کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

کلید قدرت لحظه ای جدید در مقایسه با نمونه قبلی آن از حیث یک ایده ساده در طراحی مدار متفاوت است .در این مدار،یک پوش باتِن می‌تواند به عنوان یک سوئیچ مکانیکی عمل کند. خوشبختانه این مقاله توانسته است بازخورد خوبی را بین خوانندگان ایجاد کند لذا در میان نظرات افرادی که مقاله را مطالعه کرده اند این سوالات مطرح است که آیا ممکن است مدار در آرایش زوج تفاضلی قرار بگیرد به گونه ای که هر دو سوئیچ بتوانند یکدیگر را خاموش کنند؟یا اینکه آیا میتوان یک تاخیر زمانی جهت خاموش شدن مدار پس از مدت زمان تعیین شده به مدار اعمال نمود؟ در واقع ایده طراحی این مدار سعی برآن دارد تا به هریک از پیشنهادات و سوالات مطرح شده پاسخ دهد.

کلید قدرت لحظه ای جدید در مقایسه با نمونه قبلی آن از حیث یک ایده ساده در طراحی مدار متفاوت است .در این مدار،یک پوش باتِن می‌تواند به عنوان یک سوئیچ مکانیکی عمل کند. خوشبختانه این مقاله توانسته است بازخورد خوبی را بین خوانندگان ایجاد کند لذا در میان نظرات افرادی که مقاله را مطالعه کرده اند این سوالات مطرح است که آیا ممکن است مدار در آرایش زوج تفاضلی قرار بگیرد به گونه ای که هر دو سوئیچ بتوانند یکدیگر را خاموش کنند؟یا اینکه آیا میتوان یک تاخیر زمانی جهت خاموش شدن مدار پس از مدت زمان تعیین شده به مدار اعمال نمود؟ در واقع ایده طراحی این مدار سعی برآن دارد تا به هریک از پیشنهادات و سوالات مطرح شده پاسخ دهد.

کلید قدرت لحظه ای  جدید و بهبود یافته

زوج تفاضلی، سوئیچ های لحظه ای 

شکل ۱، دو مدار کوپل شده به یکدیگر در آرایش زوج تفاضلی را نشان می دهد که در آن هر کلید توسط پوش باتن مربوطه به صورت لحظه ای روشن یاخاموش می شود و یا اینکه هر زمان یک سوئیچ خاموش شود سوئیچ دیگر روشن می‌گردد. این رفتار کنترلی متقابل یا همان خاموش کردن یکدیگر کلیدها به صورت متقابل باعث می شود که در کاربردهای اتوماتیک از آنها استفاده شود.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۱ . کلیدهای کوپل شده در آرایش زوج تفاضلی مستقل از یکدیگر هستند اما می توانند یکدیگر را خاموش کنند.

هر دو مدار سوئیچ دارای مشخصات یکسان هستند و به صورت آیینه ای مقابل یکدیگر قرار گرفته اند. مقاومت R1aهمانند مقاومت R1 در بیس (R1b) و ترازیستور Q1a دقیقا مشابه با ترازیستور Q1b رفتار می کند. بنابراین، به جز المان های زوج تفاضلی یعنی دیود های D1 و  D2، مقاومت های R6،R7، خازن C2 و ترانزیستور Q3، هرمدارهمانندآنچه که درشکل۱-aنشاندادهشدهاست مشابه با طراحی نمونه پیشین عمل می کند.

آزمون نظام مهندسی برق طراحی

منابع آزمون پایه ۳ نظام مهندسی برق

وجود مقاومت R5و یا عدم وجود آن بستگیبهماهیتبارداردوبرایبارهایزیاد مانندموتورهاممکناستلازمباشد از یکدیودمسدودکنندهبینترمینال مثبت خروجی وباراستفاده شود.

برای درک بیشتر از نحوه‌ی عملکرد مدار زوج تفاضلی،فرض کنیدکه کلیدaدرحال حاضرخاموش باشد و کلید bروشنو ترانزیستورهای Q1aوQ2aخاموش باشند و هر دو ترانزیستورQ1bوQ2bدر حال هدایت باشند و بایاس یکدیگر را از طریق مقاومت های R3bوR4b تامین کنند. اگرکلید لحظه ای Sw1aفشرده شود، ترانزیستورهای Q1aوQ2aروشن می شوند وکلید aلچ می شود. به محض اینکه  ترانزیستور Q2aروشن شود،یک جریان پالسبهبیس ترانزیستور Q3aازطریق دیودهایD1a، خازن C2a و مقاومت R7aارسال می شود و موجب می شود ترانزیستور Q3aبه طورموقت روشن بماند و ولتاژ بیس ترانزیستور Q1bرابه صفر ولت برساند. در این حالت هردو ترانزیستور Q1bوQ2bخاموش می‌شوند وکلید bبه حالت خاموش لچ می شود. در این لحظه کلید aدرحالت روشن لچ می شود و تا هر زمان که پوش باتن ها فشار داده شوند، سوئیچ ها در این حالت باقی می مانند. بنابراین،اگراکنون Sw1bفشاردادهشود، ترانزیستور Q1bوQ2bروشن می شوند وکلید bبه حالت روشن لچ می شود و ترانزیستور Q3bموقتا روشن می شود که باعث خاموش شدن ترانزیستورهایQ1aوQ2aمی گردد.

مدت زمانیکه ترانزیستورQ3روشن می ماند توسط ثابت زمانی مقاومت R7 و خازن C2تعیین میشود و باید اندازه کافی طولانی باشد تا ترانزیستورMOSFET متقابل به طورکامل خاموش شود.لازم به ذکر است، زمانیکه ترانزیستورQ1خاموش میشود،شارژذخیره شده در گیت Q2به طور کامل از طریق مقاومت R1 که با مقاومت R3 سری شده است، تخلیه می گردد.ظرفیت گیت برخی از MOSFETهای جریان بالا در حدود ۱۰ نانوفاراد است بنابراین اگر هر دو مقاومتR1  و R3  را ۱۰ کیلواهم در نظر بگیریم، شارژ گیت در چند میلی ثانیه تخلیه می شود. در اینجا ظرفیت خازن C2 = 100nFو مقاومت R7=10K در نظرگرفته شده است و ترانزیستور Q3 به مدت ۵ میلی ثانیه بیس ترانزیستور Q1 را بایاس می کند تا حامل های اکثریت کانال P ماسفت را خاموش کند.

با به پایان رسیدن جریان پالس مذکور،ولتاژذخیره شده درC2، با ولتاژمنبعVsبدونحضور دیودD1  تقریبا برابر است؛این ولتاژمی تواند ترانزیستور Q1راروشن نگه دارد و ازخاموش شدن سوئیچ جلوگیری کند. نقش دیودD1درمدار این است که بامسدودکردن جریان اجازه میدهدتاسوئیچ به طورمعمول خاموش شود،به نحوی که وقتیQ2خاموش میشود،ولتاژدرC2ازطریق مسیرR6-D2-R7تخلیه میشود.

گرچه کلید aوکلید bهر دو دارای مشخصات یکسان هستند اما لازم نیست که ولتاژ تغذیه آنها صرفا با هم برابر باشد و می توانند هر یک از منابع متفاومت تغذیه کنند و برای رسیدن به یک آرایش زوج تفاضلی همانطور که درشکل ۱ نشان داده شده است تنها لازم است اتصال به زمین هر دو کلید a  وb  برابر باشد. در کاربردهایی که زمین کردن این دو کلید دشوار باشد ترانزیستور های Q3aوQ3bرابااپتو کوپلر می‌توان جایگزین کرد تا هرسوئیچ اتصال به زمین خود را داشته باشد. اپتوکوپلرهای اتصال به زمین برای این موارد مناسب می باشد اما به یاد داشته باشید که بایدبه خوبی کارکنند،امابهیادداشتهباشیدکهLED های اپتوکوپلر در مقایسه با ترازیستور به ولتاژبیشتری جهت درایور شدن نیاز دارند، بنابراین شاید لازم باشد مقدار مقاومت R7 را کاهش داد و تبع آن ولتاژ تغذیهC2  را افزایش داد، تا بتوان به راحتی آنها را درایو نمود.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

 شکل ۲ . استفاده از اپتوکوپلر برای ایزوله کردن کلیدهای زوج تفاضلی.

کلیدهای لحظه ای با خروجی زمان دار

در بعضی کاربردهای خاص ممکن است نیازبه یک کلید لحظه ای باشد تابه طورخودکارپس ازمدت زمان معینی خاموش شود. ساده ترین روش برای دستیابی به چنین حالتی، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، این است که ترانزیستور Q1از آرایش سینگل به آرایش زوج دارلینگتون با استفاده از خازنC2 در بین درین Q2و مقاومت R4، تغییر یابد. همانند قبل، از یک پوش باتن لحظه ای مانندSw1برای کنترل مداراستفاده میشود. هنگامی که کلیدبسته میشود، ترانزیستورQ2روشن میشودومنابع تغذیه، جریان را به بیس دارلینگتون از طریق خازن C2 و مقاومت R4 بایاس می کنند و مدار در حالت روشن لچ می شود.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۳٫ تغییرات کوچک در مدار اولیه کلید باعث تولید خروجی زمان دار می شود.

در چنین حالتی خازنC2  شروع به شارژ شدن می کند ولتاژدرمحلاتصالC2وR4بهمیزانزیادیبه اندازه ی ثابت زمانی خازنC2  و مقاومت R4کاهشمییابد. با افت اینولتاژ،جریان بیس ازطریق مقاومتR4 به دارلینگتون می رود و درنهایت،جریانکلکتور دارلینگتونبرای درایور گیت ترانزیستور Q2 و خاموش کردن ماسفت بسیار تضعیف می گردد. در اینصورت کلید به حالت لچ نشده بازمی گردد و خازن از طریق دیودD1  و بار که موازی با مقاومتR5  قرار گرفته است، دشارژ می شود. توجه داشته باشیدکه کلید رادرهرزمان از سایکل تایم کاری می توان با فشردن پوش باتن به حالت لچ نشدن تغییر وضعیت داد.

گین جریان بالایی که توسط زوج دارلینگتون تامین می شود این امکان را می دهد تااز مقاومت هایبزرگR4 (در حدود چند مگا اهم)برایایجاد مدت زمان طولانی ثابت استفاده شود. در یک مدار تست با خازن ۱ میکروفاراد و مقاومت ۱ مگا اهم زمان و ولتاژ تغذیه ۱۵ ولت، زمان روشن بودن ۹ ثانیه است و با تغییر المان‌ها به خازن ۱۰ میکروفاراد و مقاومت ۱۰ مگا اهم، زمان به ۱۵ دقیقه می رسد که اگر خازن را تا ۱۰۰ میکروفاراد افزایش دهیم، زمان روشن بودن نیز تا بیش از ۲ ساعت می رسد.

گرچه ممکن است این مدار برای برخی کاربردها مناسب نباشد و وجود تعدادی نقاط ضعف، عملکرد آن را محدود کند. گین جریان مدار دارلینگتون که میتواندبطورقابلت وجهی با توجه به نوع دستگاه و دما تغییر کند، نقشمهمیرا درتعیین ثابت زمانی مدار تعیین می کند،درنتیجهاین مدار برای کابردهایی که نیاز به کنترلدقیقزمانکاری وجود دارد، مناسب نیست و بههمینترتیب،تغییردرولتاژتغذیهنیزبررویزمان کاری می تواندتاثیرگذار باشد.

علاوهبراین،جریان کلکتور دارلینگتون بهتدری ج کاهش مییابد و باعث خاموش شدن ماسفت می شود. این پدیده با استفاده از اسیلوگراف قابل مشاهده است (شکل۴). این شکل خروجی مداربا منبع تغذیه ۱۵ ولت و بار۵۰۰ اهم و ماسفت مدل FDS6675Aبامقاومت ۱مگااهم را نشان می دهد. با اندکی دقت متوجه می شوید که۳ میلی ثانیه زمان برای تغییر خروجی از حالت ۱۵ ولت روشن به ۰ ولت خاموش سپری می شود. این پروسه‌ی تدریجی خاموش شدن، برای بارهای سبک مناسب است اما برای ماسفت هایی که جریان های بالا را سوئیچ می کنند مناسب نیست.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۴ . خاموش شدن تدریجی برای بارهای سبک مناسب می باشد.

نسخه بهبودیافته ازمداردرشکل ۵ نشانداده شده است که درآن،دارلینگتونجایگزین مقایسه گر دوگانه درین باز / کلکتور باز (IC1) و مقاومت R5 جایگزین تقسیم مقاومتی R4 و R5 شده است. تقسیم مقاومتی R6 – R7 یک ولتاژ مرجعی را تولید می کند که ضریب ثابتی از ولتاژ منبع تغذیه است و از این رو برای عملکرد هر دو مقایسه گر مفید است.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۵ . مدارجدید، دارای زمانبندی درست، سرعت سوئیچ بالا و ایمنی در برابر تغییرات ولتاژ منبع است.

هنگامی که پوش باتن برای اولین بارفشارداده  میشود،ترانزیستورQ2روشن میشود،با بایاس مستقیم دیودD1  و بار، ولتاژ تغذیه Vcs برای مقایسه گرها را فراهم می کند. در این حالت،اگرR4 / R5 = R6 / R7 باشد ولتاژVxکمی بیشترازVrefخواهد شدکهباعث می شودترانزیستورخروجی مقایسه گرIC1aروشن شود. با روشن شدن این ترانزیستور خروجی آن به تدریج پایین میرود (نزدیکبهصفر ولت)ودرنتیجه گیت Q2ازطریق مقاومتR3بایاس می شود. مداردراین حالت به وضعیت “روشن” لچ می‌شود وخازن C4شروع به شارژ شدن ازطریق مقاومتR8  و ولتاژVc می کند و به صورت نمایی افزایش می‌یابد. درجایی کهVcازVrefفراترمیرود، مقایسه گر IC1b وارد مدار می شود وترانزیستورخروجی آن روشن می شود و ولتاژ VXرابه صفر ولت می رساند. از طرفی در این حالت ترازیستور خروجی مقایسه گر IC1aاکنون خاموش میشودوازآنجاکه ترانزیستورQ2دیگراز گیت درایو نمی شود، ماسفت خاموش می شود و کلید در وضعیت لچ نشده قرار می‌گیرد. اکنون، خازن C4به سرعت از طریق مسیرD2-R6-R7دشارژ می شود. در این صورت کلید در هر زمانی با فشردن پوش باتن از وضعیت لچ خارج می شود.

دیود مسدودکننده D1، یک عملکرددوگانهایجاد می کند. این دیود، مقاومتR2راازشارژذخیره شده در خازن C2در زمانی کهQ2خاموش است، جدا می کند و در نتیجه کلیدبه درستی خاموش میشود. افزون بر این، هنگامی که کلید خاموش میشود،این دیود از دشارژ شدن خازن های C2 (وC4) از طریق بار جلوگیری میکند. همین اتفاق باعث می شود یک زمان کوتاهی برای مقایسه گرها ایجاد شود که حتی در صورت خاموش بودن ترانزیستور Q2، بتوانند روشن بمانند و مدار به طور منظم خاموش شود. تغذیه شدن مقایسه کننده هاازخروجی  یک کلید مکانیکی به جایازتغذیه شدن از منبع ولتاژ، ویژگی مثبت این مدار به شمار می رود و مصرف توان در حالت خاموش، صفر می شود.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۶ . معادلات زمانی و نتایج مدار تست نشان داده شده در شکل ۵٫

شکل ۶ معادلات زمانی مدارآنالوگ راهمراهبانتایجحاصله از مدار تست متشکل از المان های  IC1 = TLC393،R4 = R6 = 10kΩ،R5 = R7 = 22kΩو + Vs = 15V را نشان می دهد. توجه داشته باشیدکهVcsازمعادلات خارج میشود،بنابراینزمان “روشن بودن ” نسبت به تغییرات درمنبع ولتاژ ایمن است.

نتایج اندازه گیری شده وتئوری همگی مناسب به نظر می رسند به جزمواردی که درآنC4 = 100μF است و باعث می شود که زمان روشن بودن در مقایسه با مقدار محاسبه بیشتر شود. وقوع این اتفاق، به دلیل نشت داخلی در خازن الکترولیتی استفاده شده، است. در تست های دیگر این پدیده مشاهده نمی شود، چون از خازن های ۱ میکروفاراد و ۱۰ میکرو فاراد غیر الکترولیتی در آنها استفاده شده است. لذا با به کاربردن المان های مناسب، می توان زمان روشن بودن را تا بیش از یک ساعت ارتقا داد.

با صرف نظر از افت ولتاژ در دیودD1، ولتاژتغذیه مقایسه گر با ولتاژDC  برابر است. مقایسه گرهای  میکرو تغذیه دوگانه TLC393، به دلیل مصرف تغذیه پایین حدود ۱۶ ولت و جریان بایاس ورودی کم (معمولا در حدود ۵PA) انتخاب های ایده آلی به نظر می‌رسند. لازم به ذکر است کهLM393نیز عملکرد مشابه با TLC393 دارد با این تفاوت که ولتاژ تغذیه آن ۳۰ ولت و جریان تغذیه آن از TLC393 بیشتر است و به تبع آن، جریان بایاس ورودی نیز بزرگتر است (در حدود ۲۵ نانو آمپر) که می تواند بر نرخ شارژ شدن خازن C4 تاثیر بگذارد. هنگامانتخابمقدار مقاومت های R4-R7اطمینانحاصلکنیدکهVxوVrefاز محدوده‌ی ولتاژ حداکثری مقایسه گر تجاوز نکنند و معمولا برای TLC393 و LM393، ۱٫۵ ولت کمتر از ولتاژ Vcs باشد.

با کنترل دقیق زمانبندی خروجی،گذار مداراز حالت روشن به حالت خاموش خیلی سریعترازآنچه که مدارس اده شکل ۳نشانداده شده است، اتفاق خواهد افتاد. شکل ۷ خروجی مدارتست با ولتاژ تغذیه ۱۵ ولت،  بار۵۰۰ اهم و ماسفت FDS6675A را نشان می دهد. درمقایسه باپاسخ زمانی کند نشان داده شده در شکل ۴، زمان سوئیچینگ درحدود ۱۰۰ میکروثانیه برای گذار از حالت روشن به خاموش بهبودیافته است.

کلید قدرت لحظه ای جدید و بهبود یافته

شکل ۷ . اصلاحات انجام شده روی مدار سرعت گذار از حالت روشن به خاموش را افزایش می دهد.

انتخاب المان های مدار

هیچ نیازی به استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی ودیود همانند آنچه در مدارهای قبلی استفاده شده بود، وجود ندارد و اغلب ترانزیستورهای NPN دارای گین جریانی بالا و مصرف ولتاژ تغذیه حداکثری هستند.  ترانزیستورهای کانال P، باید در قسمتی از مدار استفاده شود که ماکزیمم ولتاژ درین – سورس از آن درایو می شود تا بتواند کنترل جریان را اعمال کند. بااین حال،توجه داشته باشیدکه انواع خاصی ازماسفت ها داراییک محدوده ولتاژحداکثری گیت – سورس دارند که از ولتاژ درین – سورس کمتر است.به عنوان مثال،برای دستگاهی مانندIRFR9310، دارای حداکثرولتاژدرین – سورس ۴۰۰ ولت است و ولتاژ گیت – سورس با ۲۰+ ولت تا ۲۰- ولت محدود می شود. اگر سیستم شما منبع ولتاژ تغذیه بزرگ تری نیاز داشته باشد، باید یک دیود زنر محافظ بین گیت و سورس ماسفت قراردهید تا ولتاژ گیت را ایمن کنید.

اگرچه درکلیه مدارهااز پوش باتن استفاده می شود،اما این قطعه می تواند با یکرله که یک میدان مغناطیسی برای سوئیچ کردن فراهم می کند و یا اتصالات لحظه ای دیگر جایگزین شود. تنها نکته‌ی قابل توجه این است که اتصالات باید با ریل های تغذیه از منظر الکتریکی متناسب باشند.

درنهایت،لازم به ذکر است که مقایسه گر IC1 در شکل ۵، باید از نوع درین بازیاکلکتور باز باشد وامپدانس بزرگ وگرههای حساس در مدارهای حساس می تواند نویز ایجاد کند و باعث رفتار ناردست مدار شود. بنابرایندر صورت لزوم باید از مدار در برابر EMIوRFIحفاظت به عمل آورد.

منبع: https://www.edn.com/design/power-management/4461567/A-new-and-improved-latching-power-switch-