منبع تغذیه خطی PSU (معرفی و آموزش ساخت)

منبع تغذیه خطی یک  منبع تغذیه (PSU) است که حاوی هیچ گونه اجزای سوئیچینگ یا دیجیتال نیست. منبع تغذیه خطی برخی ویژگی های برجسته در مقایسه با منبع تغذیه های سوئیچینگ مانند نویز و ریپل بسیار کم، ایمنی از نویز ناشی از شبکه، سادگی، استحکام، سهولت طراحی و تعمیر دارد. آن ها همچنین می توانند ولتاژ بسیار بالا (هزاران ولت) و ولتاژ بسیار کم (کمتر از 1 ولت) تولید کنند. آن ها به راحتی می توانند چندین ولتاژ خروجی تولید کنند. از طرف دیگر، اندازه آن ها بزرگ و سنگین است و گرمای بیشتری نیاز دارند. منابع تغذیه خطی برای چندین دهه قبل از ظهور نیمه هادی ها وجود داشته اند.

مقدار منبع تغذیه های خطی را می توان تعیین کرد، برای مثال ممکن است یک منبع تغذیه 5 ولت برای یک مدار منطقی یا چندین منبع ثابت (5+,12+ یا 12- ولت) برای یک PC نیاز داشته باشید. در یک منبع تغذیه آزمایشگاهی رو میزی، می خواهید از منبع تغذیه متغیر استفاده کنید. علاوه بر یک منبع، می توانید از دو منبع استفاده کنید، مثلاً برای مدار های op-amp از 15± ولت و همچنین برای تجهیزات ردیابی دو واحدی که به یکدیگر قفل شده اند.

چند نمونه از منابع مورد استفاده:

• +5 ولت مدار های منطقی و ریزپردازنده
• 12+ ولت روشنایی LED، لوازم الکترونیکی عمومی
• ±15 ولت مدار های op_amp
• 0-30 ولت منبع تغذیه آزمایشگاهی
• 14.5+ ولت شارژر باتری

در این مقاله، ما به اجزای جداگانه منبع تغذیه نگاه می کنیم، سپس یک منبع کوچک 12 ولت و یک منبع تغذیه قابل تنظیم 1 تا 30 ولت را طراحی می کنیم.

ساخت منبع تغذیه خطی

• بخش ورودی شبکه شامل اتصالات به برق است، معمولاً یک سوئیچ، یک فیوز و یک لامپ آزمایشی است. از زمین مناسب استفاده کنید و تمام قسمت های اصلی را عایق بندی کنید تا از تماس تصادفی محافظت کنید.
• ترانسفورماتور با توجه به ولتاژ خروجی مورد نیاز انتخاب می شود و به طور موثر تمامی مدار های دیگر را از منبع تغذیه اصلی جدا می کند. ممکن است ترانسفورماتور دارای چندین شیر اولیه باشد تا به ولتاژ ورودی شبکه برسد و دارای چندین شیر ثانویه مناسب باشد تا ولتاژ خروجی مورد نیاز را فراهم کند. یک محافظ فویلی مسی بین شیر های اولیه و ثانویه وجود دارد تا به کاهش کوپل خازن در فرکانس و نویز بالا کمک کند.
• یکسو کننده می تواند به سادگی یک دیود سری (نامناسب) یا یک پل تمام موج باشد. دیود های (یکسوساز ها) مورد استفاده باید مشخص شوند. ارزان و کوچک هستند و از نمونه های قوی تر از طراحی شده استفاده می کنند. طبق تجربه من در تعمیر بسیاری از منبع تغذیه های معیوب، معمولاً مشکلات ناشی از خرابی دیود یا از جریان زیاد یا ولتاژ بالای شبکه است. با توجه به این، یک دیود با PIV بالا (حداکثر ولتاژ معکوس) را انتخاب کنید. هنگام نصب دیود ها، پایه های آن را به اطراف کشیده تر نگه دارید زیرا در این صورت بیشتر حرارت آن ها از بین می رود. در منابع ولتاژ بالا، معمولاً خازن های کوچک به طور موازی با دیود ها دیده می شود که به آن ها کمک کند تا سریعتر به حالت عادی برگردند.
• خازن یک جزء بسیار پر کار است و باید تا پیک ولتاژ ثانویه (Vsec = 1.414) شارژ شود و سپس به سرعت در بار تخلیه شود. خازن های فویل آلومینیومی به طور کلی از آلومینیوم پیچیده شده به شکل استوانه (مثل دستمال توالت) تشکیل شده اند که با روغن پر شده اند. در صورت امکان، آن ها را به دور از هرگونه منبع حرارتی قرار دهید. خازن های تانتالوم ESR بسیار کمتری دارند (مقاومت سری معادل)، بنابراین ریپل را بهتر کنترل می کند. می توانید از آن ها در مدار رگولاتور استفاده کنید. هنگام سیم کشی، سعی کنید تمام اتصالات را در یک نقطه واحد زمین کنید. خازن نقطه خوبی برای استفاده است. شکل زیر یک مقاومت را نشان می دهد که مهندسی بسیار خوبی برای خالی کردن این ظرفیت هنگام خاموش شدن منبع تغذیه است. همچنین رگولاتور نیاز دارد هنگامی که در بار نیست یک جریان خروجی کوچک داشته باشد. 1k کافی است.

در شکل زیر، منحنی سبز شکل موج بدون خازن است، و شکل موج قرمز “بالا” با خازن در هر نیم سیکل و سپس تخلیه ناشی از جریان بار است. شکل موج حاصل ولتاژ ریپل است.

رگولاتور انواع مختلفی دارد: سری، شنت، ساده و پیچیده. مقاله اختصاصی در مورد رگولاتور ها وجود خواهد داشت، اما برای این آموزش، ما در طراحی دو رگولاتور مبتنی بر IC ساده یعنی یک رگولاتور ثابت 7812 و یک رگولاتور قابل تنظیم LM317 تمرکز خواهیم کرد.

طراحی یک منبع تغذیه خطی (PSU)

طراحی منبع تغذیه مانند خواندن زبان عبری است، شما از انتها شروع می کنید و به عقب برمی گردید. مشخصات کلیدی ولتاژ مورد نظر ما در خروجی است و اینکه چقدر می توانیم بدون افت ولتاژ از خروجی جریان بگیریم. برای این پروژه، بیایید 12 ولت در خروجی 1 آمپر و 3 ولت از طریق رگولاتور را هدف قرار دهیم. هر رگولاتوری برای عملکرد صحیح بین ولتاژ ورودی و خروجی تفاوت مشخصی دارد. اگر مشخص نشده باشد، فرض کنید که این مقدار حداقل 3 ولت است. برخی از رگولاتور هایی که ما در اینجا استفاده می کنیم فقط 2 ولت خواهند بود.

اگر در خروجی 12 ولت نیاز داشته باشیم، در خازن به 12 + 3 = 15 ولت نیاز داریم. اکنون، همانطور که این خازن شارژ و تخلیه می کند، باید یک مولفه AC وجود داشته باشد و این ولتاژ ریپل (Vripple) است. هرچه جریان بیشتری از خازن کشیده شود، ریپل بدتر می شود و باید این مسئله را نیز مشخص کنیم. با انتخاب 10٪ یعنی 1.2 ولت، ظرفیت به صورت زیر محاسبه می شود:

که f با توجه به فرکانس شبکه شما 50 یا 60 است. بنابراین، ما نیاز داریم:

این ما را به سمت دیود ها باز می گرداند. از آنجا که دیود ها نه تنها جریان بار بلکه جریان شارژ خازن را تأمین می کنند بنابراین از جریان بیشتری استفاده خواهند کرد.

در پل تمام موج، جریان 1.8= I load است. در مرکز، 1.2= I load است. با توجه به این موارد، ما باید حداقل از دیود های 2 آمپری استفاده کنیم.

اکنون این مساله ما را به سمت ثانویه ترانسفورماتور و ولتاژ ویژه آن باز می گرداند. در هر سیستم قوی، ما باید به آستانه تحمل نگاه کنیم. اگر بخواهیم حداقل نیاز طراحی را رعایت کنیم، ورودی رگولاتور می تواند به میزان زیادی تحت تأثیر شبکه برق قرار گیرد. در طراحی های تجاری معمولاً 10٪± مشخص می شود، بنابراین اگر منبع تغذیه 230 ولت باشد، این به این معنی است که می تواند تا 207 ولت کاهش یابد.

بنابراین، ولتاژ مورد نیاز در ترانس ثانویه به شرح زیر است:

که 0.92 بازده ترانسفورماتور و 0.707 برابر 2√/1 است.

Vreg افت رگولاتور است، Vrect افت 2 دیود است و برای مدار شیر مرکزی 0.7 * 2 و برای پل کامل 0.7 * 4 است. Vripple (ولتاژ ریپل) به عنوان 10٪ از 12 ولت یا 1.2 ولت مشخص شده است.

V_sec = 15.03V

این به این معنی است که یک ترانسفورماتور 15 ولت باید کافی باشد. بعضی اوقات نمی توانید مطابقت خوبی با ترانس پیدا کنید و باید ولتاژ بیشتری را انتخاب کنید. سمت پایین رگولاتور ولتاژ بالاتری دارد و در نتیجه هیت سینک آن حرارت بیشتری را خارج می کند.

آخرین چیزی که اکنون باید مشخص شود اندازه ترانسفورماتور در VA است. تصور اینکه VA برابر Vsec * I load باشد یعنی 15= 15 * 1 یک اشتباه ساده و رایج است. اما نباید فراموش کنیم که ترانسفورماتور همچنین خازن را شارژ می کند بنابراین با توجه به پیکربندی، 1.2 یا 1.8= I load می باشد که تفاوت بزرگی را ایجاد می کند، یعنی 1.8 * 1 * 15 = 27VA.

اکنون، نتیجه گیری از طرح کلی را داریم. فیوز را هم برای این منبع تغذیه ساده، 2 برابر جریان ورودی اولیه قرار می دهیم. بنابراین در این حالت، VA= 27 و ولتاژ ورودی شبکه 230V و I= 27/230 = 250mA است.

اکنون می توانیم چند مولفه آخر را به رگولاتور اضافه کنیم:

برای C1، ما آن را با مقدار 4200uF طراحی کردیم. اما از آنجا که رگولاتور مقدار زیادی از ریپل را حذف می کند ممکن است مقدار آن کمتر یا نیمی از آن یعنی 2200uF باشد. هدف C2 و C3 فراهم کردن پایداری و ایمنی از نویز در رگولاتور است. معمولاً C2 =10uF و C1= 1uF است. در حالت ایده آل، این ها باید انواع تانتال باشد، اما اگر مجبور به استفاده از آلومینیوم هستید، باید مقدار آن را دو برابر کنید.

D3 اغلب نادیده گرفته می شود اما مهم است. اگر در ورودی رگولاتور یک قطعی اتصال وجود داشته باشد، هر ظرفیت ذخیره شده در بار Vcc از جمله C3 به قسمت پشتی رگولاتور تخلیه می شود و احتمالاً باعث از بین رفتن آن می شود. اما D3 باعث می شود که این اتفاق نیوفتد.

اکنون، بیایید رگولاتور ثابت را با یک رگولاتور قابل تنظیم LM317 جایگزین کنیم و نسخه منفی مکمل، LM337 را اضافه کنیم تا یک منبع تغذیه دوگانه قابل تنظیم ایجاد کنیم. توجه داشته باشید که ما از یک ترانسفورماتور اتصال مرکزی و همچنین یکسوساز تمام پل استفاده کرده ایم. همه نکات به همان اندازه در مورد نیمه منفی منبع تغذیه اعمال می شوند. تنها چیزی که برای طراحی باقی می ماند R6 و R7 است.

اگر R6 = 220 ایجاد کنید، برای هر ولتاژ بین Vmax و Vmin مقدارR7 به این صورت بدست می آید. R7 = (176 * Vout) – 220

بنابراین اگر 9 ولت در خروجی بخواهید، R7 برابر با 176 * 9 – 220 = 1364 خواهد بود. برای تنظیم همزمان هر دو طرف می توانید از یک پتانسیومتر دو لبه در حدود 5تا10K (خطی) استفاده کنید. یک ترانسفورماتور با ثانویه 25/0/25 مناسب است. C8 و C9 ایمنی از نویز را ایجاد می کنند و می توانند 10uF باشند. C10 و C11 برابر با 1uF و C4 و C7 برابر 1000uF هستند. حداقل ولتاژ خروجی حدود 1.25 ولت است.