آموزش منابع تغذیه DC – بخش سوم | منابع تغذیه خطی (قسمت اول)

در قسمت‌های قبلی مباحثی در رابطه با منابع تغذیه مطرح کردیم. در این بخش قصد داریم به معرفی دقیق‌تر برخی از انواع منابع تغذیه خطی و نحوه عملکرد آن‌ها بپردازیم. منابع تغذیه خطی معمولا دارای طراحی ساده‌تری نسبت نوع سوئیچینگ هستند ولی نکاتی را باید هنگام طراحی در نظر گرفت. در نظر داشته باشید؛ نکاتی که در آموزش‌ها گفته می‌شود کلی هستند و ریزه‌کاری‌های بسیار زیادی برای طراحی ایده‌آل یک مدار الکترونیکی وجود دارد که در یک یا حتی چند بخش نمی‌گنجد و نیاز به تجربه و آزمایش کردن دارد.

نکته: طراحی و ساخت مدارات الکترونیکی، یک سری پیش نیاز هایی دارد که بعضی از آن‌ها را از طریق آموزش کلاسی و برخی دیگر را باید خودتان یاد بگیرید.

انواع منابع تغذیه خطی

منابع کاهنده ولتاژ غیر ایزوله

اولین نوع از منابع تغذیه خطی که به بررسی آن خواهیم پرداخت، منابع کاهنده ولتاژ غیر ایزوله می‌باشد؛ این نوع منابع، در جریان بار زیر 300 میلی آمپر و برای مدارات با حساسیت کم کاربرد دارند و معمولا به نام منبع تغذیه بدون ترانس (Transformerless Power Supply) شناخته می‌شوند. این منابع به صورت کلی دارای سه بخش کاهش دهنده ولتاژ، یکسوساز و رگولاتور هستند و معمولا دارای حفاظت‌های مناسبی نبوده و برای مدارات گران قیمت مناسب نمی‌باشند. کوچک و ارزان قیمت بودن، دو مزیت اصلی منابع کاهنده ولتاژ غیر ایزوله است و برای آی سی‌های ارزان قیمت و پرکاربردی مثل LM555 و برخی مدارات جریان پایین قابل استفاده هستند.

توجه کنید که این نوع منابع به دلیل اتصال الکتریکی مستقیم به برق شهر، خطر برق گرفتگی دارند و هنگام کار با آن بهتر است از دستکش مناسب استفاده شود. در صورت نداشتن اطلاعات کافی از نحوه عملکرد قطعات الکترونیکی، از استفاده آن خودداری کنید. رعایت نکردن نکات ایمنی، خطراتی مثل انفجار خازن‌های الکترولیتی، اتصال کوتاه و آتش سوزی را در پی دارد.

سه مدل ترکیب منابع کاهنده ولتاژ غیر ایزوله

1- استفاده از خازن و مقاومت قبل از دیود پل برای محدود کردن ولتاژ ورودی و زنر در خروجی برای رگولاسیون ولتاژ. در مدار زیر اگر  از خازن C1 با ظرفیت بیشتر (موازی کردن خازن‌ها) استفاده گردد، جریان‌دهی خروجی بیشتر می‌شود. ماکزیمم ظرفیت پیشنهادی 4 عدد خازن 2.2 میکرو فاراد بصورت موازی است. توجه کنید که هر چقدر ظرفیت این خان بیشتر شود، جریان دیود D1 بالاتر  و در نتیجه داغ‌تر می‌شود. این موضوع باعث کاهش طول عمر دیود زنر می‌گردد.

روش تست: دمای قطعات بصورت ایده‌آل نباید از 50 درجه بالاتر رود. اگر دست را کمی مرطوب کنید و به بدنه قطعه بزنید و مدتی نگه دارید، نباید در حدی احساس سوزش کنید که نتوانید دست را روی آن نگه دارید. معمولا دمای قطعه اگر از 50 درجه بالاتر رود، دست احساس سوزش می‌کند. روش دقیق‌تر تست، استفاده از ترموکوپل، RTD یا دماسنج‌های مشابه است.

2- استفاده از خازن و مقاومت قبل از دیود پل برای محدود کردن ولتاژ ورودی و رگولاتور خطی مثل LM7805 در خروجی برای رگولاسیون ولتاژ. در این دو منبع از خاصیت امپدانسی خازن در فرکانس 50 هرتز برای کاهش ولتاژ استفاده می‌شود. توجه کنید که در صورت عدم وجود بار در خروجی، ولتاژ 311 ولت پیک را دریافت خواهیم کرد؛ که خطرساز است و می‌تواند باعث انفجار خازن‌ها و قطعات دیگر شود. بنابراین جریان بعد از دیود پل باید بین محدوده مشخصی قرار گیرد تا مدار عملکرد مناسبی داشته باشد. در اینجا جریان مینیمم توسط زنر، رگولاتور خطی و LED تنظیم می‌شود. برای رگولاسیون بهتر باید از رگولاتور خطی به همراه زنر استفاده کرد. در مدار پایین بهتر است LM7805 را به هیت_سینک متصل کنید.

3- استفاده از ماسفت برای محدود کردن ولتاژ ورودی و رگولاتور خطی مثل LM7805 در خروجی برای رگولاسیون ولتاژ. این نوع منبع عملکردی مشابه منبع سوئیچینگ دارد و با رسیدن برق شهر به سطح ولتاژ معینی، ورودی را قطع و با پایین‌تر آمدن از آن سطح، دوباره خروجی را وصل می‌کند و به این طریق ولتاژ را محدود نگه می‎دارد. این منبع، معمولا دارای جریان دهی خروجی بهتری نسبت به دو مدل قبلی است و در صورت استفاده از هیت سینک، خازن های مناسب و… می توان تا 300 میلی آمپر  از آن گرفت.

منابع کاهنده ولتاژ ایزوله

دومین نوع از منابع تغذیه خطی ، منابع کاهنده ولتاژ ایزوله هستند که در آن‌ها با استفاده از ترانس کاهنده در سر ورودی برق شهر و کاهش ولتاژ آن به ولتاژ مورد نظر، برق مورد نیاز طبقات بعدی فراهم می‌آید. علاوه بر آن، این ترانس وظیفه ایزولاسیون الکتریکی از برق شهر را نیز بر عهده دارد. از مزایای کاهش ولتاژ برق شهر توسط ترانس می توان به کاهش تلفات مدار (افزایش راندمان)، جریان دهی خروجی بهتر نسبت به نوع غیر ایزوله، کاهش اثرات نویز های فرکانس بالای موجود در برق شهر، جلوگیری از برق گرفتگی و…. اشاره کرد. عیوب اصلی این نوع منابع تغذیه خطی ، گران‌‌تر و سنگین‌تر بودن نسبت به نوع غیر ایزوله است.

بخش های اصلی این نوع منابع

1. ترانس کاهنده
2. یکسوساز
3. خازن صافی و فیلتر ورودی
4. رگولاتور ولتاژ (مدارات رگولاسیون)
5. خازن و فیلتر خروجی

وظیفه ترانس کاهنده ذکر شد. یکسوساز ها، ولتاژ AC را به DC تبدیل می کنند. خازن و فیلترهای ورودی، برای کاهش نویز و ریپل ولتاژ یکسو شده به کار می‌روند. رگولاتورها وظیفه ایجاد ولتاژ خروجی ثابت با نویز و ریپل خیلی کم را دارند و در این کار از خازن و فیلترها خروجی کمک می‌گیرند. در شکل بالا مدار فیدبک ولتاژ و فیلتر خروجی در داخل رگولاتور است.

منبع افزاینده ولتاژ ایزوله

در این نوع منابع تغذیه خطی ، ولتاژ خروجی تثبیت شده ملاک نیست و کاربرد خاص خود دارند. مانند ترانس و مدار ولتاژ بالای ماکروفرها. در این ترانس‌ها، ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است. ولتاژ ورودی برق شهر بوده و ولتاژ خروجی آن‌ها با دیود و خازن های بخصوصی یکسوسازی و چند برابر می‌گردد. در نتیجه ولتاژ DC با دامنه چند کیلوولت در خروجی ظاهر می‌شود که جریان دهی پایینی دارد.

توجه کنید که این سطح از ولتاژ و جریان دهی برای آسیب زدن و مرگ در اثر برق گرفتگی کافی می‌باشد. جریان خروجی در این مدارات می‌تواند به راحتی تا 400 میلی آمپر بالا رود. فیوز ایمن‌جان (RCCB) و جریان‌نشتی (RCBO) نیز به دلیل وجود ترانس قطع عمل نمی‌کنند و در صورت امتداد جریان، در عرض چند ثانیه موجب مرگ می شود!
نکته: ولتاژ بالاتر از 50 ولت در صورتی که منبع، فرکانسی بین صفر (DC) تا 10 کیلو هرتز و جریان دهی بالاتر از 5 میلی آمپر را داشته باشد، می‌تواند باعث برق‌گرفتگی شود.

در قسمت‌های بعدی به بررسی انواع دیگر منابع تغذیه خطی می‌پردازیم. با نظرات و انتقادهای مفیدتان ما را همراهی کنید.

با رزدینو، همه چیز در مورد الکترونیک را فرا بگیرید. همراه ما باشید…