ریپل منبع تغذیه و ضریب ریپل

ریپل منبع تغذیه و ضریب ریپل

وظیفه اصلی منبع تغذیه تامین انرژی الکتریکی برای محصولات الکترونیکی است، اما منبع تغذیه به ناچار امواج، نویز و غیره را ایجاد می کند که باعث کاهش پایداری و قابلیت اطمینان سیستم الکترونیکی و حتی کل محصول می شود.

ریپل ولتاژ می تواند تا حد زیادی بر مدارهای مختلف منبع تغذیه، مانند مدارهای تبدیل A/D، مدارهای تقویت کننده عملیاتی، مدارهای فیلتر یکسو کننده، و غیره تاثیر بگذارد. کاربردهای معمول خطرات زیر را دارند:

ایجاد هارمونیک های نامطلوب، باعث افزایش ولتاژ یا جریان بیش از حد برای ایجاد حوادث می شود. افزایش تلفات اضافی و کاهش کارایی و استفاده از تجهیزات الکتریکی.

باعث شود تجهیزات به طور غیرعادی کار کنند، پیری را تسریع کنند و عمر را کوتاه کنند. باعث می شود حفاظت رله، دستگاه های خودکار، سیستم های کامپیوتری و سایر تجهیزات به طور غیرعادی کار کنند یا به طور عادی کار نکنند.

می تواند باعث انحراف در ابزارهای اندازه گیری و اندازه گیری شود. تداخل در سیستم های ارتباطی، کاهش کیفیت انتقال سیگنال و حتی آسیب رساندن به تجهیزات ارتباطی.

بنابراین هنگام طراحی محصولات الکترونیکی باید ریپل را به دقت اندازه گیری کرد و ریپل را در محدوده خاصی مهار کرد.

1 منبع تغذیه ریپل و ضریب ریپل
به طور دقیق، منبع تغذیه تنظیم شده شامل چهار بخش است: ترانسفورماتور قدرت، مدار یکسو کننده، مدار فیلتر و مدار تثبیت کننده ولتاژ. از آنجایی که DC-DC می تواند به عنوان منبع تغذیه تنظیم شده نیز در نظر گرفته شود، مدار یکسو کننده، مدار فیلتر و مدار تثبیت کننده ولتاژ به عنوان سه بخش ضروری منبع تغذیه تنظیم شده در نظر گرفته می شوند [1].

مدار یکسو کننده از دستگاه های رسانای یک طرفه برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ضربانی استفاده می کند. جریان مستقیم ضربانی صاف نیست و حاوی مقدار زیادی اجزای جریان متناوب است.

مدار فیلتر از اجزای ذخیره انرژی برای تبدیل توان DC ضربانی به توان DC نسبتاً مسطح استفاده می کند. به دلیل عملکرد متفاوت مدار فیلتر، اگرچه می تواند اکثر اجزای AC را فیلتر کند، اما نمی تواند آن را به طور کامل فیلتر کند.

مدار تثبیت کننده ولتاژ پس از یکسوسازی و فیلتر کردن، از تابع تنظیم مدار برای تثبیت ولتاژ خروجی و کاهش مولفه AC به حداقل ممکن استفاده می کند. این جزء AC که نمی تواند به طور کامل همراه با خروجی ولتاژ پایدار فیلتر شود، ولتاژ موج دار نامیده می شود.

به منظور مشخص کردن عملکرد فیلتر منبع تغذیه تنظیم شده DC، مفهوم ضریب ریپل [2-3] معرفی شده است. ضریب ریپل ψ به عنوان مقدار درصد مقدار موثر ولتاژ موج دار Vr و ولتاژ خروجی DC Vo تعریف می شود، یعنی:

ضریب ریپل یک شاخص مهم برای ارزیابی خروجی پایدار و خالص یک منبع تغذیه DC است. با توجه به فرمول بالا می توان دریافت که برای یافتن ضریب ریپل نیاز به اندازه گیری ولتاژ ریپل است.

2 اندازه گیری ریپل منبع تغذیه
اندازه‌گیری دقیق ریپل منبع تغذیه معمولاً به دو ابزار نیاز دارد، یعنی بار الکترونیکی (بار الکترونیکی) و اسیلوسکوپ ذخیره‌سازی دیجیتال (DSO).

بارهای الکترونیکی تنظیم جریان را تسهیل می کنند و به طور کلی در حالت مقاومت ثابت (CR) تنظیم می شوند. اسیلوسکوپ‌های ذخیره‌سازی دیجیتال می‌توانند مستقیماً کل شکل موج ریپل را بگیرند، ذخیره کنند، تقویت کنند و مقدار ریپل را بخوانند. خواندن اسیلوسکوپ را با فرمول جایگزین کنید تا ضریب ریپل به دست آید.

هنگام اندازه گیری، باید به دو نکته زیر توجه کنید (این دو نکته برای دقت نتایج اندازه گیری اهمیت ویژه ای دارند):

(1) سیم زمین پروب اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال باید از برق جدا شود و به جای آن از پین فنر زمین در مجموعه پروب استفاده شود. می تواند از اتصال حلقه های زمین به نویز EMI جلوگیری کند و نتایج اندازه گیری را نادرست کند.

سیم زمین پروب بیش از حد طولانی است و ناحیه حلقه بیش از حد بزرگ است که یک آنتن گیرنده را تشکیل می دهد و باعث می شود درهم و برهمی فرکانس بالا یا نویز EMI به سیگنال اندازه گیری شده متصل شود.

(2) اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال خود نیاز به تنظیم تنظیمات خود دارد.
اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال باید به خوبی زمین شود تا نویز اضافه شده از انتهای منبع تغذیه را فیلتر کند. از کوپلینگ AC اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال برای مسدود کردن DC استفاده کنید و آزمایش ریپل را بصری و دقیق تر می کند.

آزمایش ریپل عمومی نیاز به محدود کردن فرکانس زیر 20 مگاهرتز دارد، بنابراین اسیلوسکوپ ذخیره‌سازی دیجیتال باید محدوده پهنای باند 20 مگاهرتز را باز کند تا نویز فرکانس بالا را جدا کند.

3 روش برای سرکوب ریپل منبع تغذیه
برای سرکوب موج دار شدن ولتاژ خروجی منبع تغذیه تنظیم شده، چهار روش زیر به طور کلی اتخاذ می شود: روش فیلتر RLC، روش فیلتر حالت معمول، روش فیلتر حلقه مغناطیسی فریت، و ترکیبی از سه روش.

مدار فیلتری که ریپل منبع تغذیه DC-DC را سرکوب می کند از طریق تأیید تجربی نشان داده شده است. در آزمایش تأیید، یک منبع تغذیه 100 وات DC-DC، ورودی 48 ولت، خروجی 5 ولت، مدل SD-100C-5 از Meanwell انتخاب شد.

اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال GDS{0}}B GWINSTEK را با پهنای باند 70 مگاهرتز، نرخ نمونه برداری 1GSa/s و عمق ذخیره سازی 10M در هر کانال انتخاب می کند.

بار الکترونیکی PEL{{0}} از GWINSTEK، با محدوده ولتاژ 1.5V~150V، محدوده جریان 0~35A و توان 175W است.

بر اساس این محاسبه، جریان در مدار 20 آمپر است. شکل 3 نمودار بلوک اتصال تست ریپل منبع تغذیه را نشان می دهد.

برای اینکه اثر سرکوب کردن ریپل منبع تغذیه واضح تر و واضح تر شود، ابتدا مدار فیلتر SD{1}}C-5 را اتصال کوتاه کرده و ریپل ولتاژ خروجی آن را اندازه گیری کنید. از این رو می توان دریافت که ریپل منبع تغذیه تقریباً 85.6mVpp و مقدار مؤثر 48.2mVrms است.