در بخش قبلی به معرفی و بررسی انواع منابع ولتاژ خطی پرداختیم. در این قسمت به منابع جریان ایزوله و غیر ایزوله و منابع آزمایشگاهی که هر کدام یک منبع تغذیه خطی هستند، می‌پردازیم. مدارات منابع جریان خطی گستردگی زیادی دارند و در اینجا به چند مدل ساده‌ی آن می‌پردازیم. منابع تغذیه آزمایشگاهی سه مدل کلی دارند؛ قابل برنامه ریزی (منبع خطی همراه با میکروکنترلر سریع)، سوئیچینگ، دوبل تراکینگ (منبع خطی با مدارات کاملا آنالوگ)، که در اینجا بیشتر به نوع دوبل تراکینگ می‌پردازیم. قابل ذکر است که برای افزایش کارایی منابع تغذیه قابل برنامه ریزی، از ترانس بزرگی با هسته پودر آهن مدل تیروئیدی به جای ترانس‌های معمولی که هسته آهن دارند استفاده می‌شود.
منبع جریان ایزوله و غیر ایزوله
این نوع منابع دارای تنوع بسیار زیادی هستند و به صورت کلی دارای چهار بخش عنصر کنترل کننده جریان، مدار فیدبک و نمونه برداری جریان، مقایسه کننده و رفرنس ولتاژ می‌باشند (هرکدام از این موارد در واقع یک منبع تغذیه خطی هستند که در ادامه به بررسی تک‌تک آن‌ها خواهیم پرداخت). تفاوت اصلی ایزوله و غیرایزوله این نوع منبع جریان، وجود ترانس فرکانس پایین در سر ورودی برق شهر است. در اکثر این نوع منابع فقط از رفرنس ولتاژ و عنصر کنترل کننده استفاده می‌شود و با ایجاد ولتاژ دقیقی دو سر مقاومت جریان ثابتی به وجود می‌آید. مانند مدارات زیر:
این نوع منابع برای توان‌های پایین و دقت‌های بالا کاربرد دارند. بیشترین تلفات برای عنصر کنترل‌کننده در حالتی که مقاومت اهمی بار مینیمم (حداقل) باشد اتفاق می‌افتد؛ دلیل این امر ثابت بودن جریان بار و افزایش افت ولتاژ دو سر این قطعه است. این تلفات توان در صورت افزایش یا امتداد می‌تواند باعث سوختن این عنصر شود؛ پس از هیت-سینک به علاوه خمیر سیلیکون استفاده کنید و در صورت نیاز فن قرار دهید.
منابع جریان دارای محدودیت ولتاژ در خروجی هستند؛ این بدین معناست که با افزایش مقاومت اهمی بار، تا یک حدی می‌توانند جریان خروجی را تنظیم کنند و از آن حد به بعد جریان خروجی شروع به کاهش می‌کند؛ دلیل اصلی این امر محدود بودن ولتاژ ورودی است. پس ماکزیمم ولتاژی که دو سر بار می‌تواند ظاهر شود حدوداً برابر ولتاژ ورودی است.
عنصر کنترل کننده
این قطعه معمولا یک ترانزیستور است که در ناحیه فعال کار می‌کند و با تغییر میزان هدایتش مانند یک مقاومت متغیر کنترل شده عمل خواهد کرد. نوع این ترانزیستور بر حسب نیاز می‌تواند BJT ،MOSFET ،IGBT یا FET باشد. برای این عنصر ترجیحا از هیت-سینک (Heat Sink) مناسب به علاوه خمیر سیلیکون (Thermal Compound) استفاده کنید. یک راه حل مناسب برای خنک نگه‌داشتن هیت-سینک، استفاده از جعبه فلزی و اتصال آن به بدنه جعبه است.
مدار فیدبک و نمونه برداری
این قسمت شامل مقاومت شنت (Shunt Resistor) و مدار تقویت‌کننده ولتاژ (تبدیل کننده) می‌باشد. وظیفه کلی این بلوک اندازه‌گیری جریان و تبدیل آن به ولتاژ مورد نیاز مقایسه‌کننده است. این بخش با اندازه‌گیری ولتاژ دو سر مقاومت شنت، تقویت ولتاژ و بافرگذاری، ولتاژی با دامنه بالاتر و جریان‌دهی بهتر را فراهم می‌کند.
مدار مقایسه کننده
این مدار همین طور که از اسمش معلوم است، با مقایسه و تفاضل دو ولتاژ مدار فیدبک و رفرنس، سیگنال خطایی ایجاد می‌کند که به عنصر کنترل کننده اعمال می‌شود. این سیگنال خطا متناسب با نوع ترانزیستور می‌تواند از نوع ولتاژ (MOSFET) یا جریان (BJT) باشد. در این بخش مدار معمولا از مدارات ترانزیستوری یا آپ-امپی استفاده می‌شود.
رفرنس (مرجع) ولتاژ
در این قسمت ولتاژ دقیق و ثابتی متناسب با سطح ولتاژ مدار فیدبک در نظر گرفته می‌شود. این ولتاژ باید ثبات خوبی داشته باشد تا دقت مدار بهم نخورد. این قسمت مدار می‌تواند یک زنر و مقاومت، مدار آپ-امپی، آی-سی با دقت بالا (Voltage Reference IC) و… باشد.
منبع تغذیه متغیر (آزمایشگاهی)
این نوع منابع تا حدودی شبیه ترکیب دو مدل منبع تغذیه خطی ذکر شده، یعنی منبع جریان ایزوله خطی و منبع ولتاژ کاهنده ایزوله خطی هستند؛ با این تفاوت که دامنه وسیعی از جریان و ولتاژ های خروجی را تحویل می‌دهند و دارای خروجی ثابتی نیستند. برای تست مدارات الکترونیکی حساسی که جریانی زیر 3 آمپر نیاز دارند، توصیه می‌شود از نوع خطی این منابع به جای سوئیچینگ استفاده شود. دلیل این امر هم کیفیت ولتاژ و جریان خروجی بهتر است.
نوع سوئیچینگ برای تست بارهایی با جریان‌کشی‌های بالاتر از 6 آمپر و حساسیت کم، بسیار کاربردی هستند. منابع تغذیه قابل برنامه‌ریزی (Programmable Power Supply) زیر مجموعه منبع تغذیه خطی با ولتاژ و جریان خروجی متغیر می‌باشند؛ که معمولا بهترین کیفیت ولتاژ و جریان را در بین انواع منابع ارائه می‌دهند و قیمت بالاتری نیز دارند.
این نوع منابع برای تست مدارات گران‌قیمت الکترونیکی بسیار کاربردی هستند. یک مدل از این نوع منابع RIGOL DP832 است. برای اکثر مدارات الکترونیکی، منبع تغذيه دوبل تراكينگ استفاده می‌شود. این نوع منابع معمولا دارای سرهای خروجی با ولتاژ ثابت و دو کانال خروجی جدا از هم، با قابلیت تنظیم می‌باشند. نحوه استفاده از این نوع منابع به صورت مختصر در ادامه ذکر می‌شود.
نحوه استفاده از منابع دوبل تراکینگ
حالت ولتاژ ثابت
- منبع را روشن و ابتدا ولتاژ خروجی را با مولتی‌متر اندازه‌گیری و تنظیم می‌کنیم.
- منبع را خاموش کرده و یا در حالت استندبای قرار می‌دهیم.
- مولتی‌متر را به روی حالت جریان (A) می‌بریم.
- ترمینال خروجی منبع را با مولتی‌متر اتصال‌کوتاه می‌کنیم.
- ولوم جریان را بر روی مینیمم قرار داده و منبع را دوباره روشن می‌کنیم.
- آهسته ولوم جریان را باز کرده و با توجه به مولتی‌متر، جریان خروجی را روی حداکثر مجاز مدار تحت تست قرار می‌دهیم. اگر جریان دهی منبع بالاتر از 10 آمپر هست هیچ وقت نباید 10 آمپر یا بیشتر را از مولتی‌متر عبور داد؛ اکثر مولتی‌مترها، جریان 10 آمپر را به مدت 30 ثانیه بیشتر تحمل نمی‌کنند؛ مقاومت شنت آن‌ها در این جریان به شدت داغ می‌شود.
- دوباره منبع را خاموش کرده و مولتی‌متر را جدا می‌کنیم.
- سرهای تغذیه را وصل کرده و منبع را روشن می‌کنیم.
- در صورتی که از مدار یا منبع مطمئن نیستید؛ بعد از مرحله 7، سرهای خروجی منبع را در حالت اتصال کوتاه نگه دارید و بعد از اتصال به مدار و روشن کردن منبع، سرهای خروجی منبع را از حالت اتصال کوتاه خارج کنید. دلیل استفاده از این روش جلوگیری از افزایش ناگهانی ولتاژ خروجی بر اثر ایراد مدار یا منبع است. توجه کنید، اگر از عملکرد صحیح منبع اطمینان ندارید یا مدار حساس و گران قیمت است؛ حتما از مدار رگولاتور جدا به علاوه حفاظت کننده‌های مناسب کنید.
حالت جریان ثابت
- منبع را روشن و ماکزیمم ولتاژ مجاز مدار را با مولتی‌متر تنظیم می‌کنیم.
- منبع را خاموش و مولتی‌متر را به روی سلکتور جریان (A) قرار می‌دهیم.
- ولوم جریان منبع را روی مینیمم قرار داده و خروجی منبع را مولتی‌متر اتصال کوتاه می‌کنیم.
- منبع را روشن و ولوم جریان را به آرامی باز می‌کنیم و با مشاهده مولتی‌متر، بر روی میزان مورد نظر تنظیم می‌کنیم. (نکته مرحله 6، حالت ولتاژ ثابت را مطالعه کنید)
- منبع را دوباره خاموش کرده و مولتی متر را جدا می‌کنیم.
- اول خروجی منبع را به مدار وصل کرده و بعد آن را روشن می‌کنیم.
- در این مرحله چراغ مرتبط به اضافه جریان باید روشن شود.
دو کانال خروجی این نوع منابع به سه صورت قابل استفاده هستند: حالت موازی، سری و جدا از هم.
حالت موازی
در حالت موازی دو ترمینال با هم موازی و جریان‌دهی خروجی دو برابر می‌شود. در این حالت با تغییر یک ولوم ولتاژ، ولتاژ هردو کانال تغییر می‌کند.
حالت سری
در حالت سری سر مثبت و منفی دو کانال که معمولا به یکدیگر نزدیک‌تر هستند به هم متصل می‌شوند و حکم زمین تغذیه دوبل را پیدا می‌کنند. در این حالت ولتاژ و جریان هر دو کانال بصورت مجزا قابل تنظیم است ولی نسبت به زمین از یک طرف ولتاژ مثبت و از طرف دیگر ولتاژ منفی قابل دریافت می‌باشد. تغذیه دوبل برای مدارات آپ-امپی، تقویت کننده‌ها و برخی آی‌سی‌های پرکابرد لازم است.
حالت مجزا
در حالت جدا از هم، کانال‌ها هیچ ارتباط الکتریکی با هم ندارند و از هم ایزوله می‌باشند.
خطر برق گرفتگی
در واقع هر منبع تغذیه خطی غیرایزوله که معرفی می‌کنیم، احتمال برقی گرفتگی دارند. به صورت کلی عواملی مثل رطوبت، فشار اتمسفر، دما، ولتاژ و جریان، میزان عایق کاری، محل تماس با بدن، موقعیت فیزیکی حضور فرد و… را می‌توان از عوامل موثر در برق گرفتگی دانست.
نکات بسیار زیادی برای جلوگیری از برق گرفتگی وجود دارد؛ برای مثال از کار کردن با برقی که ولتاژ بالاتر از 50 ولت دارد، در محیط‌های شرجی و با رطوبت بالا خودداری کنید و در صورت ضرورت از تجهیزات مخصوص این کار استفاده کنید. در هنگام تست و اندازه گیری برق شبکه از دستکش مناسب استفاده کنید و فقط یک دست بصورت همزمان نزدیک محل تست باشد و دست دیگر را می‌توانید در جیب خود قرار دهید.
در حین انجام کار با هر منبع تغذیه خطی ، حتما از میزان سطح ولتاژ اطمینان خاطر داشته باشید و با تمرکز کامل کار کنید. در این بخش و بخش قبلی به برخی از نکات حین کار با برق‌های خطر ساز پرداختیم ولی برای شروع به کار با انواع برق‌های صنعتی، نیاز به مهارت‌هایی دارید که از بحث ما خارج است.
در قسمت‌های بعدی مطالب مرتبط با منابع تغذیه، به بررسی انواع منابع تغذیه سوئیچینگ می‌پردازیم. با نظر و انتقادهای مفیدتان ما را همراهی کنید.
