفات دائمی : چه سیگنال در ورودی باشد وچه نباشد،جریان ثابت ودائمی ic برقرار است .که باعث تلفات بالای ترانزیستور می گردد.
فرض: ic=200m ,Vcc=50v
در کلاس A:
در حالتی که هیچ سیگنالی در ورودی وبالطبع در خروجی نداریم ، توان از منبع تلف می کنیم که آن دو سر ترانزیستور تلف می شود.
2- تلفات در حالت بودن سیگنال:
وقتی سیگنال به ورودی اعمال می کنیم ، باعث افزایش تلفات ترانزیستور می گردد.
درعمل راندمان این کلاس ازتقویت کننده ها در بهترین حالت است . یعنی برای گرفتن توان در خروجی باید انرژی تلف کنیم.
ب: کلاس AB
در این کلاس ، دیگر جریان دائمی کلاس Aرا نداریم . فقط جریان ناچیزی در مسیر BE برقرار است که ترانزیستور را در آستانه هدایت وروشن شدن قرار دهد.
ودر این کلاس هر ترانزیستور نیم سیکل کار می کند ونیم سیکل استراحت که این عمل سبب کم شدن تلفات و افزایش راندمان می گرددکه در بهترین حالت به می رسد که باز هم راندمان کمی است.
اما ببینیم ، علت این تلفات چیست؟ تلفات روی ترانزیستور باعث کم شدن یا زیاد شدن راندمان می گردد.هر چه تلفات بیشتر راندمان کمتر وبالعکس.
علت این تلفات ناشی از ناحیه ی کار و نقطه ی کار ترانزیستور است.
در این دو کلاس ناحیه کار ، ناحیه فعال است ، فقط نقطه ی کار جابجا می گردد.
به ناحیه ی فعال ، ناحیه ی خطی نیز می گویند.چون رابطه ی ، یک رابطه ی خطی است .
ناحیه ی فعال (خطی)ترانزیستور را با مثال زیر بیشتر بررسی می کنیم.
معادله ی خط را از رابطه ی روبرو می توانیم بدست آوریم.
ویا اینکه KVL بنویسیم.
در حالت زیر pt را محاسبه میکنیم.
در این حالت برای گرفتن هر توانی در خروجی معادل همان توان روی ترانزیستور توان تلف می کنیم.
مثلا برای گرفتن توان،معادل حرارت یک هویه ی روی ترانزیستور توان تلف می کنیم.
این نقطه ی کار انتخابی ، نقطه ی کارمیانی است که بیشترین تلفات را داریم ، هر چه قدراز این نقطه دور شویم تلفات کمتر می شود.
با توجه به شکل ها ونمودار ها می بینیم که هر چه Vce و Ic را به صفر نزدیک کنیم ، باعث کم شدن Pt می گردد.
هدف ما این است که Pt برابر با صفر شود.
اما در یک ترانزیستور Pt در چه نقاطی صفر میشود.
با توجه به رابطه ، اگر Vce برابر با صفر باشد و یا اینکه Ic برابر با صفر باشد.
در چه حالتی Vce مساوی صفر می گردد؟
در ناحیه اشباع Vce
مقدار ناچیزی است که از آن صرف نظر می کنیم ومعادل صفر قرار می دهیم.
شرط اشباع :
اگرIc برابر صفر باشد یعنی ترانزیستور در ناحیه ی قطع است.
در ناحیه ی قطع ووصل ترانزیستور مانند یک سوئیچ باز وبسته عمل می کند.
سوئیچ دو حالت بیشتر ندارد.
1- باز
2- بسته
در دو حالت تلفات صفر است.
اما از این قطع ووصل چه استفاده ای می توان کرد؟
اگر با فرکانس ، سوئیچ را قطع ووصل نمائیم خروجی معادل V0 داریم.
با یک مدار RC می توان سیگنال متوسط یک سیگنال مربعی را جدا نمود.
اما استفاده از مدار RC کار معقولی نیست،چون اگر از خروجی جریان زیادی کشیده شود،باز هم روی R تلفات زیادی خواهیم داشت.
مدار RC بالا،یک فیلتر پائین گذر است،می توانیم از المانهای پسیو استفاده کنیم.ویک مدار LC ، فیلترپایین گذر داشته باشیم.
اگر به مدار LC بالا سیگنال مربعی اعمال کنیم در خروجی متوسط سیگنال را داریم.
فرکانس هر سه ورودی شکل بالا یکی است.
اما می بینیم متوسط ها با هم متفاوت است.
علت تفاوت خروجی ها ، متفاوت بودن زمان زمان روشن وخاموش بودن (0,1) است.
دو قسمت توضیح داده شده را پشت سر هم قرار می دهیم . تقویت کننده موج مربعی و فیلتر
ولی این مدار ناقص است ، وقتی از سلف جریان IL گذشته و سوئیچ بازگردد ، مسیر جریان سلف اتصال باز شده و به سوئیچ آسیب می رساند . بنابراین از دیود هرزگرد برای بستن مدار سلف در اوقاتی که سوئیچ باز می شود استفاده می کنیم .
به این ترکیب در اصطلاح مدار کاهنده / سوئیچ سری / BUCK می گویند.
در این مدار ولتاژ خروجی برابر است با : VO = D.E و D<1
بیاییم در این مدار یک سیگنال به صورت زیر با DC متغیر اعمال کنیم .
حال اگر تعداد سیگنالهای مربعی بیشتر باشد
(در بین زمان 0-t ) به یک سیگنال پیوسته می رسیم .
چگونه می توان به عرض پالس متغیر و دلخواه رسید ؟
مثلاً یک بار 0.25 ، یک بار 0.75 و هر عرض پالسی که ما می خواهیم .
با استفاده از یک موج مثلثی یا دندانه اره ای و مقایسه آن با مقادیر مختلف این کار امکان پذیر می شود .
به این عمل تولید سیگنال PWM گفته می شود . Pulse Wide Modulation
مدولاسیون عرض پالس که به آن PDM نیز گفته می شود .
