وبلاگ

مبدل های چند سطحی اولین بار در سال 1975 معرفی شدند. با توجه به افزایش تقاضا برای مبدل های با توان بالا، ولتاژ بالا و همچنین با در نظر گرفتن اینکه کلیدهای نیمه هادی نمی توانند در ولتاژها و توان های با رنج های بالا کار کنند تمایل به استفاده از مبدل های چند سطحی افزایش یافته است. گسترش استفاده از انرژی های نو و تجدیدپذیر مانند پیل های سوختی، سلول های خورشیدی و غیره… که عموماً دارای سطح ولتاژ dc با مقدار پایینی هستند استفاده از مبدل های چند سطحی را به عنوان یک تکنولوژی جدید برای تبدیل این انرژی ها به شکل موج با دامنه دلخواه بیشتر افزایش داده است. در حال حاضر توجه به مبدل های چند سطحی بیشتر و بیشتر شده است و این نوع مبدل ها پتانسیل خوبی برای توسعه و گسترش دارند.
یک مبدل چند سطحی به عنوان یک مبدل الکترونیک قدرت وسیله ای است که می تواند یک شکل موج پله ای دلخواه ولتاژ / جریان ac را با استفاده از چندین منبع ولتاژ / جریان dc به عنوان ورودی تولید نماید. براساس این تعریف مبدل های چند سطحی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:
– مبدل چند سطحی از نوع ولتاژ که در آن با استفاده از چندین منبع ولتاژ dc، ولتاژ ac مورد نظر تولید می شود.

– مبدل چند سطحی از نوع جریان که در آن با استفاده از چندین منبع جریان dc، جریان مورد نظر ac تولید می شود.

مهمترین نوع مبدل چند سطحی که بیشتر در مقالات تشریح می شود مبدل منبع ولتاژ است، اما در بعضی از کاربردها مانند فیلترهای اکتیو موازی، جبران کننده VAr و غیره نیاز به مبدل چند سطحی از نوع منبع جریان است.
2- مبدل چند سطحی از نوع ولتاژ
در این نوع مبدل ها ولتاژ خروجی مطلوب با استفاده از چندین منبع ولتاژ dc با اندازه های کوچک به عنوان ورودی ایجاد می شود. با افزایش تعداد منابع ولتاژ dc در سمت ورودی، می توان در خروجی مبدل، ولتاژ با شکل موج نزدیک به سینوسی تولید کرد. شکل (1) ساختار پایه یک مبدل چند سطحی از نوع منبع ولتاژ را نشان می دهد. این مدار از 4 کلید قدرت و یک منبع ولتاژ dc تشکیل شده است. در این مبدل هر کلید از یک IGBT و یک دیود با اتصال موازی – معکوس تشکیل شده است. در صورتی که بار مبدل، اهمی خالص باشد نیازی به دیودها نخواهد بود. این مبدل قادر است سه سطح ولتاژ (Vdc،- 0، +Vdc) در ترمینال های خروجی خود ایجاد کند. در صورتی که کلیدهای S1 و S4 روشن باشند ولتاژ خروجی مبدل Vdc+ و اگر کلیدهای S2 و S3 روشن باشند ولتاژ خروجی Vdc- خواهد شد. جهت ایجاد ولتاژ صفر در خروجی مبدل باید کلیدهای S1 و S2 و یا S3 و S4 به طور همزمان روشن شوند. توجه شود که اگر کلیدهای واقع در یک بازوی پل، به طور همزمان روشن شوند منجر به اتصال کوتاه شدن منبع ولتاژ dc ورودی خواهد شد. شکل(2) یک نمونه از ولتاژ خروجی این مبدل را نشان می دهد. مطابق شکل(2) در این مبدل هر عنصر کلیدزنی در هر سیکل از ولتاژ خروجی فقط یک بار سوئیچ می شود در نتیجه تلفات کلیدزنی به طور قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت. این روش کلیدزنی تحت عنوان کلیدزنی فرکانس پایه معروف است.
3- مبدل چند سطحی از نوع جریان
در این نوع از مبدل ها، از منبع جریان به جای منبع ولتاژ در ورودی های مبدل استفاده می شود. توجه شود که معمولاً برای ساخت منبع جریان dc از سلف های بزرگ استفاده می شود در صورتی که در منابع ولتاژ از خازن های بزرگ استفاده می کنند. شکل(3) یک نمونه از مبدل های چند سطحی از نوع منبع جریان را نشان می دهد. مبدل نشان داده شده در شکل (3) قادر است سه سطح جریان (Idc+، 0، -Idc) را در خروجی خود تولید کند. نحوه عملکرد این مبدل مشابه مبدل نشان داده شده در شکل (1) است. با توجه به محدودیت هایی که در اندازه منابع dc جریان در عمل وجود دارد از این نوع مبدل ها، در عمل کمتر و یا استفاده نمی شود. بنابراین در این تحقیق، تمرکز بر روی مبدل های چند سطحی از نوع ولتاژ خواهد بود.

:
هدف از انجام این پروژه دستیابی به تقویت کننده ای با حاصل ضرب گین در پهنای باند بزرگتر با بهینه سازی روش های موجود و حتی الامکان تلاش برای یافتن راهکارهای جدید بوده و از مهمترین مسائل مورد توجه همواری و خطی بودن اندازه و فاز بهره در سراسر پهنای باند است.

در فصل اول این گزارش ی بر تقویت کننده های پهن باند با تأکید بیشتر بر تقویت کننده های گسترده موج متحرک ارائه شده و سپس رویه کلاسیک طراحی یک تقویت کننده گسترده موج متحرک که پایه و اساس تمام کارهای بعدی در این زمینه می باشد، به تفصیل بیان شده است. فصل دوم شامل سایر روش های طراحی و متدهای مهم بهینه سازی تقویت کننده های گسترده موج متحرک می باشد. یکی از مهمترین نیازهای یک تقویت کننده گسترده زیرساخت ادوات نیمه هادی (ترانزیستور)، زیرلایه مورد استفاده برای مدار، خطوط انتقال و در نهایت نحوه پیاده سازی و ساخت مدار است. بدین معنی که اولاً باید بتوانند در سراسر پهنای باندی که تقویت کننده گسترده در آن کار می کند (چند ده گیگا هرتز) عملکرد مطلوبی ارائه دهند یعنی حداقل ممکن حساسیت را به تغییرات فرکانس داشته باشند. خطوط انتقال به کار رفته (مایکرواستریپ، CPW و غیره) نیز باید حداقل پراش، تلفات و تفاوت فاز را به مدار تحمیل نمایند. زیر لایه ای که مدار روی آن پیاده سازی می شود نباید در فرکانس های بالا از خود اثرات تخریبی از جمله اتلاف و تضعیف سیگنال بروز دهد. در نهایت پیاده سازی مدار باید با حداقل ممکن طول و تعداد اتصالات انجام شود که تکنولوژی فلیپ چیپ و CSP برای این کار پیشنهاد می شود. به دلیل اهمیت و

 تأثیر زیاد این مسائل زیرساختی که از اولین مراحل طراحی گرفته تا شبیه سازی و ساخت یک DA کاملاً نمایان هستند، فصل سوم را به بحث پیرامون این موضوعات اختصاص داده ایم. تا اینجا مطالب لازم برای ایجاد دید روشن از مسئله کاملاً در گزارش درج شده است.

فصل آخر با طراحی مدار اولیه به روش کلاسیک آغاز و در ادامه روش نوینی برای بهینه سازی عملکرد مدار ارائه شده است. روش ساده ای که بدون افزودن حتی یک المان به مدار اولیه در عین بهبود گین از نقطه نظر اندازه و هموار بودن و نیز افزایش پهنای باند، عدد نویز را هم کمتر می کند و این همه فقط به قیمت افزایش بسیار کم تأخیر گروهی رخ می دهد. در ضمن با اضافه کردن فقط یک ترانزیستور دیگر به خروجی مدار به شکل تقویت کننده درین – مشترک و ایجاد تطبیق به یک روش خاص (استفاده از سلف هائی هم اندازه آخرین سلف مدار قبلی) اندازه گین باز هم افزایش یافته است. روشی که در نوع خود جدید است.
در نتیجه با استفاده از این سه مورد نوآوری به تقویت کننده ای دست یافته ایم که اندازه بهره آن به طور متوسط 10dB نسبت به مدار کلاسیک بالاتر است و با توجه به اینکه بهره مدار کلاسیک در بالاترین حد خود 7/4273dB می باشد پس اندازه بهره بیش از 130 درصد بهبود یافته. عدد نویز در تقویت کننده کلاسیک از 3/7dB در فرکانس های پایین شروع می شود. سپس در فرکانس 43/4GHz به حداقل مقدارش یعنی 3/1dB می رسد. در حالی که در تقویت کننده جدید عدد نویز از 3/5dB در فرکانس های پایین شروع می شود، در فرکانس 31GHz به حداقل مقدارش یعنی 1/343dB می رسد و تا فرکانس 48/34GHz از مورد کلاسیک کمتر است. یعنی در پهنای باند بیش از 48GHz به طور متوسط بیش از 1dB بهبود عدد نویز (معادل با حدوداً 33 درصد بهینه سازی عدد نویز).
بهره تقویت کننده کلاسیک در فرکانس 1GHz در بالاترین حد خود یعنی 7/4273dB قرار دارد و در فرکانس حدود 32/5GHz به 4/42dB می رسد. یعنی پهنای باند 3dB تقویت کننده کلاسیک برابر 32/5 گیگا هرتز است. ولی گین تقویت کننده جدید در 1GHz برابر 8dB است و در 58/7GHz به 5dB می رسد. پس پهنای باند از 32 به 58 گیگاهرتز رسیده است. یعنی بهبودی معادل 81/2 درصد در پهنای باند.
نکته جالب توجه دیگر این است که روش جدید، در عین اینکه عملکرد تقویت کننده را در سراسر پهنای باند فرکانسی از پایین ترین تا بالاترین بسامد بهبود می بخشد، در فرکانس های میانی (با بیش از 30GHz پهنای باند میانی از 17GHz تا 48GHz) پاسخی نزدیک به یک حالت ایده آل از خود بروز می دهد. با قرار دادن یک فیلتر میان گذر در این محدوده فرکانسی تقویت کننده گسترده میان گذری با گین بالا و هموار و عدد نویز پایین حاصل شد.
پس از آن برای دستیابی به پاسخ پایین گذر هموارتر، بخش های آخر فصل چهارم به روش های غیرکلاسیک طراحی DA می پردازد. در این قسمت با استفاده از دو متد مختلف، تقویت کننده های گسترده ای با پاسخ پایین گذر طراحی شده اند و بعد با بهینه سازی پاسخی بسیار هموار در محدوده فرکانس پایین به دست آمده است. نکته ارزشمند در طراحی این تقویت کننده ها اعمال عملکرد فیلتر پایین گذر به ساختار خود DA و کوچک سازی مدار است.
در نهایت پس از نتیجه گیری، پیشنهادی مبنی بر اجرای یک پروژه با همکاری گروهی متخصصان تقویت کننده های گسترده از یک سو و ادوات نیمه هادی از سوی دیگر با هدف طراحی و ساخت DAهای پیشرفته در ایران ارائه شده است. پیشنهاد دوم طراحی و بهینه سازی فیلتر میان گذری است که بین 17 تا 48 گیگاهرتز دارای پاسخ ایده آلی با حداکثر درجه همواری گین و حداقل تلفات باشد.

کنترل کننده های PID ابزاری استاندارد برای اتوماسیون صنعتی هستند. انعطاف پذیری این کنترل کننده، امکان استفاده از این نوع کنترل را در بسیاری از حالات فراهم می آورد. این کنترل کننده ها در کنترل Cascade و سایر صورت های کنترل قابل استفاده هستند. بسیاری از مسائل کنترل ساده را در صورتی که ملزومات عملکرد خیلی بالا نباشد، می توان با کنترل PID به خوبی حل کرد. الگوریتم PID  به صورت رگولاتورهای استاندارد برای کنترل فرآیندها، مجتمع شده است. یک صورت این الگوریتم به شکل زیر است:
که در آن u متغیر کنترل و e خطای تعریف شد ه به صورت e=ysp-y است که در آن ysp مقدار مرجع و y خروجی فرآیند می باشد. سیگنال کنترل جمع سه ترم می باشد. ترم P (که ضریبی از خطا است)، ترم I (که ضریبی از انتگرال خطاست)، و ترم D که (ضریبی از مشتق خطا می باشد). پارامترهای کنترل کننده بهره تناسبی K، زمان انتگرال Ti و زمان مشتق TD می باشند. وظیفه اصلی عمل انتگرال این است که اطمینان حاصل کنیم که خروجی فرایند در حالت دائم مقدار مرجع را دنبال می کند. هدف از عمل مشتق نیز افزایش پایداری سیستم حلقه بسته می باشد.

با وجود اینکه تئوری های پیشرفته ای در علم کنترل به وجود آمده است ولی کنترل کننده PID هنوز در اکثر فرآیندهای کنترلی به کار می

 رود. دلیل این امر سادگی این کنترل کننده، آشنایی افراد با آن، سهولت دسترسی به آن و کارایی در مجموع خوب این کنترل کننده می باشد. البته این کنترل کننده در بعضی کاربردها کارایی کاملا خوبی ارائه نمی کند ولی در بسیاری از کاربردهای معمول، کارایی بسیار مناسبی دارد. به هرحال هرچند کارایی کنترل کننده PID در کاربردهای صنعتی کاملاً ایده آل نیست، در حال حاضر این کنترل کننده یکی از پر کاربردترین کنترل کننده ها در فرآیندهای صنعتی می باشد.

با توجه به تعریف سیستم کنترل، طراحی سیستم های کنترل را در حالت کلی می توان به شش بخش تقسیم نمود:
1- تعریف و فرمول بندی اهداف کنترل، در حوزه زمان و یا فرکانس.
2- انتخاب مدل سیستم و نوع آن (خطی، غیرخطی و…)
3- انتخاب ساختار کنترل
4- طراحی کنترل کننده شامل انتخاب روش طراحی (PID، LOG و…)
5- شبیه سازی و آزمایش به منظور ارزیابی سیستم حلقه بسته
6- اجرای عمل کنترل کننده ها، حسگرها و محرک ها در سیستم واقعی
کنترل در سیستم های چند متغیره به دو بخش کنترل متمرکز که به وسیله یک کنترل کننده چند ورودی – چند خروجی صورت می گیرد و دیگری کنترل غیرمتمرکز که توسط چند کنترل کننده یک ورودی – یک خروجی انجام می گیرد، تقسیم می شود.