נספח מייצבים ממותגים מסווגים את מעגלי הייצוב לשני סוגים: א. מייצב ליניארי. ב. מייצב ממותג. א. מייצב ליניארי מייצב ליניארי הינו למעשה מגבר שכניסתו היא מתח DC וכל מה שנכון לגבי מגבר נכון גם לגבי המייצב הנ"ל. (למשל התנגדות כניסה, התנגדות יציאה וכו'...) אלא שחסרון גדול למייצב זה כיון שיש פיזור הספק עליו וזה גורם לבזבוז הספק. במייצבים ליניאריים דורש מפל מתח מינימלי על פניו על מנת שהוא ישמש כמייצב טוב וזה גורם לנצילות נמוכה. בגלל העובדה שמתח הכניסה בעל ערך נומינלי משתנה (רשת, מצבר וכו'...), לכן נקבל שמפל המתח הטורי ישתנה. כלומר אם מתח הכניסה יעלה, הספק הפיזור יעלה והנצילות תקטן. במייצבים כאלה מדובר על נצילות בסדרי גודל של.60% ב. מייצב ממותג הרעיון מתבסס על מתח הכניסה הממותג ולא רציף. כאן משתמשים במתג (במקום האלמנט הטורי במייצב ליניארי) על מנת למתג את מתח הכניסה ובצורה זו מבצעים מודולציה. בצורה כזו הספק הפיזור על המתג קטן יחסית כך שנקבל נצילות גדולה יותר מאשר במייצבים ליניאריים. מיתוג רגיל יגרום לגל מרובע ביציאה ולכן יש לבחור טופולוגיה מתאימה לקבלת מתח רציף ביציאה. המייצבים הממותגים (לכל סוגיהם) בנויים ממתג, קבלי סינון ואלמנט אוגר אנרגיה (סליל). 38
טופולוגיה down) Buck (step את המתג ממתגים ב- Cycle Duty מסוים: D + toff יחס זה נקבל על ידי חוג המשוב כמתואר בשרטוט. לגבי הסליל ידוע שהמתח על פניו מתנהג לפי: i i V d d V dt dt מכאן נקבל שהזרם עולה ליניארית דרכו כאשר המתח על פניו קבוע בהנחה שהמערכת נמצאת במצב היציב, כלומר המתח במוצא יציב. נניח גם שהקבל במוצא גדול מאוד כך שנוכל להתעלם מהאדווה (Ripple) שעל פניו ) c V ). כאשר המתג במצב on המתח על פני הסליל יהיה: Vin Vs Vin (בהנחה שהמתג אידיאלי). במצב זה הזרם דרכו עולה ליניארית כאשר השיפוע יהיה: d i Vin. dt מכיוון שרציפות השטף המגנטי נשמרת הרי שכאשר המתג עובר למצב שהפעם המתח על פני הסליל יהיה: המחזור יהיה: off רציפות הזרם דרך הסליל תשמר אלא ( ) VD (בהנחה שהדיודה אידיאלית) ולכן שיפוע הזרם בחלק זה של d i dt 39
קיבלנו שבזמן t on אנו טוענים את הסליל באנרגיה ובזמן t off אנרגיה זו מועברת לעומס. נשרטט כעת את צורות הזרם האחרות: נמצא את הקשר בין זרם העומס לזרם דרך הסליל. ניתן לומר שממוצע הזרם בסליל היא זרם העומס כלומר: I Io Ix+ 2 TI s o TI s x+ 2 + toff Ip Ix+ Io + 2 toff Ip Io+ Io+ 2 2 במצב היציב נקבל שבסוף הזמן t off הזרם בסליל יגיע לאותו הזרם דרכו בתחילת הזמן t on ואז נוכל לחשב ש: D Vin + toff V V in V o t o on t off ( ) < Vin + toff 40
למעשה קיבלנו שנאי DC עם יחס השנאה D. א. ב. ג. ההפסדים במערכת זו הם נמוכים ומורכבים מההפסדים הבאים: הפסדים במתג - למתג במצב on יש התנגדות s(on) (0.1-0.3Ω R ב-.(MOSFET התנגדות אוהמית של הסליל ) R) - נתון לשליטתו של המתכנן. הפסדים בדיודה - במצב ניתן לבחור דיודה שמפל המתח שלה נמוך (Schottky). בחירת מתג טוב (התנגדות s(on) R ההפסדים במערכת ההמרה ממתח DC למתח DC אחר V). D(on) ) ויש עליה מפל המתח I) D ) זורם זרם דרך הדיודה off נמוכה), סליל עם התנגדות אוהמית קטנה ודיודה עם מפל מתח נמוך יגרמו למזעור הספק הפיזור על הדיודה היא הזרם הממוצע דרכה כפול מפל המתח על פניה: P D I D V D(on) לגבי הספק הפיזור על המתג צריך לחשב ערך אפקטיבי של הזרם ולא ממוצע. צורת הזרם דרך המתג בפרק הזמן t on ניתנת לתיאור ע"י: Is Ix+ kt לכן הספק הפיזור על המתג: באותה הדרך ניתן לחשב גם את הספק הפיזור על הסליל: Rson ( ) 2 Psav ( Ix+ kt) dt 0 R 2 toff 2 Pav ( Ix+ k1t) dt+ ( Ix k2t) dt 0 0 שיקולים לבחירת הסליל. א. ב. גדול יגרום ל- קטן יגרום ל- d i dt d i dt קטן בגרף הזרם.I גדול, כלומר נקבל זרמי שיא גדולים. בשני המקרים ממוצע הזרם במוצא ישמר. בנוסף צריך לציין שסליל גדול הוא יקר ומסורבל ובנוסך הוא גורם לזמן התייצבות (עד לזמן היציב) גדול, דבר שהוא לא רצוי. מצד שני סליל קטן כפי שנאמר קודם גורם לזרמי שיא גדולים ואז נכנסת המגבלה של המתג לגבי זרמים גדולים. נראה את צורת הזרם בסליל כאשר הפרמטר המשתנה הוא גודלו של הסליל. 41
שורטטו שלוש צורות עבור שלושה סלילים. כאשר: 1 < 2 < 3 מסתבר שאם רוצים מצב של רציפות בזרם הרי שקיים ערך של min אשר יבטיח רציפות של הזרם. כפי שרואים בציור למעלה הרי ש 3 היא ה- הגבולי שמתחתיו נקבל אי- רציפות בזרם. זהו מצב שנקרא Operation. Discontinue צורת עבודה של אי-רציפות בזרם Operation) (Discontinue לא רצויה. לכן הקריטריון של min יהיה כך שנקבל: toff min 2 Io TI s o Io 2 2 toff 2Io min עבור כל זרם ממוצע במוצא נקבל min מסוים. בדרך כלל לצורך עבודה טובה בוחרים סליל בעל ערך 10. min יש לזכור שדרך הסליל זורם זרם DC ויש לדאוג שלא יכנס לרוויה (ע"י חריץ אוויר). 42
1 1 20µ Sec fs 50103Hz toff 10µ Sec D 50% toff 5V1010 6Sec min 25µ H 2Io 21A בוחרים 10 min 250µH דוגמא: דרוש מייצב ל- 5V וזרם 1A. המיתוג הוא בתדר של f s 50kHz יחס המיתוג cycle) (Duty הוא 50%. צריך לחשב את ה- min הנדרש. מכיוון שמקבלים סלילים גדולים יחסית הרי שצריך ללפף אותם על ליבה פרומגנטית על מנת להקטין את מידות הסליל (מס' הליפופים) ובכן מקטינים גם את הפסדי הסליל. אלא שאז צריך לדאוג שלא יכנס לרוויה ולכן מלפפים את ליבת הברזל עם חריץ אוויר. כך: בחירת הקבל C. הקבל מהווה מאגר אנרגיה זמני. ניתן לומר שבקירוב רב זורם זרם ישר ) o I) דרך העומס ושינוי המתח על פני הקבל יראה i c i - I o V t off חישוב שטח אחד המשולשים ייתן את Q של הקבל: 1 1 1 1 Q + toff ( + toff) t off 2 2 2 2 8 1 o Q f V t off V s 8 c toff Q C V 8fsC c אם נמשיך באותה דוגמא: מייצב ל- 5V וזרם 1A. המיתוג הוא בתדר של f s 50kHz יחס המיתוג cycle) (Duty הוא 50%. נקבל: 5V* 10µ Sec C 12. 5µ F 8* 100µ H * 50kHz * 0. 1V 43
זה לא צריך להפתיע שהתקבל קבל קטן משום שמוטל עליו לשמור על מטען לפרק זמן קצר יחסית. לעומת זאת בקצבים המותאמים לתדר הרשת ידרשו ערכי קבל גדולים בהרבה. לשם השוואה במיישר גשר רגיל עם רשת סינון. RC היינו צריכים לקבל קבל מסדר גודל של עשרות אלפים µf ע"מ לקבל אדווה כזו בזרם צריכה כזה. מסקנה: שימוש בתדירים גבוהים, דהיינו זמני מיתוג מהירים מאפשר שימוש בקבלים קטנים יחסית עבור אותה איכות סינון. יתרון נוסך של מערכות אלו הוא שלא חייבים להשתמש בשנאי לרשת, אלא ליישר ולסנן ישירות את מתח הרשת ולהכניס מתח זה כמבוא לספק הממותג. אם רוצים בכל זאת בידוד בין המוצא לרשת (או מתח המבוא), אז קיימים מייצבים ממותגים עם בידוד בין המבוא למוצא. לסיכום נרשום יתרונות וחסרונות של מייצב Buck : יתרונות 1. נצילות גבוהה. חסרונות 1. אין בידוד בין המבוא למוצא. 2. קשה לבצע הגבלת זרם מוצא. 2. פשטות. 3. אין צורך בשנאי. 4. אפשרי לעבוד בתדירים גבוהים. 5. קל לבצע ייצוב של חוג המשוב. 3. ניתן לקבל רק מוצא יחיד. 4. יש צורך לבקר על המספק כשהוא צף". 5. בעל אדווה גדולה יחסית. 6. זרם כניסה לא רציף. 44
טופולוגיה (step-up) Boost זהו מייצב ממותג הנותן מתח מוצא גדול ממתח הכניסה.(step-up) בטופולוגיה זו זרם הכניסה רציף ואלו ביציאה אינו רציף וזה ההפך מהטופולוגיה הקודמת-. Buck נשרטט תחילה את צורות הזרם באלמנטים השונים. כאשר המתג סגור על הסליל מופיע מתח הכניסה V in ולכן השיפוע יהיה יהיה: V o - V D V- in ולכן בהזנחת מתח הדיודה השיפוע בזמן זה יהיה: במצב היציב נקבל:. כאשר המתג נפתח מפל המתח על הסליל V in Vin. Vin t Vin מתח הדיודה) (בהזנחת on t off 45
on off V t + t in toff 1 1 Vin t in on + toff V toff 1 + toff + toff 1 1 Vin 1 D Vin 1 D. D < 1 גם במקרה זה על מנת לשמור על רציפות הזרם מכאן רואים שמתח המוצא דגול ממתח הכניסה: > Vin בסליל מחשבים את min מצורות הזרם הבאות: Vin toff min 2 2Io toff 1 Io 2 Vin t off min Vin t 2 off Io 2min ולכן נקבל: טופולוגיה Converter) Buck-Boost (Negative נשרטט את צורת הזרם באלמנטים השונים במצב היציב: כאשר המתג סגור הדיודה חסומה ועל הסליל מופיע t off מתח הכניסה V in בזמן המתג פתוח והדיודה מוליכה ואז המתח המופיע על הסליל הוא V. o V+ D בזמן,t on כאשר המתג סגור, הסליל נטען ומכיוון שהדיודה חסומה הרי שהקבל מזין את העומס. בזמן t, off כאשר המתג פתוח, האנרגיה שבסליל עוברת לקבל ומזין באותו עת את העומס. בהזנחת מפל המתח על הדיודה נקבל: Vin t on t off D D Vin toff ( 1 DT ) s ( 1 D) בדומה לטופולוגיה Boost ניתן לחשב את הסליל המינימלי שיבטיח רציפות בזרם הסליל: 46
1 IoT s toff 2 1 Io toff toff toff 2 min min min 2Io t 2 off 47
בחירת הקבל C בממירים Boost "Buck-Boost, הקבל מהווה מאגר אנרגיה זמני. ניתן לומר שבקירוב רב זורם זרם ישר ) o I) דרך העומס ושינוי המתח על פני הקבל יראה כך: i c i D - I o חישוב שטח ייתן את Q של הקבל: Q Io Io Io Q C Vc V C D c C I D C o Vc 48