مدار اسنابر — به زبان ساده

مدار اسنابر با محدود کردن ولتاژ در حالت گذرای خاموش شدن و جریان در حالت گذرای روشن شدن، از قطعات نیمه‌هادی محافظت می‌کند. در واقع، «اسنابر» (Snubber) مداری است که دامنه ولتاژ سوئیچینگ و نرخ افزایش آن ($$dv/dt$$) را اسناب (Snub) یا محدود می‌کند. بنابراین، می‌توان گفت که اسنابر توان اتلافی را در شبکه‌های الکترونیک قدرت سوئیچینگ کاهش می‌دهد.

مزایای استفاده از اسنابر در مدار عبارتند از:

• کاهش دامنه ولتاژ و جریان
• محدود کردن نرخ افزایش ولتاژ و جریان
• کاهش توان اتلافی در شبکه‌های سوئیچینگ
• کاهش EMI با میرا کردن نوسان‌های ولتاژ و جریان

مدار اسنابر چیست؟

قطعات نیمه‌هادی ممکن است به دلیل گرم شدن، اضافه ولتاژ، اضافه جریان یا هر تغییر محسوس دیگر در قطعات و مدار سوئیچینگ ولتاژ یا جریان از کار بیفتند. این قطعات را می‌توان با قرار دادن فیوزهایی در محل‌های مناسب در برابر اضافه جریان محافظت کرد. هیت‌‌سینک‌ها یا فن‌ها را نیز می‌توان برای دفع دمای اضافه قطعات سوئیچینگ و سایر قطعه‌ها به کار برد. مدارهای اسنابر برای محدود کردن نرخ تغییرات ولتاژ یا جریان ($$di/dt$$ یا $$dv/dt$$) و اضافه ولتاژ در طی روشن یا خاموش شدن مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این مدارها همچنین در دو سر رله‌ها و کلیدها برای جلوگیری از آرک زدن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

مدارهای اسنابر در دو سر قطعات سوئیچنگ مختلف مانند ترانزیستورها، تریستورها، و... قرار می‌گیرند. سوئیچینگ از حالت ON به حالت OFF موجب می‌شود امپدانس قطعه به صورت ناگهانی تغییر زیادی کند. اما این موضوع سبب می‌شود جریان کمی از مدار عبور کند. این امر سبب ایجاد ولتاژ بزرگی در دو سر قطعه می‌شود. اگر جریان سریع‌تر کاهش پیدا کند، ولتاژ بزرگ‌تری در قطعه القا می‌شود و اگر قطعه قادر نباشد در برابر این ولتاژ مقاومت کند، خواهد سوخت. بنابراین، به یک مسیر کمکی نیاز است تا از این ولتاژ بزرگ القایی جلوگیری شود. به طور مشابه، وقتی حالت گذرا از OFF به ON داشته باشیم، به دلیل توزیع غیریکنواخت جریان در ناحیه، گرم شدن کلید رخ می‌دهد و آن را خواهد سوزاند. در اینجا استفاده از اسنابر برای کاهش جریان در لحظه شروع به کار با یک مسیر جایگزین ضروری است.

اسنابرها در مد سوئیچینگ یک یا چند نقش زیر را دارند:

• شکل‌دهی به خط بار یک ترانزیستور سوئیچینگ دوقطبی برای نگه داشتن آن در ناحیه کاری امن
• کاهش ولتاژها و جریان‌های شرایط گذرای روشن و خاموش شدن کلیدها
• حذف انرژی ترانزیستور سوئیچینگ و اتلاف انرژی در یک مقاومت برای کاهش دمای پیوند
• محدود کردن نرخ تغییرات ولتاژ و جریان در شرایط حالت گذرا
• کاهش نوسان (Ringing) برای محدود کردن ولتاژ پیک روی یک ترانزیستور سوئیچنگ و کاهش فرکانس آن

انواع مدارهای اسنابر

مدارهای اسنابر را به طور کلی می‌توان در دو دسته اتلافی و غیراتلافی دسته‌بندی کرد.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

اسنابر اتلافی

مدار اسنابر اتلافی مداری است که توان را جذب و مصرف می‌کند. از نظر کارایی سیستم، استفاده از این نوع اسنابر جنبه منفی دارد، به ویژه در مدار منبع تغذیه که در آن، داشتن راندمان بالا بسیار مهم است. با این حال، طراحی این نوع اسنابر پیچیدگی کمتری دارد و ساده‌تر است. اسنابر اتلافی از مقاومت و بعضاً از دیود به عنوان عناصر اتلافی بهره می‌گیرد.

اسنابر غیراتلافی

مدار اسنابر غیراتلافی توانی مصرف نمی‌کند. اغلب اوقات، طراحی این نوع مدار پیچیده بوده و همچنین گران است. اسنابر غیراتلافی معمولاً در مواردی که بازده بسیار بالا مورد نظر باشد،‌ ترجیح داده می‌شود. در این اسنابرها از سلف و خازن استفاده می‌شود.

مدار اسنابر در الکترونیک قدرت

شکل زیر یک شبکه سوئیچینگ توان ساده را با یک سوئیچ نیمه‌هادی قدرت و بار مقاومتی نشان می‌دهد.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

وقتی نیمه‌هادی قدرت قطع یا وصل شود، ولتاژ و جریان آن زیاد است و در نتیجه اتلاف توان زیاد خواهد بود و انرژی بسیاری را مصرف خواهد کرد.

شکل موج ایده‌آل ولتاژ، جریان و توان سوئیچ تحت شرایط کلیدزنی یا سوئیچینگ، در شکل زیر نشان داده شده است.

وقتی سوئیچ برای ایجاد وقفه در تأمین جریان بار باز می‌شود، ولتاژ و جریان آن تغییراتی خطی خواهند داشت. توان تلف شده پیک نیز برابر با یک‌چهارم حاصل‌ضرب حداکثر ولتاژ و حداکثر جریان است که در مدارهای سوئیچینگ ولتاژ بالا بسیار زیاد محسوب می‌شود. اگر بار سلفی باشد، آنگاه توان تلف شده به طور قابل ملاحظه‌ای زیاد خواهد بود، زیرا امپدانس منجر به طولانی شدن جریان می‌شود.

این تلفات خاموش شدن را می‌توان با اتصال خازن اسنابر به دو سر کلید نیمه‌هادی مطابق شکل زیر به حداقل رساند.

وقتی سوئیچ باز می‌شود، جریان به خازن اسنابر منتقل می‌شود که در ابتدا بدون بار بوده است. تغییر جریان تغییر ولتاژ سوئیچ را کند می‌کند و در نتیجه، جریان به مقداری کمتر از وقتی می‌رسد که ولتاژ سوئیچ به مقدار قابل توجهی افزایش یافته است. این افزایش آهسته ولتاژ سوئیچ باعث کاهش قابل توجه اتلاف انرژی سوئیچینگ خواهد شد. با این پیکربندی اسنابرها و سوئیچ‌ها، می‌توان به سوئیچینگ با فرکانس بالا و در عین حال تلفات کم دست یافت.

با بسته شدن کلید در ابتدای زاویه هدایت، خازن اسنابر در کلید بسته تخلیه می‌شود. جریان دشارژ یا تخلیه معمولاً با قرار دادن یک مقاومت کوچک سری با خازن اسنابر محدود می‌شود. در نتیجه، یک مدار اسنابر RC با ثابت زمانی $$\tau = RC $$ خواهیم داشت.

اسنابرهای رایج در کاربردهای عملی

علی‌رغم وجود انواع اسنابرها، طراحی مدار اسنابر معمولاً براساس دو پیکربندی رایج انجام می‌شود. در ادامه، این دو مدار را معرفی می‌کنیم.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت ۲ در فرادرس

کلیک کنید

اسنابر RC

شکل زیر یک اسنابر RC را نشان می‌دهد.

اسنابر RC، همان‌گونه که از نامش پیداست، از مقاومت و خازن تشکیل شده است. اسنابرهای RC رایج‌ترین اسنابرهایی هستند که در مدارهای شامل ماسفت به کار می‌روند. برخی از مدارهایی که در آن‌ها از اسنابر RC استفاده می‌شود، مبدل‌های بوست، باک و یکسوساز سنکرون DC/DC هستند.

شکل زیر، مدار اسنابر را در یک مبدل بوست نشان می‌دهد.

مدار اسنابر یک مبدل باک در شکل زیر نشان داده شده است.

در یکسوساز سنکرون DC/DC شکل زیر نیز از مدار اسنابر RC استفاده شده است.

اسنابر RCD

این مدار را برخی کلمپ RCD و اغلب اسنابر RCD می‌نامند. دلیل این امر آن است که این اسنابر ضربات ولتاژ‌ را کلمپ می‌کند، در حالی که ضربات یا فرکانس نوسانات را اصلاح نمی‌کند. اسنابر RCD از مقاومت، خازن و دیود تشکیل شده است.

از مدارهایی که در آن‌ها از اسنابر RCD استفاده می‌شود، می‌توان به مبدل فلای‌بک اشاره کرد. 

شکل زیر نیز اسنابر RCD را در یک مبدل فوروارد نشان می‌دهد.

چند اسنابر تجاری را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

اسنابر RC چگونه کار می‌کند؟

اسنابر RC کاربرد گسترده‌ای در مبدل‌های سوئیچینگ برای محدود کردن ضربه ولتاژ روی قطعه سوئیچینگ به یک سطح ایمن دارد. این کار تنها با کلمپ کردن ساده ضربه ولتاژ به تنهایی نیست، بلکه فرکانس ضربه یا رفتار نوسانی را برای جلوگیری از موضوعات آتی اصلاح می‌کند.

اسنابر RC فرکانس نوسان را اصلاح کرده و همچنین سطح ضربه ولتاژ را کم می‌کند. خازن به عنوان یک ذخیره‌کننده شارژ‌ عمل کرده و مقاومت مسیر تخلیه را فراهم می‌کند. برای مثال، در مدار شکل زیر، $$R_1$$ و $$ C _1$$ اسنابر RC از ماسفت $$Q_1$$ در مقابل ضربه ولتاژ در پایه درین محافظت می‌کنند. وقتی ماسفت خاموش می‌شود، خازن اسنابر از طریق مقاومت $$R_1$$ شارژ می‌شود. هنگامی که ماسفت روشن شود، خازن از طریق $$R_1$$ به ماسفت دشارژ خواهد شد و به مدار زمین تخلیه می‌شود. این چرخه با خالی شدن خازن تکرار خواهد شد. مقاومت نیز مقداری توان تلف می‌کند. در یک دوره سوئیچینگ، دو دفعه وجود دارد که در آن، جریان از مقاومت عبور می‌کند. شکل زیر مسیر جریان شارژ و دشارژ (تخلیه) را نشان می‌دهد.

اسنابر RC قابلیت اصلاح فرکانس نوسان لرزشی را دارد و این موضوع در حل مسائل مربوط به EMI سودمند است.

انواع مدار اسنابر RC

اسنابرها انواع مختلفی دارند، مانند اسنابر RC، اسنابر دیودی و اسنابر حالت جامد. اما رایج‌ترین نوع اسنابر، اسنابر RC است. این نوع اسنابر هم برای کنترل بالازدگی و هم میرایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این مدار شامل یک خازن سری با مقاومت است که مجموعه آن‌ها به دو سر کلید وصل می‌شوند. مقدار انرژی تلف شده در مقاومت اسنابر برابر با مقدار انرژی ذخیره شده خازن است. یک اسنابر RC به دو سر سوئیچ وصل شده و می‌توان از آن برای کاهش ولتاژ‌ پیک استفاده کرد. یک اسنابر RC می‌تواند با پلاریته یا بدون آن باشد.

برای یک مدار اسنابر RC با پلاریته مستقیم، یک تریستور یا یک ترانزیستور با یک دیود موازی معکوس متصل می‌شود. مقاومت $$R$$ اندازه $$dv / dt $$ مستقیم را محدود کرده و $$R_1$$ جریان تخلیه خازن را وقتی که ترانزیستور $$Q_1$$ روشن می‌شود محدود می‌کند. این اسنابرها به عنوان اسنابرهای اضافه ولتاژ برای برش ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدار اسنابر با پلاریته معکوس برای محدود کردن $$ d v / d t $$ معکوس به کار می‌رود. مقاومت $$R_1$$ جریان تخلیه خازن را محدود خواهد کرد.

یک مدار اسنابر بدون پلاریته وقتی استفاده می‌شود که یک جفت قطعه سوئیچینگ به صورت موازی معکوس مورد استفاده قرار گیرند. شکل زیر، این مدار را نشان می‌دهد.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت
• آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش الکترونیک قدرت 2
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• منبع تغذیه سوئیچینگ — به زبان ساده
• اینورتر منبع امپدانس (Z-source Inverter) — از صفر تا صد