منابع تغذیه ایزوله

منابع تغذیه ایزوله، توان را از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کنند در حالی‌که هیچ‌گونه اتصال مستقیمی بین‌شان وجود ندارد. تغذیه ایزوله شده، بار و تجهیزات الکترونیکی را در برابر ولتاژهای بالا محافظت می‌کند. همچنین تغذیه ایزوله شده از تشکیل حلقه‌های زمین جلوگیری می‌کند. این حلقه‌ها منجر به تولید جریان‌های پارازیتی شده و می‌تواند تنظیم ولتاژ خروجی را بر هم زند و همچنین سبب خوردگی گالوانیکی خطوط حامل جریان شود. منابع تغذیه ایزوله به طور عمده در صنایع، لوازم‌خانگی و کاربردهای مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا هم باید از بارهای حساس محافظت کنند و هم قابلیت اطمینان خود را در دراز مدت حفظ کنند. همچنین منابع تغذیه ایزوله نسبت به منابع تغذیه غیر ایزوله پیچیده‌تر هستند؛ زیرا باید در همان فضای کوچک راندمان بالایی را تامین کنند.

چرا منابع تغذیه ایزوله؟
ممکن است هدف‌های مختلفی برای ایزوله کردن وجود داشته باشد. از جمله مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

امنیت
منابع تغذیه الکترونیکی معمولا با ولتاژهای بالا و خطرناک سروکار دارند. ایزولاسیون باعث می‌شود تا از تماس اپراتور با ولتاژهای خطرناک جلوگیری شود. ترانسی که در منابع تغذیه استفاده می‌شود، به عنوان ترانس ایزوله‌کننده عمل می‌کند.

تغییر سطح ولتاژ
اغلب طراحی منابع تغذیه به گونه‌ای است که باید ولتاژهای مختلفی را برای بارها فراهم کند. معمولا برای تغییر سطح ولتاژ به ایزولاسیون نیاز است. گاهی نیاز است در داخل خود منبع تغذیه، دستگاه‌های تغییر سطح ولتاژ به کار روند تا انرژی یا سیگنال را در دو یا چند سطح ولتاژ مختلف به مدار بدهند.

مبدل step-up با استفاده از توپولوژی buck
مبدل buck نسبت تبدیل خطی دارند که تابعی از دیوتی سایکل است. این ویژگی بسیار مطلوب است. با این حال، مبدل buck فقط یک مبدل step-down است. برای بدست آوردن نسبت تبدیل بزرگتر از “1” بدون استفاده از ترانسفورماتور،می‌توان از توپولوژی‌هایی همچون boost، buck-boost، none-inverting buck-boost، Cuk، SEPIC و … استفاده کرد. اما این توپولوژی‌ها همگی دارای نسبت تبدیل غیر خطی هستند. برای بدست آوردن نسبت تبدیل بزرگتر از “1” و تابعی خطی، ترانسفروماتور ایزوله‌شده از مبدل buck می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. این نوع مبدل می‌تواند برای تولید مبدل‌هایی با مشخصات buck-boost مورد استفاده قرار گیرد.

توپولوژی‌های دیگر نیز با نسبت تبدیل‌های غیر خطی می‌توانند با استفاده از ایزولاسیون ترانسفورمری، به مبدل‌های افزاینده و کاهنده کمک کنند. مثال متداولی از این نوع، توپولوژی فلای بک (fly-back) است.

ساخت مبدل‌های چند خروجی
ایزولاسیون ترانسفورمری این امکان را فراهم می‌کند تا با اضافه کردن سیم‌پیچ به ترانسفورماتور و افزودن یکسو کننده و فیلتر به آن، مبدلی چند خروجی ساخته شود. آشناترین مثال از این نوع مبدل‌ها، منبع تغذیه رایانه‌های شخصی است که خروجی‌های ۱۲+، ۵+ و۳/۳+ را فراهم می‌کند.

جلوگیری از ایجاد حلقه‌های زمین
ایزولاسیون بین مدارها از ایجاد حلقه‌های زمین جلوگیری می‌کند. حلقه‌های زمین وقتی رخ می‌دهد که دو مدار یا بیشتر، مسیر برگشت مشترکی دارند. وقتی حلقه‌های زمین اتفاق می‌افتند، این احتمال می رود تا ولتاژ‌های تولید شده به‌خاطر جریان‌های یک مدار، بر قسمت دیگر مدار تاثیر بگذارد. برای درک بهتر این موضوع مدار زیر را در نظر بگیرید:

در صورت طراحی مناسب، مقدار RG بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است. اما اگر امپدانس مسیر سیگنال بالا باشد، RG غیر قابل چشم پوشی خواهد بود و ولتاژ VOUT تابعی از V۱ خواهد بود:

V_OUT = V_۲ – V_G = V_۲ – ( V_۱ * R_G / ( R_۱ + R_G ))

فراهم کردن ایزولاسیون گالوانیک
ایزولاسیون الکتریکی ذاتا، ایزولاسیون گالوانیکی را فراهم می‌کند. زیرا خوردگی گالوانیکی به هدایت بارهای الکتریکی وابسته است.

روش‌های ایزولاسیون منابع تغذیه
حداقل سه روش برای ایزولاسیون منابع تغذیه وجود دارد:

جدا سازی فیزیکی
واضح‌ترین نوع ایزولاسیون منابع تغذیه، جداسازی فیزیکی بین سطوح هدایت‌کننده است. این نوع ایزولاسیون وقتی استفاده می‌شود که هیچ نوع تعامل الکتریکی، مغناطیسی یا حرارتی مطلوبی وجود ندارد. معمولا با استفاده از دی‌الکتریک‌های مختلف، این جداسازی انجام می‌شود.

ترانسفورمرها
ترانسفورمرها باعث ایجاد ایزولاسیون می‌شوند اما اجازه انتقال توان از سیم‌پیچ اولیه به ثانویه می‌شوند. معمولا از ایزولاسیون ترانسفورمری برای ایزولاسیون امن، تبدیل سطوح مختلف ولتاژی، افزاینده‌ها و کاهنده‌ها و همچنین برای تامین چندین ولتاژ در خروجی، استفاده می‌شود.

اتصال دهنده‌های نوری
اپتوکوپلرها برای انتقال سیگنال‌ها در ولتاژهای مختلف بدون افزودن پرازیت مورد استفاده قرار می‌گیرند. حداقل دو نوع اپتوکوپلر داریم:

پارازیت‌های منابع تغذیه ایزوله
ایزولاسیون همیشه مطلوب نیست. اینکه فکر کنیم اگر هادی‌ها با یکدیگر تماسی نداشته باشند از یکدیگر ایزوله هستند، فرض درستی نیست. پارامترهای پارازیتی زیر مسئول عملکرد ناخواسته ایزولاسیون هستند:

مقره‌های نامناسب
تمامی مقره‌ها کمی هدایت‌پذیری دارند که منجر به نشت جریان می‌شود.

تخلیه سطحی
تخلیه سطحی به خاطر آلودگی سطح مقره‌ها به وجود می‌آید. این نوع پارازیت به خاطر ولتاژهای خیلی بالا اتفاق می‌افتد. هر چه اختلاف پتانسیل بین هادی‌ها بیشتر باشد، جریان تخلیه بزرگ‌تر است. اگر آلودگی سطح مقره یا ولتاژ بین دو سر آن به قدری بزرگ باشد، یک قوس الکتریکی اتفاق خواهد افتاد و سبب ایجاد یک دنباله کربنی خواهد شد که باعث می‌شود مقره خاصیت خود را از دست بدهد.

شکست دی الکتریک
شکست دی‌الکتریک وقتی اتفاق می‌افتد که شدت میدان الکتریکی بین دی‌الکتریک به قدری بزرگ شود که سبب شود الکترون‌ها از حالت منظم‌شان در اطراف اتم‌ها خارج شوند. اگر دی الکتریک تعویض نشود، قابلیت اطمینان قطعه در معرض خطر قرار می‌گیرد. اگر شکست دی الکتریک در سطح مقره بین دو هادی اتفاق بیافتد، مسیری کربنی تشکیل خواهد داد که سبب تخلیه سطحی در آن محل خواهد شد.

ظرفیت خازنی سرگردان
تمامی مواد استفاده شده در ایزولاتورها، دارای یک ظرفیت خازنی هستند که تابعی از سطح و فاصله بین سطح موثر هادی‌ها و ضریب ثابت دی‌الکتریک مواد سازنده عایق است. هرچه‌قدر فرکانس بیشتر از DC شود، جریانی از این خازن موثر خواهد گذشت. این اثر باعث می‌شود که دو مدار از لحاظ DC ایزوله باشند اما از لحاظ AC ایزوله نباشند. اگر مدارها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک بوده و فرکانس کاری اجزا به حد کافی بالا باشد، یک مدار قادر به ایجاد اختلال در مدار دیگر است. این پدیده به عنوان تداخل شناخته می‌شود. ظرفیت خازنی سرگردان بین سیم‌پیچ اولیه و ثانویه منبع مشترک جریان‌های ناخواسته است و می‌تواند به رد منبع تغذیه در تست انتشار شود.

اندوکتانس نشتی
ترانسفورمرها همیشه پارازیتی به اسم اندوکتانس نشتی دارند. این پارازیت به خاطر شار خود سیم‌پیچ است و سبب خودالقایی می‌شود. نشت پدیده‌ای ناخواسته است و بهتراست که کاهش یابد. در منابع رزونانسی می‌توان از این مشکل به عنوان یک مزیت استفاده کرد.

القای متقابل
القای متقابل سبب ارتباط ناخواسته بین دو مدار مختلف می‌شود. این پدیده وقتی که جریان‌های مغناطیسی بزرگ با سوئیچینگ‌های سرعت بالا در نزدیکی گره‌های حساس مدارهای دیگر اتفاق می‌افتد، مشکلاتی ایجاد می‌کند.