خلاقانه

آموزش تولید ولتاژ بالای 20 تا 60 کیلوولت با ترانس فلای بک High voltage generation

تولید ولتاژهای بالا همواره یکی از چالش‌های جذاب و مهم در مهندسی برق بوده است. کاربردهای این ولتاژها در زمینه‌های مختلفی از جمله تصویربرداری پزشکی (دستگاه‌های رادیولوژی و رادیوتراپی)، صنایع (لیزرهای پرقدرت، جوشکاری لیزری، پوشش دهی)، تحقیقات علمی (شتاب‌دهنده‌های ذرات) و موارد دیگر بسیار گسترده است. یکی از روش‌های موثر و پرکاربرد برای تولید ولتاژهای بالا در محدوده 20 تا 60 کیلوولت، استفاده از مبدل‌های فلای‌بک (Flyback) است.

مبدل فلای‌بک یک نوع مبدل ذخیره‌سازی انرژی است که از یک ترانسفورماتور برای افزایش ولتاژ استفاده می‌کند. این مبدل از یک سلف (چوک) و یک ترانسفورماتور تشکیل شده است. در حالت ساده، یک مبدل فلای‌بک شامل مراحل زیر است:

1. مرحله اول (مدت زمان روشن بودن ترانزیستور): هنگامی که ترانزیستور روشن است، جریان از منبع تغذیه (Vin) عبور کرده و از طریق چوک، انرژی را در میدان مغناطیسی چوک ذخیره می‌کند. این جریان به طور خطی افزایش می‌یابد.

1. مرحله دوم (مدت زمان خاموش بودن ترانزیستور): هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، جریان چوک به طور ناگهانی قطع می‌شود. این قطع جریان باعث القای یک ولتاژ بالا در سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور می‌شود. این ولتاژ بالا به سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور منتقل می‌شود و ولتاژ خروجی (Vout) با نسبت تبدیل ترانسفورماتور افزایش می‌یابد. انرژی ذخیره‌شده در چوک به خروجی منتقل می‌شود.

نسبت تبدیل ولتاژ در مبدل فلای‌بک توسط نسبت تعداد دور سیم‌پیچ اولیه به سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور تعیین می‌شود. اگر تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از سیم‌پیچ اولیه باشد، ولتاژ خروجی بالاتر از ولتاژ ورودی خواهد بود.

طراحی مبدل فلای‌بک برای تولید ولتاژ بالا:

طراحی یک مبدل فلای‌بک برای تولید ولتاژهای بالا (High voltage generation) نیازمند در نظر گرفتن پارامترهای مختلفی است:

• ولتاژ ورودی (Vin): ولتاژ تغذیه مبدل.
• ولتاژ خروجی (Vout): ولتاژ مورد نظر (20 تا 60 کیلوولت).
• فرکانس سوئیچینگ (fsw): فرکانس کار ترانزیستور. فرکانس بالاتر، اندازه اجزا را کوچکتر می‌کند اما تلفات سوئیچینگ را افزایش می‌دهد.
• قدرت خروجی (Pout): قدرت مورد نیاز در ولتاژ خروجی.
• راندمان (η): نسبت توان خروجی به توان ورودی.
• ترانسفورماتور: انتخاب ترانسفورماتور با هسته مناسب و عایق‌بندی قوی برای تحمل ولتاژهای بالا بسیار مهم است. هسته‌های فریتی و یا پودر آهن مناسب هستند.
• ترانزیستور سوئیچینگ: ترانزیستور باید توانایی تحمل ولتاژ بالا و جریان‌های زیاد را داشته باشد. MOSFET‌ها و IGBTها گزینه‌های مناسبی هستند.
• دیود: دیود باید قابلیت تحمل ولتاژ برگشتی بالا و جریان‌های زیاد را داشته باشد. دیودهای سریع‌العکس (Fast Recovery Diode) یا دیودهای Schottky مناسب هستند.
• خازن خروجی: برای فیلتر کردن نویز ولتاژ خروجی و پایدارسازی ولتاژ مورد نیاز است.
• عایق‌بندی: به دلیل ولتاژ بالای خروجی، عایق‌بندی مناسب برای تمام اجزای مدار ضروری است.

انتخاب اجزا:

انتخاب اجزا، به خصوص ترانزیستور، دیود و ترانسفورماتور، از اهمیت بالایی برخوردار است. این اجزا باید توانایی تحمل ولتاژ و جریان‌های بالا را داشته باشند و دارای عایق‌بندی مناسب برای جلوگیری از جرقه و خرابی باشند. استفاده از سیم‌های با ضریب عایق‌بندی بالا و طراحی مناسب PCB نیز بسیار مهم است.

ملاحظات ایمنی:

کار با ولتاژهای بالا بسیار خطرناک است. به دلیل خطر برق‌گرفتگی و صدمات جدی، هنگام کار با این مدارها، رعایت نکات ایمنی ضروری است. استفاده از لباس‌های محافظ، دستکش‌های عایق و رعایت فاصله ایمنی از مدار، از جمله نکات مهم ایمنی است.

پیاده‌سازی عملی:

پس از طراحی، پیاده‌سازی عملی مدار نیازمند دقت و حوصله است. باید از کیفیت بالای اجزا اطمینان حاصل کرد و اتصالات را با دقت انجام داد.

مبدل‌های فلای‌بک با ولتاژ خروجی بالا، در کاربردهای مختلفی به کار می‌روند:

• دستگاه‌های رادیولوژی و رادیوتراپی: تولید ولتاژ بالا برای شتاب دادن به الکترون‌ها در لوله‌های اشعه ایکس.
• لیزرهای پرقدرت: تغذیه لیزرهای با ولتاژ بالا.
• جوشکاری لیزری: تولید انرژی لیزر برای جوشکاری مواد مختلف.
• پوشش دهی: استفاده از پلاسما برای ایجاد پوشش روی سطوح مختلف.
• شتاب‌دهنده‌های ذرات: شتاب دادن به ذرات باردار در تحقیقات فیزیک هسته‌ای.

در اینجا یک مدار ساده از روش تولید ها ولتاژ با استفاده از ترانس فلای بک که از مانیتور قدیمی جدا کردم, و یک ترانزیستور قدرت MJE13007 و یک مقاومت 220 اهم و یک تغذیه 12 ولت ساخته ام را برایتان گذاشته ام امیدوارم این پروژه تحقیقاتی برای شما مفید باشد اگر به فیلم آموزش و آزمایش این مدار High voltage generation with flyback transformer نیاز داشتید, می توانید از یوتیوب و اینستاگرام "خلاقانه" ما دنبال نمائید.

اینستاگرام خلاقانه

کانال یوتیوب خلاقانه