تحقیق مقاله مدارات تغذیه

رگولاتورهای ولتاژ و مدارات تغذیه

تقریباً‌تمام مدارات الکترونیکی ، از مدارات ساده ترانزیستوری و آپ امپ تا سیستم های حساس میکروپرواسسوری و دیجیتالی به یک یا چند ولتاژ dc پایدار نیاز دارند منابع تغذیه رگوله نشده با ترانس – پل – خازن بعلت اینکه ولتاژهای خروجی آنها با جریان بار وولتاژ خط تغییر می کنند و نیز بدلیل اینکه آنها ریپل های 100Hz مهمی دارند . معمولاً کفایت نمی کنند . خوشبختانه ساخت منابع تغذیه پایدار که از فیدبک منفی برای رگوله شده بصورت جامع استفاده می شوند و می توانند با چیپ های رگولاتور ولتاژ مدار مجتمع که تنها به یک منبع ورودی dc رگوله نشده (‌از یک ترکیب ترانس – پل – خازن ؛ یک باطری ، یا چند منبع دیگر dc ورودی ) و چند المان دیگر نیاز دارند باسانی ساخته می شوند .

 در این فصل چگونگی ساخت رگولاتورهای ولتاژ را با استفاده از مدارات مجتمع بخصوص خواهید دید همین روشهای مداری می تواند برای ساختن رگولاتورهای با المان های مجزا به کار رود (‌ترانزیستور ها ، مقاومت ها ، غیره ) اما بعلت موجود بودن چیپ های رگولاتور ارزان با کارائی زیاد ، استفاده از المانهای مجزا در طرح های جدید مزیتی ندارد . رگولاتورهای ولتاژ ما را به حوزه تلف قدرت زیاد وارد می کنند . بنابراین در مورد سینک گرمایی ور وش هایی نظیر «‌محدود کردن Fold back  »‌برای محدود کردن عملکرد درجه حرارت های ترانزیستور و جلوگیری از صدمه به مدار صحبت خواهیم کرد این روش ها می توانند برای تمام ترتیبات مدارات قدرت شامل تقویت کننده های قدرت نیز استفاده شوند . با دانشی که در اینجا نسبت به رگولاتورها بدست خواهیم آورد قادر خواهیم بود به عقب برگشته و طراحی تغذیه رگوله نشده را به تفصیل بحث نماییم  در این فصل به مراجع ولتاژ و آی سی های مرجع ولتاژ که خارج از طرح منبع تغذیه نیز استفاده می شوند نظری خواهیم انداخت .

1-2- مشخصه ها و خصوصیات منابع تغذیه :

 بطور کلی میتوان منبع تغذیه ها را از 6 نقطه نظر مختلف طبقه بندی کرد :

طبقه بندی از نظر میزان صاف بودن ولتاژ تغذیه

منبع تغذیه صاف نشده ، در این حالت  مقداری سیگنال AC برروی ولتاژ تغذیه سوار می شود ، که ولتاژ ریپل نام دارد ( در یکسوسازی تمام موج فرکانس آن دو برابر فرکانس سیگنال AC می باشد )

 منبع تغذیه صاف شده ، در این نوع تغذیه مدارهای اضافی برای کاهش دامنه ریپل در نظر گرفته شده است .

طبقه بند از نظر تثبیت ولتاژ:

منبع تغذیه تثبیت نشده ( ناپایدار ): در این حالت ولتاژDC صاف شده است . اما مدارهای اضافی برای غلبه بر تأثیرات ناشی از تغییرات بار مصرفی و یا ولتاژ ورودی در نظر گرفته نشده است .

 منبع تغذیه تثبیت شده ( پایدار ) : د راین نوع منبع تغذیه ها علاوه بر این که ولتاژDC صاف شده است ، مدارهای اضافی برای غلبه بر تأثیرات ناشی از بار مصرفی ، یا ولتاژ ورودی وجود ندارد .

طبقه بندی از نظر میزان محافظت :

منبع تغذیه محافظت نشده : در این حالت منبع تغذیه در مقابل جریان مصرفی بیش از حد ، یا اتصال  کوتاه محافظت نشده است .

 منبع تغذیه  محافظت شده : این نوع منبع تغذیه ها در مقابل افزایش بیش از حد جریان مصرفی ، و یا اتصال کوتاه محافظت شده اند .

 محافظت در مقابل افزایش بیش از حد ولتاژ تغذیه : در این حالت بار مصرفی در مقابل افزایش ولتاژ، تغذیه ناشی از تثبیت کننده ولتاژ ، محافظت شده است .

طبقه بندی از نظر چگونگی عملکرد :

منبع تغذیه سوئیچینگ این نوع منبع تغذیه ها با استفاده از روش سویئیچینگ کار می کنند ( معمولاً با فرکانسی بالاتراز 50 کیلوهرتز )

5)‌طبقه بندی از نظر پیاده سازی مدار :

 مدار گسسته : در مدارهای تثبیت کننده این نوع منبع تغذیه ها از مدارهای گسسته (‌مثلاً ترانزیستور) استفاده شده است .

مدار مجتمع :‌در تثبیت کننده این منبع تغذیه ها از مدارهای مجتمع استفاده شده است .

 مدار ترکیبی : در طبقه تثبیت کننده این نوع منبع تغذیه ها هم از مدار گسسته ، و هم از مدار مجتمع (‌آی سی ) استفاده شده است .

طبقه بندی از نظر ولتاژ یا جریان خروجی :

الف) جریان بالا  ب) جریان پایین  ج) ولتاژ بالا  د) ولتاژ پایین

 با توجه به اینکه ما با تعدادی از آشکارترین مشخصه های  منبع تغذیه ها مانند ولتاژ ورودی ، ولتاژ خروجی ، حداکثر جریان بار مصرفی و مانند آن آشنا می باشیم و. در اینجا مشخصه های دیگری ذکر می شود که ممکن است چندان برایمان اشنا نباشند :

 الف ) بازده : در حالت ایده آل باید تمام توان دریافتی از منبع AC به صورت توان قابل مصرف در خروجی منبع تغذیه مصرف می شود ،بنابراین بازده منبع تغذیه را می توان به صورت زیر تعریف کرد :

 100×(‌توان ورودی AC / توان خروجی dc) = بازده

ب )‌ریپل :‌ریپل سوار شده برروی ولتاژ DC خروجی منبع تغذیه بر حسب واحدهای مختلفی مانند r.m.s پیک به پیک ولتاژ و یا به صورت ضریب ریپل بیان می شود :

= ضریب ریپل

 که Vr معادل r.m.s  ولتاژ ریپل و Vo ولتاژDC خروجی است .

ج) حذف ریپل : بینانگر قابلیت تثبیت کننده یا مدار صافی در کاهش سیگنال AC سوار شده می باشد میزان حذف ریپل معمولاً بر حسب دسی بل بیان می شود .

 = حذف ریپل

که Vri و Vro معادل r.m.s ( یا پیک به پیک ) ولتاژ ریپل در وردی و خروجی فیلتر صاف کننده ولتاژ یا مدارتثبیت کننده می باشد .

 = تثبیت کنندگی نسبت به بار مصرفی

 که Vof معادل و لتاژ خروجی DC در حالتی است که بار مصرفی به مدار اعمال شده باشد Von نیز معادل ولتاژ خروجی DC بدون بار مصرفی می باشد .

ه) تثبیت کنندگی نسبت به خط AC: این مشخصه معادل نسبت تغییرات ولتاژDC خروجی بر واحد به تغییرات AC ورودی بر واحد می باشد و به صورت زیر تعریف می شود :

 تثبیت کنندگی نسبت به خط AC

که Voh, Vih به ترتیب بیانگر و لتاژهای AC ورودی و DC خروجی در حالتی می باشند که ولتاژ AC ورودی در حداکثر مقدار خود قرار دارد .Vo,Vi نیز به ترتیب بیانگر ولتاژهای AC ورودی و DC خروجی در حالتی می باشند ، که ولتاژ AC ورودی در حداقل مقدار خود قرار دارد .

و ) امپدانس خروجی : که معادل تغییرات ولتاژ خروجی نسبت به تغییرات جریان خروجی می باشد تغییرات جریان خروجی در اثر تغییر در توان بار مصرفی ایجاد می شود بنابراین رابطه امپدانس خروجی تقویت کننده به صورت زیر خواهد بود .

 = امپدانس خروجی

که Von , Vof به ترتیب ولتاژ خروجی در حالتهای حداکثر بار مصرفی و بدون بار مصرفی می باشند و Iof نیز جریان خروجی در صورت اعمال حداکثر بار مصرفی می باشد .

 قبل از تشریح نمونه های متداول منبع تغذیه باید چند نکته در مورد رعایت ایمنی را متذکر شویم . نه تنها منبع تغذیه منطقه ای برای ولتاژهای خطرناک می باشد ، که می توانند شوک الکتریکی مهلکی ایجاد کنند ، بلکه باید در مورد مقادیر قابل تحمل قطعه های مورد استفاده در آ‌ن نیز دقت زیادی به عمل آید .

مثلاً‌اعمال ولتاژDC  بالاتر از حد معمول به خازن الکترولیتی ، در بدترین حالت ممکن است به داغ شدن و ترکیدن آن منجر می شود چاره کار آسان است ، معمولاً ولتاژ کار خازن باید نسبت به حداکثر ولتاژ قابل تحمل آن فاصله زیادی داشته باشد هیچ گاه به خازنی که به صورت مداوم در ولتاژی معادل حداکثر ولتاژ قابل تحمل ( و یا نزدیک به آن )‌کار می کند اطمینان نکنید . البته می توان حالتهای غیر معمول ، اما محتملی مانند افزایش موقتی ولتاژ اصلی ، امواج نوک تیز گذرا و اتصال کوتاه خروجی ناشی از خرابی بار مصرفی را نادیده گرفت .

2-2- قطعه هایی که در ورودی ولتاژ اصلی قرار می گیرند :

 در ورودی دستگاهی که با ولتاژ اصلی کار می کند  باید قطعه هایی مانند کلید فیوز قرار بگیرند شاید لازم به توضیح نباشد که کلید مورد استفاده باید برای کار با ولتاژ AC طراحی شده باشد به علاوه بهتر است که کلید مزبور از نوع دوپل تک مسیری باشد ( DPST) کلید مزبور می تواند از نوع اهرمی شاسی فشر دو حالته ، الاکلنگی و یا چرخان باشد کلید چرخان ممکن است به صورت مکانیکی همراه با قطعه های دیگری مانند پتانسیومتر یا کلیدی دیگر عمل کند . در مورادی که جریان عبوری زیاد باشد ، کلیدهای الاکلنگی ترجیح داده می شوند نمونه هایی از این نوع کلید‌ها همراه با چراغ نشان دهنده داخلی نیز وجود دارند که ازهمتای مینیاتوری خود بزرگتر می باشند .

 به جای استفاده از یک فیوز بهتر است در مسیر هر دو خط سیگنال AC  از فیوز استفاده شود اگر چه یک فیوز هم می تواند محافظت کافی در مقابل خرابیهای نظیر سوختن قطعات ایجاد کند ، اما این مطلب در مورد تمام حالتهای ممکن صادق نیست ( مثلاً‌در صورت بروز اتصال بیم سیم پیچ اولیه و مغزی فلزی و یا پوشش فلزی آن که به نقطه زمین متصل شده شاید یک فیوز تنها نتواند موثر واقع شود ) دو فیوز می توانند محافظت بیشتری را فراهم کنند ، و باید ازنوع فیوزهای سریع استاندارد باشند . جریان تحمل آنها نیز باید بین 200-150 درصد جریان اولیه ترانس باشد .

 در منبع تغذیه هایی که جریان زیادی را ارائه می کنند خازنهایی با ظرفیت بالا به کار برده می شوند . ( در حدود 4700 میکروفاراد یا بیشتر ) در این حالت ممکن است جریان هجومی اولیه مشکلاتی را ایجاد کند در چنین مواردی باید از فیوزهای تاخیری استاندارد استفاده کرد اما جریان نامی فیوزها همچنان باید در همان حد باقی بماند .

 مدار شکل (1-3) برای بسیرای از مدارهای که ورودی آنها به ولتاژ AC متصل می شود مناسب است در صورت نیاز به شاخصی به عنوان نشان دهنده وجود ولتاژ اصلی، می توان لامپ نئونی را مانند شکل (2-3) به مدار اضافه کرد . مقاومت محدود کننده جریان R1 برای ولتاژ AC 125-100ولت باید 100 کیلو اهم 5/0 وات باشد . در مورد ولتاژ AC 250-200 ولت بایدمقاومت مزبور 270 کیلو اهمی 5/0 وات باشد نمونه هایی از لامپ نئون نشان دهنده ولتاژ اصلی نیز وجود دارد که به مقاومت محدود کننده جریان نیز مجهز می باشند در صورت استفاده از چنین لامپهایی  مقاومت محدود کننده جریان خارجی نیز مورد نیاز نخواهد بود . فقط کافی است آن را مستقیماً ولتاژAC متصل کند

(شکل در فایل اصلی موجود است)

در بعضی موارد استفاده از دیود نورانی برای نشان دادن ولتاژ اصلی ترجیح داده می‌شود (مثلاً‌برای تطابق با سایر شاخصهای نوری موجود برروی قاب دستگاه ) در این حالت میتوان از آرایش نشان داده شده در شکل (2-2) استفاده کرد . اما باید مطمئن بود که ولتاژ قابل تحمل خازن برای کار با ولتاژ اصلی مناسب باشد . برای کار با ولتاژ اصلی 125-100 ولت ریال C1 باید خازنی 220 نانوفارادی باشد که بتواند 125 ولت AC را تحمل کند در مورد ولتاژ اصلی 250-200 ولت باید از خازنی 100 نانوفارادی استفاده کرد ، که بتواند 250 ولت AC را تحمل کند .

 در بعضی از موارد شاخصی برای نشان دادن سوختن فیوز نیز مفید واقع می‌شود شکلهای (4-2) و (5-2) نمونه هایی از این مدارها را نشان می دهد که به ترتیب با لامپ نئون و دیود نورانی کار می کنند مقادیر C1, R1 در این مدارها مشابه مقادیری است که درمورد شکلهای (2-2)و( 3-2) ذکر شد .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

ترانسفورمرهای جدید دو سیم پیچ دارند ، که برای کار با ولتاژ 110 ولت و 220 ولت مناسب می باشند ( شکل 6-2) نمونه ای از ترانسورمر با دو سیم پیچ ورودی را نشان میدهد که در آن ولتاژ ورودی با استفاده از دو اتصال دهنده LK2,LK1 انتخاب می شود شکل (7-2) همان ارایشی را نشان می دهد که در آن از کلید دو پل دو طرفه ( DPDT) استفاده شده است (‌S1).

در بعضی ازمدارها وجود فیلتر ولتاژ اصلی نیز در مد نظر می باشد فیلترهای مزبور در کاهش نویزها وتداخلهای ناشی از ولتاژ اصلی مفید واقع می شوند . تداخلهای ن اشی از ولتاژ اصیل را معمولاً‌می توان در یک از 3 گروه زیر قرار دارد :

 الف ) نویزهای هم فاز وهم دامنه ناشی از ولتاژ اصلی : این گونه نویزها با دامنه و فاز مشابه برروی خط فاز و نول ظاهر می شوند و خط اتصال زمین به عنوان مسیر برگشت آن عمل می کند

ب) نویزهای تفاضلی ناشی از ولتاژ اصلی : این نویزها برروی فاز حرکت کرده و سیم نول مسیر برگشت آنرا تشکیل می دهد

ج) نوزیهای ناشی از کوپلاژ الکترومغناطیسی و الکترواستاتیکی ولتاژ اصلی .

اگر دستگاه مورد استفاه نسبت به نویزهای ( الف ) و (ب ) حساس باشد ، باید فیلترهای مزبور در مسیر ولتاژ ورودی دستگاه قرار بگیرند . خود فیلتر از نوع پایین گذر بوده و معمولاً از یک یا چند بخش به شکل پی مضاعف تشکیل شده است فیلتر باید در جعبه یا پوششی فلزی قرار گیرد .

 شکل (8-2) مداری را نشان می دهد که سیگنالهای تا حد 30مگاهرتز را حذف می کند شکل( 9-2)نیز مداری مشابه باشد،که سیگنالهای بالاتر از 30 مگاهرتز رانیز حذف می کند در مواردی که نویزهای ایجاد شده شدید باشند ، میتوان این فیلترها را به صورت  متسلسل مورد استفاده قرار داده و پهنای باند نویزهایی که باید حذف شوند را افزایش داد .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

باید به خاطر داشته باشید که مقادیر قطعه های مورد استفاده در فیلتر باید به صورت مناسبی انتخاب شوند . خازنها باید برای کار مداوم با 240 ولت متناوب مناسب بوده و ظرفیت القای سری ناچیزی داشته باشند .

 سیم پیچها نیز باید بتوانند بدون افزایش دمای ناشی از R12 جریان عبوری را تحمل کرده و ظرفیت خازنی موازی آنها اندک باشد .همچنین سیم پیچها نیز نباید در پیک جریان ورودی به اشباع بروند ( در صورت افزایش بیش از حد جریان عبوری این حالت ممکن مفید واقع شود ).

 مانند بیشتر فیلترهای ولتاژ اصلی ، مدارهای ارائه شده در شکلهای (9-2) و(8-2) نیز ممکن است جریان متوسطی را در خط اتصال زمین ایجاد کنند و این جریان نشتی در بعضی از مدارهای حساس ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند ( اتصال خازنی 100 نانوفارادی بین فاز و خط اتصال زمین ، جریانی در حدود 8 میلی آمپر را ایجاد می کند ) شکل( 10-3) مداری با جریان نشتی ناچیز را نشان میدهد (جریانی در حدود 200 میکروآمپر )

با قرار دادن دستگاه مورد استفاده در جعبه یا پوشش های فلزی مناسب ، می توان تداخلهای ناشی از تشعشع ولتاژ اصلی را به حداقل رساند در مواردی که میزان این تداخل شدید باشد ، شاید لازم شود که از کابلهای پوشش دار مخصوص انتقال ولتاژ اصلی استفاده شود در چنین مواردی سیم اتصال زمین به لایه فلزی پوشانده کابل متصل می شود .

 اگر سیم پیچهای ثانویه ترانسفورمری کاملاً‌از یکدیگر مجزا باشند، می توان آنها را به صورت مجزا سری و یا موازی مورد استفاده قرار داد شکل (11-2) پیکربندیهای احتمالی مختلف این قطعه را نشان می دهد 

اتصال موازی ثانویه های ترانسفورمر فقط در حالتی مجاز است که ولتاژ خروجی آنها دقیقاً با یکدیگر مطابقت داشته باشد همواره باید از اتصال موازی ثانویه های ترانسفورمر پرهیز کرد ، مگر این که مشخصه های اعلام شده توسط سازنده آن صریحاً این قابلیت را بر ای آن ذکر کرده باشد تاوان این نوع بی احتیاطی عبور جریان بسیار زیاد از ثانویه است جریان مزبور از عدم تطابق صحیح ولتاژ آنها ناشی می شود . این حالت توان تلفاتی ترانسفورمر را افزایش داده و ضمن کاهش بازدهی ، از میزان تثبیت کنندگی ، آن نیز خواهد کاست .

3-2- انواع یکسو سازی

 شکل (12-2) نمونه ساده ای از یکسوسازی تمام موج با استفاده از پل دیودی را نشان می دهد این طرح در واقع مدار پایه بیشتر منبع تغذیه ها را تشکیل می دهد برای ساخت این یکسوساز می توان از چهار دیود مجزا و یا بسته های چهار پایه پل دیودی استفاده کرد .( در این حالت هر چهار دیود در پوششی از Epoxy قرار گرفته اند

در مدارهای کم مصرف پلهای دیودی که با قالب بندی DIL ارائه شده اند ، بسیار مناسب می باشند دیودهای پایه دار برای جریانهای تا حد 4 آمپر مناسب هستند اما پلهای دیودی به صورت بسته های مکعبی نیز وجود دارند ، که بسته به مورد می توانند جریانی بین 2 تا 35 آمپر را عبور دهند نمونه هایی از پلهای دیودی که برای عبور جریان زیاد مناسب هستند ، ممکن است دربسته های فلزی عایق بندی شده‌ای ارائه شده باشند با این ترتیب می توانند تماس حرارتی خوبی برای خنک کننده برقرار کنند .

 با اینکه ولتاژ خروجی پل یکسوساز تقریباً4/1 برابر rms ولتاژ ثانویه ترانسفورمر است ، اما طراحی مدار همواره باید بر اساس بدترین حالت باشد ، یعنی با اعمال حداکثر بار مصرفی افت ولتاژ خروجی پل یکسوساز نباید از 2 ولت کمتر باشد .

اگر در یکسوسازی دیودهای منفرد استفاده شود ، برای رعایت فاصله ایمنی ، جریان عبوری تمام دیودها در بایاس مستقیم باید به گونه ای باشد که بتوانند جریان مصرفی را به صورت مداوم تحمل کنند در مورد پل دیودی یکپارچه جریان قابل تحمل خروجی آن در بایاس مستقیم ، باید معادل حداکثر جریان خروجی باشد . جریان قابل تحمل خازن مورد استفاده در فیلتر ورودی نیز باید دست کم 20  برابر حداکثر جریان عبوری مداوم باشد . علاوه بر این اگر دمای کار پل دیودی از 50 درجه سانتیگراد بیشتر شود باید آن را طوری انتخاب کرد که در دمای 150 درجه سانتگیراد جریان مستقیم آن به صفر برسد .

دانشجویان باید توجه داشته باشند که ولتاژ کار خازن ذخیره باید در حد مناسبی باشد برای حفظ فاصله ایمنی ، بهتر است ولتاژ قابل تحمل آن دست کم 4/1برابر ولتاژ خروجی باشد ( یعنی دو برابر rms) ولتاژ ثانویه )

 همانطور که در شکل (13-2) ملاحظه می شود وقتی دو ولتاژ خروجی مورد نیاز باشد می توان دو نمونه از این مدار را همراه با ترانسفورمری مورد استفاده قرار داد، که به دوثانویه مشابه مجهز باشد برای دستیابی به ولتاژ تغذیه متقارن میتوان خروجی منفی یکی از دو ولتاژ تغذیه را به خروجی مثبت ولتاژ تغذیه دیگر متصل کرد . در این حالت باید همان طور که در شکل (14-2) نشان داده شده است  محل اتصال را باید به عنوان خط تغذیه صفر ولت مورد استفاده قرار داد .