یک ضرب المثل قدیمی وجود دارد که می گوید: "شما می توانید به یک مرد ماهی بدهید و او یک روز بخورد یا می توانید ماهیگیری را به یک مرد یاد دهید و او برای همیشه می خورد." مقالات زیادی وجود دارد که طرح خاصی را برای ساخت منبع تغذیه به خواننده ارائه می دهد و هیچ ایرادی در این طرح های کتاب آشپزی وجود ندارد. آنها اغلب عملکرد بسیار خوبی دارند. با این حال، آنها به خوانندگان آموزش نمی دهند که چگونه یک منبع تغذیه را خودشان طراحی کنند. این مقاله دو قسمتی از ابتدا شروع می شود و تمام مراحل لازم برای ساخت یک منبع تغذیه آنالوگ اولیه را توضیح می دهد. این طراحی بر روی رگولاتور سه ترمینال در همه جا تمرکز خواهد کرد و شامل تعدادی پیشرفت در طراحی اولیه است.

همیشه مهم است که به یاد داشته باشید منبع تغذیه - چه برای یک محصول خاص و چه به عنوان یک قطعه آزمایشی عمومی - این پتانسیل را دارد که کاربر را برق بزند، آتش‌سوزی کند یا دستگاهی را که به آن انرژی می‌دهد نابود کند. بدیهی است که اینها چیزهای خوبی نیستند. به همین دلیل، رویکرد محافظه کارانه به این طراحی بسیار مهم است. حاشیه زیادی برای قطعات فراهم کنید. منبع تغذیه با طراحی خوب منبع تغذیه ای است که هرگز مورد توجه قرار نمی گیرد.

تبدیل برق ورودی

شکل 1 طراحی اساسی یک منبع تغذیه آنالوگ معمولی را نشان می دهد. از سه جزء اصلی تشکیل شده است: تبدیل توان ورودی و تهویه. تصحیح و فیلتر کردن؛ و مقررات. تبدیل توان ورودی معمولاً یک ترانسفورماتور قدرت است و تنها روشی است که در اینجا در نظر گرفته شده است. با این حال، چند نکته وجود دارد که ذکر آنها ضروری است.

شکل 1. یک منبع تغذیه آنالوگ پایه از سه بخش تشکیل شده است. دو مورد اول در این مقاله و آخرین مورد در قسمت بعدی مورد بحث قرار می گیرند.

اولین مورد این است که 117 VAC (جریان متناوب ولت) واقعاً یک اندازه گیری RMS (ریشه میانگین مربع) است. (توجه داشته باشید که من برق معمولی خانگی را دیده ام که از 110 VAC تا 125 VAC مشخص شده است. من فقط برق خود را اندازه گرفتم و متوجه شدم که دقیقاً 120.0 VAC است.) اندازه گیری RMS یک موج سینوسی بسیار کمتر از ولتاژ اوج واقعی است و نشان دهنده آن است. ولتاژ DC معادل (جریان مستقیم) مورد نیاز برای تامین توان یکسان.

تبدیل RMS با توجه به شکل موج متفاوت است. برای موج سینوسی، مقدار 1.414 است. این بدان معناست که انحراف حول صفر ولت در واقع 169.7 ولت است (برای برق 120 VAC من). برق از 169.7- ولت به +169.7 ولت در هر سیکل می رسد. بنابراین ولتاژ پیک به پیک در واقع 339.4 ولت است!

این ولتاژ به ویژه در هنگام اضافه کردن خازن های بای پس به خطوط اصلی برق برای سرکوب نویز ناشی از ورود یا خروج از منبع تغذیه اهمیت پیدا می کند (یک موقعیت رایج). اگر فکر می کنید ولتاژ واقعی 120 ولت است، می توانید از خازن های 150 ولتی استفاده کنید. همانطور که می بینید، این درست نیست. حداقل ولتاژ کار ایمن مطلق برای خازن های شما 200 ولت است (250 ولت بهتر است). فراموش نکنید که اگر انتظار دارید در خط نویز/ اسپک مشاهده کنید، باید آن نویز/ولتاژ اسپک را به ولتاژ پیک اضافه کنید.

فرکانس ورودی به طور جهانی 60 هرتز در ایالات متحده است. در اروپا 50 هرتز رایج است. ترانسفورماتورهایی که برای فرکانس 60 هرتز درجه بندی شده اند، عموماً در فرکانس 50 هرتز عملکرد خوبی دارند و بالعکس. علاوه بر این، پایداری فرکانس خط برق معمولاً عالی است و به ندرت مورد توجه قرار می گیرد. گاهی اوقات، ممکن است ترانسفورماتورهای 400 هرتز را پیدا کنید. اینها معمولاً تجهیزات نظامی یا هوانوردی هستند و معمولاً برای استفاده در برق 50/60 هرتز (یا برعکس) مناسب نیستند.

خروجی ترانسفورماتور نیز به عنوان ولتاژ RMS مشخص می شود. علاوه بر این، ولتاژ مشخص شده حداقل ولتاژ مورد انتظار تحت بار کامل است. اغلب حدود 10 درصد افزایش در خروجی نامی با بی باری وجود دارد. (ترانسفورماتور 25.2 ولت/دو آمپر من 28.6 ولت بدون بار را اندازه می گیرد.) این به این معنی است که ولتاژ خروجی واقعی بدون بار/پیک برای ترانسفورماتور 25.2 ولت من 40.4 ولت است! همانطور که می بینید، همیشه مهم است که به یاد داشته باشید که ولتاژهای RMS نامی برای برق AC به طور قابل توجهی کمتر از ولتاژهای اوج واقعی هستند.

شکل 2 یک طراحی معمولی تبدیل توان ورودی و تهویه را ارائه می دهد. من ترجیح می دهم از یک سوئیچ دو قطبی استفاده کنم، اگرچه کاملاً ضروری نیست. در برابر سیم‌کشی نادرست پریزهای برق (که امروزه نادر است) یا سیم‌کشی اشتباه سیم‌های برق در خود منبع تغذیه (بسیار رایج‌تر) محافظت می‌کند. بسیار مهم است که وقتی کلید برق خاموش است، سرب داغ از منبع تغذیه جدا شود.

شکل 2. شرطی سازی ورودی بسیار ابتدایی است، اما باید به خاطر داشت که ولتاژ RMS با ولتاژ اوج یکسان نیست. پیک ولتاژ 120 VAC RMS حدود 170 ولت است.

فیوز (یا قطع کننده مدار) ضروری است. هدف اصلی آن جلوگیری از آتش‌سوزی است، زیرا بدون آن، یک ترانسفورماتور یا مدار اولیه کوتاه اجازه می‌دهد تا جریان‌های عظیمی جریان داشته باشد که باعث می‌شود قطعات فلزی قرمز یا حتی سفید داغ شوند. معمولاً از نوع آهسته دمنده با ولتاژ 250 ولت است. رتبه فعلی باید حدود دو برابر چیزی باشد که ترانسفورماتور می تواند انتظار بکشد.

به عنوان مثال، ترانسفورماتور 25.2 ولتی دو آمپری که در بالا ذکر شد، حدود 0.42 آمپر جریان اولیه (25.2 ولت / 120 ولت در دو آمپر) را می کشد. بنابراین، فیوز یک آمپر منطقی است. فیوز در ثانویه در مقاله بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

خازن های بای پس به فیلتر کردن نویز کمک می کنند و اختیاری هستند. از آنجایی که پیک ولتاژ حدود 170 ولت است، ولتاژ 250 ولت بهتر از ولتاژ حاشیه 200 ولت است. ممکن است بخواهید از «فیلتر ورودی برق» استفاده کنید. انواع مختلفی از این واحدها وجود دارد. برخی شامل یک کانکتور برق استاندارد، سوئیچ، نگهدارنده فیوز و فیلتر در یک بسته کوچک هستند. برخی دیگر ممکن است فقط برخی از این اجزا را داشته باشند. به طور معمول، آنهایی که همه چیز دارند نسبتاً گران هستند، اما واحدهای مازاد معمولاً با قیمت های بسیار مناسب یافت می شوند.

توانایی تعیین اینکه آیا مدار اولیه برق دارد یا نه مهم است، بنابراین از یک چراغ راهنما استفاده می شود. دو مدار معمولی نشان داده شده است. لامپ نئون برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته است. این ساده و ارزان است. اشکالاتی دارد که تا حدودی شکننده است (از شیشه ساخته شده است). اگر مقاومت خیلی بزرگ باشد می تواند سوسو بزند. و در واقع می تواند مقداری نویز الکتریکی ایجاد کند (به دلیل تجزیه یونی ناگهانی گاز نئون).

مدار LED همچنین به یک مقاومت محدود کننده جریان نیاز دارد. در 10,000 hms، حدود 12 میلی آمپر جریان ارائه می شود. اکثر ال ای دی ها دارای حداکثر جریان 20 میلی آمپر هستند، بنابراین 12 میلی آمپر منطقی است. (ال ای دی های با راندمان بالا ممکن است تنها با 1 یا 2 میلی آمپر به طور رضایت بخشی کار کنند، بنابراین می توان مقاومت را در صورت لزوم افزایش داد.)

توجه داشته باشید که LED ها ولتاژ شکست معکوس بسیار ضعیفی دارند (معمولاً 10 تا 20 ولت). به همین دلیل، یک دیود دوم ضروری است. این باید بتواند با حداقل 170 ولت PIV (پیک ولتاژ معکوس) کار کند. استاندارد 1N4003 با 200 PIV رتبه بندی شده است که حاشیه زیادی را ارائه نمی دهد. 1N4004 دارای 400 PIV است و شاید یک پنی بیشتر قیمت دارد. با قرار دادن آن در سری با LED، PIV کلی 400 به علاوه LED PIV است.

اصلاح و فیلترینگ

شکل های 3، 4 و 5 معمولی ترین مدارهای یکسوسازی را با شکل موج خروجی نمایش داده شده در بالا نشان می دهند. (خازن فیلتر نشان داده نمی شود زیرا با افزودن آن، شکل موج به چیزی شبیه ولتاژ DC تغییر می کند.) بررسی این سه مدار اصلی برای شناسایی نقاط قوت و ضعف آنها مفید است.

شکل 3 یکسو کننده نیمه موج پایه را نشان می دهد. تنها ویژگی بازخرید کننده این است که بسیار ساده است و فقط از یک یکسو کننده استفاده می کند. ویژگی بد این است که فقط از نیمی از چرخه برق استفاده می کند که باعث می شود راندمان تئوری مدار کمتر از 50٪ فقط برای راه اندازی باشد. اغلب، منابع تغذیه یکسو کننده نیمه موج تنها 30 درصد کارآمد هستند. از آنجایی که ترانسفورماتورها اقلام گران قیمتی هستند، این ناکارآمدی بسیار پرهزینه است. ثانیاً، فیلتر شکل موج بسیار دشوار است. نیمی از اوقات هیچ برقی از ترانسفورماتور نمی آید. صاف کردن خروجی به مقادیر بسیار بالایی از خازن نیاز دارد. به ندرت برای منبع تغذیه آنالوگ استفاده می شود.

شکل 3. مدار یکسو کننده نیمه موج ساده است اما شکل موج خروجی ضعیفی تولید می کند که فیلتر کردن آن بسیار دشوار است. علاوه بر این، نیمی از توان ترانسفورماتور هدر می رود. (توجه داشته باشید که خازن های فیلتر برای وضوح حذف شده اند زیرا شکل موج را تغییر می دهند.)

هنگامی که یک خازن فیلتر به مدار یکسو کننده نیم موج اضافه می شود یک اتفاق جالب و مهم رخ می دهد. دیفرانسیل ولتاژ بدون بار دو برابر می شود. این به این دلیل است که خازن انرژی را از نیمه اول (قسمت مثبت) سیکل ذخیره می کند. هنگامی که نیمه دوم رخ می دهد، خازن ولتاژ اوج مثبت را نگه می دارد و ولتاژ اوج منفی به ترمینال دیگر اعمال می شود که باعث می شود یک ولتاژ پیک به پیک کامل توسط خازن و از طریق آن، دیود دیده شود. بنابراین، برای یک ترانسفورماتور 25.2 ولتی بالا، پیک ولتاژ واقعی مشاهده شده توسط این قطعات می تواند بیش از 80 ولت باشد!

شکل 4 (مدار بالا) نمونه ای از یک مدار یکسو کننده معمولی تمام موج / شیر مرکزی است. هنگامی که از این استفاده می شود، در بیشتر موارد، احتمالاً نباید باشد. خروجی خوبی ارائه می دهد که به طور کامل اصلاح می شود. این کار فیلتر کردن را نسبتاً آسان می کند. این فقط از دو یکسو کننده استفاده می کند، بنابراین بسیار ارزان است. با این حال، کارآمدتر از مدار نیمه موجی که در بالا ارائه شد نیست.

شکل 4. طرح تمام موج (بالا) خروجی خوبی تولید می کند. با ترسیم مجدد مدار (پایین)، می توان دریافت که در واقع فقط دو یکسو کننده نیمه موج به هم متصل شده اند. باز هم نیمی از توان ترانسفورماتور هدر می رود.

این را می توان با ترسیم مجدد مدار با دو ترانسفورماتور (شکل 4 پایین) مشاهده کرد. وقتی این کار انجام شد، مشخص می شود که تمام موج در واقع فقط دو مدار نیمه موج است که به هم متصل شده اند. نیمی از هر سیکل قدرت ترانسفورماتور استفاده نمی شود. بنابراین، حداکثر بازده نظری 50٪ با بازده واقعی حدود 30٪ است.

PIV مدار نیمی از مدار نیمه موج است زیرا ولتاژ ورودی به دیودها نصف خروجی ترانسفورماتور است. شیر مرکزی نیمی از ولتاژ را به دو سر سیم پیچ ترانسفورماتور می دهد. بنابراین، برای مثال ترانسفورماتور 25.2 ولت، PIV 35.6 ولت به علاوه افزایش بی باری است که حدود 10٪ بیشتر است.

شکل 5 مدار یکسو کننده پل را نشان می دهد که به طور کلی باید اولین انتخاب باشد. خروجی کاملاً اصلاح شده است، بنابراین فیلتر کردن نسبتاً آسان است. مهمتر از همه، با این حال، از هر دو نیمه چرخه قدرت استفاده می کند. این کارآمدترین طراحی است و بیشترین بهره را از ترانسفورماتور گران قیمت می برد. اضافه کردن دو دیود بسیار کمتر از دو برابر کردن توان ترانسفورماتور است (اندازه گیری شده در "ولت آمپر" یا VA).

شکل 5. رویکرد یکسو کننده پل (بالا) استفاده کامل از توان ترانسفورماتور و با یکسوسازی تمام موج را فراهم می کند. علاوه بر این، با تغییر مرجع زمین (پایین)، می توان منبع تغذیه دو ولتاژ را به دست آورد.

تنها اشکال این طرح این است که برق باید از دو دیود با افت ولتاژ 1.4 ولت به جای 0.7 ولت برای طرح های دیگر عبور کند. به طور کلی، این تنها یک نگرانی برای منابع تغذیه ولتاژ پایین است که در آن 0.7 ولت اضافی نشان دهنده کسری قابل توجهی از خروجی است. (در چنین مواردی معمولاً به جای هر یک از مدارهای بالا از منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود.)

از آنجایی که برای هر نیم سیکل از دو دیود استفاده می شود، تنها نیمی از ولتاژ ترانسفورماتور توسط هر یک دیده می شود. این باعث می شود PIV برابر با پیک ولتاژ ورودی یا 1.414 برابر ولتاژ ترانسفورماتور باشد که همان مدار تمام موج بالا است.

ویژگی بسیار خوب یکسو کننده پل این است که می توان مرجع زمین را برای ایجاد ولتاژ خروجی مثبت و منفی تغییر داد. این در پایین شکل 5 نشان داده شده است.

جریان	نیازهای فیلتر	فاکتور PIV	استفاده از ترانسفورماتور
نیمه موج	بزرگ	2.82	50% (تئوری)
تمام موج	کوچک	1.414	50% (تئوری)
پل	کوچک	1.414	100% (تئوری)

جدول 1. خلاصه ای از ویژگی های مدارهای یکسو کننده مختلف.

فیلتر کردن

تقریباً تمام فیلترهای یک منبع تغذیه آنالوگ از یک خازن فیلتر انجام می شود. امکان استفاده از سلف به صورت سری با خروجی وجود دارد، اما در فرکانس 60 هرتز، این سلف ها باید بسیار بزرگ و گران باشند. گاهی اوقات، از آنها برای منابع تغذیه با ولتاژ بالا استفاده می شود که خازن های مناسب گران هستند.

فرمول محاسبه خازن فیلتر (C) بسیار ساده است، اما باید ولتاژ موج دار شدن پیک به پیک قابل قبول (V)، زمان نیم چرخه (T) و جریان کشیده شده (I) را بدانید. فرمول C=I*T/V است که C بر حسب میکروفاراد، I بر حسب میلی آمپر، T بر حسب میلی ثانیه و V بر حسب ولت است. زمان نیم چرخه برای 60 هرتز 8.3 میلی ثانیه است (مرجع: 1997 رادیو آماتور هندبوک).

از فرمول مشخص است که الزامات فیلتر برای منابع تغذیه جریان بالا و/یا ریپل کم افزایش یافته است، اما این فقط عقل سلیم است. یک مثال آسان برای به خاطر سپردن این است که 3,000 میکروفاراد در هر آمپر جریان حدود سه ولت ریپل ایجاد می کند. می‌توانید نسبت‌های مختلفی را از این مثال انجام دهید تا تخمین‌های معقولی از آنچه نیاز دارید نسبتاً سریع ارائه دهید.

یکی از ملاحظات مهم افزایش جریان در هنگام روشن شدن است. خازن های فیلتر تا زمانی که شارژ شوند مانند یک شورت مرده عمل می کنند. هر چه خازن ها بزرگتر باشند، این موج بیشتر خواهد بود. هر چه ترانسفورماتور بزرگتر باشد، نوسان بیشتر خواهد بود. برای اکثر منابع تغذیه آنالوگ ولتاژ پایین (<50 ولت)، مقاومت سیم پیچ ترانسفورماتور تا حدودی کمک می کند. ترانسفورماتور 25.2 ولت / دو آمپر دارای مقاومت ثانویه اندازه گیری شده 0.6 اهم است. این حداکثر هجوم را به 42 آمپر محدود می کند. علاوه بر این، اندوکتانس ترانسفورماتور تا حدودی این را کاهش می دهد. با این حال، هنوز یک موج بالقوه جریان در هنگام روشن شدن وجود دارد.

خبر خوب این است که یکسو کننده‌های سیلیکونی مدرن اغلب قابلیت‌های بزرگی برای جریان افزایش دارند. خانواده استاندارد دیودهای 1N400x معمولاً با جریان 30 آمپری مشخص می‌شوند. در یک مدار پل، دو دیود حامل آن هستند، بنابراین بدترین حالت هر کدام 21 آمپر است که کمتر از مشخصات 30 آمپر است (با فرض اشتراک جریان برابر، که همیشه اینطور نیست). این یک مثال افراطی است. معمولاً به جای 10 از ضریب حدود 21 استفاده می شود.

با این وجود، این موج فعلی چیزی نیست که بتوان نادیده گرفت. صرف چند سنت بیشتر برای استفاده از یک پل سه آمپری به جای پل یک آمپری ممکن است هزینه خوبی باشد.

طراحی عملی

اکنون می‌توانیم از این قوانین و اصول استفاده کنیم و شروع به طراحی یک منبع تغذیه اولیه کنیم. ما از ترانسفورماتور 25.2 ولتی به عنوان هسته طراحی استفاده خواهیم کرد. شکل 6 را می توان به عنوان ترکیبی از شکل های قبلی اما با مقادیر عملی بخش اضافه شده مشاهده کرد. چراغ پیلوت دوم در ثانویه وضعیت آن را نشان می دهد. همچنین نشان می دهد که آیا خازن شارژی دارد یا خیر. با چنین ارزش زیادی، این یک ملاحظات ایمنی مهم است. (توجه داشته باشید که از آنجایی که این یک سیگنال DC است، دیود ولتاژ معکوس 1N4004 مورد نیاز نیست.)

شکل 6. طراحی نهایی منبع تغذیه با مشخصات قطعات عملی. تنظیم قدرت در مقاله بعدی مورد بحث قرار می گیرد.

ممکن است استفاده از دو خازن کوچکتر به صورت موازی ارزانتر از یک خازن بزرگ باشد. ولتاژ کاری خازن باید حداقل 63 ولت باشد. 50 ولت حاشیه برای پیک 40 ولت کافی نیست. یک واحد 50 ولتی تنها 25 درصد حاشیه را فراهم می کند. این ممکن است برای یک برنامه غیر بحرانی خوب باشد، اما اگر خازن در اینجا خراب شود، نتایج می تواند فاجعه بار باشد. یک خازن 63 ولت حدود 60 درصد حاشیه را فراهم می کند در حالی که یک دستگاه 100 ولتی 150 درصد حاشیه را ارائه می دهد. برای منابع تغذیه، یک قانون کلی بین 50 تا 100 درصد حاشیه برای یکسو کننده ها و خازن ها است. (مانند شکل، ریپل باید حدود دو ولت باشد.)

یکسو کننده پل باید بتواند جهش جریان اولیه بالا را تحمل کند، بنابراین صرف یک یا دو سکه اضافی برای قابلیت اطمینان بهبود یافته ارزشمند است. توجه داشته باشید که پل با آنچه که ترانسفورماتور می تواند تامین کند مشخص می شود نه اینکه منبع تغذیه در نهایت برای آن مشخص شده است. این کار در صورتی انجام می شود که خروجی کوتاه باشد. در چنین حالتی جریان کامل ترانسفورماتور از دیودها عبور می کند. به یاد داشته باشید، خرابی منبع تغذیه چیز بدی است. بنابراین، آن را طوری طراحی کنید که قوی باشد.

نتیجه گیری

جزئیات در طراحی یک منبع تغذیه مهم است. توجه به تفاوت بین ولتاژ RMS و ولتاژ پیک در تعیین ولتاژهای کاری مناسب برای منبع حیاتی است. علاوه بر این، جریان موج اولیه چیزی است که نمی توان آن را نادیده گرفت.

در قسمت 2، این پروژه را با افزودن یک تنظیم کننده سه ترمینال تکمیل می کنیم. ما یک منبع تغذیه همه منظوره، با جریان محدود و قابل تنظیم با خاموش کردن از راه دور طراحی خواهیم کرد. علاوه بر این، اصول مورد استفاده برای این طراحی را می توان برای هر طرح منبع تغذیه اعمال کرد.

قبلی:ولتاژ گذرا چیست؟

بعد:فیلتر Spike/Surge Protector و Power-Line چیست؟

ترک یک پیام

فهرست پیام

نظرات در حال بارگذاری ...