منبع تغذیه

یک مدار تغذیه اصولا دارای این قسمت ها است.
در قسمت تبدیل ولتاژ متناوب از ترانسفورماتور استفاده میشود که انواع مختلف دارند.
در قسمت یکسوکننده معمولا از دیود استفاده میشود.
بعد از یکسو کردن ولتاژ آنرا ذخیره میکنند که خازن آنرا انجام میدهد.
در قسمت کنترل, بستگی به اینکه ولتاژ خروجی چه نوع خصوصیاتی داشته باشد, عمل کنترل آن خصوصیات انجام میگیرد.
ایزولاسیون و حفاظت نیز بستگی به ویژه گیهای ولتاژ خروجی انجام میگیرد.

برای تبدیل ولتاژ متناوب زیاد به کم از ترانسفورماتور معمولا استفاده میشود که انواع متفاوتی دارند.
اشکال زیر نمونه هایی از انواع یکسوسازی را نشان میدهند.

یکسوسازی یا بصورت نیم موج است (Halfe wave)

با تمام موج (Full wave) که بستگی به نوع ترانسفورماتور, دو و یا چهار دیود یکسوساز این عمل را انچام میدهد.

فرض میکنیم که ولتاژ خروجی ترانسفورماتور 12 ولت است با فرکانس 50 هرتز و یک افت ولتاژ برای دو دیود داریم و آنرا برای هر دیود 1 ولت در نظر میگیریم( برای بعضی دیودها با جریان 2 آمپر ممکن است بیشتر یا کمتر باشد).
بنابراین دامنه ولتاژ ما بعد از یکسوسازی تقریبا برابر 10 ولت است و مایل هستیم که ولتاژ روی خازن (ولتاژ خروجی) نباید کمتر از 6 ولت شود(مثلا حداقل ولتاژ کار رگولاتور 5 ولتی! برابر 1 ولت) پس حداکثر تغیرات ولتاژ میتواند 4 ولت باشد(6 - 10) ولت.
و مدار ما به 2 آمپر جریان خروجی احتیاج دارد.
برای محاسبه زمان t از معادله سینوس V(t) = v*sin(2µft) استفاده میکنیم و مقدار تقریبا 2 میلی ٍثانیه را بدست میاوریم.
در این معادله برای V(t) مقدار 6 ولت و برای v مقدار 10 ولت را قرار میدهیم.(ماشین حساب باید در حالت rad باشد)
t1 = arcsin(6V/10V) / (2*µ*50Hz) = 2 mS
زمان در این معادله, زمانی است که دامنه موج سینوسی با فرکانس 50 هرتز از مقدار 0 ولت به مقدار 6 ولت رسیده است و یا از 6 ولت به صفر میرسد.
خازن در طی مدت دو برابر این زمان ( تمام موج) باید مدار را با انرژی معادل :
t = 2 * 2 mS = 4 mS
E = V*I*2*t = 6V*2A*2*2mS = 0,048 [W.S] = 48 [mj]
تغذیه کند.
علاوه بر این انرژی, باید تلفات دو دیود را در این زمان نیز در نظر گرفت که در این مثال برابر است با :
P loss diod = 2* Ud * Id * t = 2*1V*2A*4mS = 0,008 [W.S]
بنابراین حداکثر انرژی در این زمان مساوی
E = 0,048 + 0,008 = 0,056 [W.S]
با این داده ها و بنابر تعریف انرژی یک خازن حداقل مقدار خازن برای حالت تمام موج (full wave) برابر است با:
W = 1/2 * C * U^2
حداقل مقدار خازن برابر است با
C = 0,056 W.S * 2 / (6V)^2 = 0,003111 [A.S/V]=[F] = 3111 [µF]

باید توجه داشت که این حداقل ظرفیتی است که باید داشته باشیم و تغییرات ولتاژ خروجی (Ripple) 4 ولت خواهد بود. برای حالت نیم موج (half wave) مقدار خازن بمراتب بیشتر خواهد بود.(بعلاوه نیم سیکل)
در عمل باید مقدار تولرانس خارن را به این مقدار اضافه و مقداری رزرو هم داشته باشیم.
این تصویر شبیه سازی این مثال در LT-Spice است.

منابع تغذیه خطی (Linear)

مدل اصولی مدارات تغذیه خطی بدین شکل است:

نمودار ولتاژ و جریان دیودزنر بدین شکل است.
در منطقه اول نمودار, مانند یک دیود معمولی کار میکند.(بایاس مستقیم) البته انواع ویژه ای از این نوع دیودها هستند که بدلیل ویژگی خاص اتصال مثبت/منفی (PN junction) آن برای حفاظت مدارات در مقابل ولتاژهای زیاد لحظه ای (Tranisient) در این منطقه نیز بکار میروند که به آنان Transil diodes یا Superresor didoe گفته میشود.
در این نمودار VF و IF ولتاژ و جریان در حالت بایاس مستقیم (Forward) است که VF معمولا 0.7 ولت است و جریان نسبت بنوع دیود متفاوت است.
VR و IR ولتاژ و جریان معکوس است. تا رسیدن به این ولتاژ جریان قابل توجه ای از دیود عبور نمی کند.
VBR و IBR ولتاژ و جریان شکست است که به آن Vz و IZ نیز گفته میشود. این ولتاژی است که دیود سعی میکند آنرا ثابت نگهدارد.
مقاومت Rz یک مقاومت اهمی معمولی نیست بلکه یک مقاومت دیفرانسیالی است و به همین دلیل به آن امپدانس دیود نیز گفته میشود و تعریف آن چنین است:
Rz = dVz/dIz
توان تلفاتی دیود در این مقاومت هدر میشود.
ولتاژ زنر دارای وابستگی حرارتی است و معمولا توسط سازنده آن در Datasheet بصورت نمودار یا جدول داده میشود.(temperature coefficient (TC))
این ضریب حرارتی رابطه تغییرات ولتاژ زنر با حرارت را نشان میدهد.
رابطه این ضریب حرارتی با ولتاژ زنر بدینصورت است:
dVz(T) = Sz * (T-25°)
T در اینجا حرارت محیط است و مقدار Sz را از Datasheet باید خواند.
اگر از ولتاژ زنر بعنوان ولتاژ رفرنس در مداری استفاده شود باید به این رابطه توجه داشت.

این شکل کلی این مدارت و معادل آن است.
معادلات محاسباتی این مدار چنین است:
Iv = Iz + Iout
Vin = VRv + Vout
Rv = VRv/Iv
مثال: داده ها : ولتاژ ورودی (Vin) بین 10...12 ولت , جریان خروجی 100 میلی آمپر و ولتاژ خروجی 5 ولت
دیود انتخابی 5,1 ولت (BZX5V1)
با نگاهی به مشخصات دیود (Datasheet) برای ولتاژ زنر مقدار 5 میلی آمپر را برای جریان زنر میبینیم و با این دو میتوانیم مقدار Rv را محاسبه کنیم.
Rv = VRv/Iv = (Vin-Vz)/(Iz+Iout)
Rv = (10V - 5.1V)/(100mA + 5mA) = 46.7 ohm
نزدیکترین مقدار استاندارد 47 اهم میباشد.
حال اگر ولتاژ ورودی 12 ولت شود, ولتاژ روی Rv باید 7 ولت شود و در این حال باید جریان آن برابر
Iv = 7V / 47ohm = 149 mA
باشد. بنابراین جریان اضافه 105ma - 149mA = 44mA باید از درون دیود زنر عبور کند تا ولتاژ خروجی ثابت بماند.
پس توان دیود باید حداقل P=Vz*Iz = 5,1V*0,044 = 0,22W باشد.

برای جریان زیاد باید از ترانزیستور (تقویت جریان) استفاده کرد.
ساده ترین شکل این نوع مدارت و شبیه سازی آن میتواند اینطور باشد.
در این مدار از ولتاژ زنر بعنوان رفرنس برای ولتاژ بیس (Basis) استفاده شده و طبق قانون ولتاژ کیرشهوف ولتاژ خروجی تقریبا برابر است با:
Vout = Vz - Vbe
Vout = 6.2 - 0.7 = 5,5 V
در مشخصات دیود برای ولتاژ زنر 6.2 ولت مقدار 5 میلی آمپر را برای جریان زنر می بینیم.
این ترانزیستور دارای ضریب تقویت کنندگی جریان بین 20 تا 70 را دارد و با بالا رفتن چزیان کلکتور کم میشود.
حداکثر جریان خروجی را توسط مقاومت Rv و معادله ß = Ic/Ib میتوان تعیین کرد. با این مقادیر حدود یک آمپر میباشد.

خصوصیات منابع تغذیه خطی (Linear)

این شکل اساسی نوع استاندارد میباشد.
این مدار برای اینکه بتواند ولتاژ حروجی را کنترل کند یه یک حداقل ولتاژ افت (تفاوت ولتاژ ورودی و خروجی) نیاز دارد که مقدار آن برابر است با :
Vdrop(min) = 2*Vbe + Vce
این نوع بیشترین ولتاژ افت را دارد.
معمولا سازنده این ولتاژ را بین 2,5 تا 3 ولت تعیین میکند تا تنظیم ولتاژ خروجی را ضمانت کند.
بدلیل ضریب تقویت کنندگی زیاد طبقه دارلینگتون جریان داخلی این نوع کمتر (بهتر) از دو نوع دیگر است.(تقریبا 10 میلی آمپر)
حداکثر جریان خروجی این نوع میتواند تا حدود 10 آمپر باشد.

این شکل اساسی نوع افت ولتاژ کم (LDO) میباشد.
تفاوت آن با نوع استاندارد استفاده از یک ترانزیستور مثبت در طبقه خروجی میباشد.
حداقل افت ولتاژ این نوع برابر است با :
Vdrop(min) = Vce
مقدار این ولتاژ بین 0.6 تا 0.8 ولت با حداکثر جربان خروجی است.
چون این ولتاژ به جریان خروجی وابسته است, بنابراین اگر جریان خروجی کم باشد میتواند تا حدود 50 یا 60 میلی ولت هم پایین بیاید که آنرا برای مداراتی که با باطری کار میکنند ایده ال میکند, که میتواند تا حد پایین ولتاژ خالی شدن باطری هم بکار ادامه دهد.
جریان داخلی آن برابر است با جریان خروجی تقسیم بر ضریب تقویت کنندگی ترانزیستور مثبت. بهمین دلیل مقدار جریان داخلی از نوع استاندارد بیشتر میباشد.(بین 20 تا 50 میلی آمپر)
حداکثر جریان خروجی این نوع میتواند تا حدود 1 آمپر باشد.

این شکل اساسی نوع تقریبا کم افت ولتاژ (QUASI LDO) میباشد.
تفاوت آن با نوع LDO استفاده از یک ترانزیستور منفی و مثبت در طبقه خروجی میباشد.
حداقل افت ولتاژ این نوع برابر است با :
Vdrop(min) = Vbe + Vce
مقدار این ولتاژ معمولا حدود 1.5 ولت است.
جریان داخلی این نوع تقریبا برابر نوع استاندارد با حداکثر جریان خروجی میباشد.(تقریبا 10 میلی آمپر)
حداکثر جریان خروجی این نوع میتواند تا حدود 6 یا 7 آمپر باشد.

**********

این تصویر استفاده معمولی از رگلاتورهای با ولتاژ خروجی ثابت را نشان میدهد.
دیود نشان داده شده دلبخواه است. این دیود رگولاتور را در مقابل ولتاژ معکوس حفظ میکند. این ولتاژ معکوس زمانی ایجاد میشود که ولتاژ ورودی قطع میشود و ولتاژ خروجی بخاطر خازن خروجی و خازنهای مدار نمیتواند سریع به صفر برسد و این ولتاژ معکوس روی رگولاتور میتواند آنرا خراب کند. دیود این ولتاژ را به حدود 0.7 ولت محدود میکند.

با استفاده از روشهای زیر میتوان ویژگیهای دیگری را به یک رگولاتور تابت اضافه کرد.

**********

با استفاده از این روش میتوان جریان خروجی بیشتری را داشت.
مقدار مقاومت را از رابطه ولتاژ بیس و جریان کار رگولاتور میتوان نعیین کرد.
R = Vbe/(Ibase + Ireg)
معادله محاسبه جریان خروجی بدین صورت است.
I out = (ß*Ibase) + Ireg
اگر فرض کنیم که رگولاتور برای کار به جریانی معادل 30 میلی آمپر احتیاج دارد و ولتاژ روشن شدن بیس را 0.65 ولت در نظر بگیریم مقدار مقاومت برابر است با 0,65/0,05 = 13 اهم خواهد بود.
این مدار در مقابل اتصال مستقیم در خروجی حفاظت نشده و در این حالت (اتصال خروجی به زمین) جریان بسیار زیادی از ترانزیستور عبور و آنرا نابود میکند.

**********

با این روش میتوان حداکثر جریان را محدود کنید.
I out = (Vreg/R) + I bias
Vreg ولتاژ عادی یا نرمال رگولاتور است.
Ibias بستگی به نوع رگولاتور دارد (شرح در بالا) و حداکثر تا 50 میلی آمپر میتواند باشد.

**********

اگر مایل به داشتن ولتاژی بزرگتر از ولتاژ رگولاتور باشید میتوانید از این روش استفاده کنید.
Vout = Vz + Vreg
مقدار R برابر است با R = Vreg/Ibias . این مقاومت در هنگام اتصال خروجی به زمین جریان Ibias را از خود عبور میدهد و باعث کارکرد درست رگولاتور میشود تا بتواند جریان خروجی را به مقدار مجاز (Short-circuit output current , رجوع شود به Data sheet ) تقلیل دهد.
اگر بجای دیود زنر از یک پتانسیومتر استفاده شود میتوان ولتاژ خروجی را متغیر کرد.
در این صورت ولتاژ خروجی برابر است با:
Vout = Vreg + (IR + Ibias) * Rp

**********

این تصویر استفاده معمولی از رگلاتورهای با ولتاژ خروجی متغیر را نشان میدهد.
رابطه ولتاژ خروجی و مقاومت ها و ولتاژ رفرنس بدینصورت است.
Vout = Vref * (1 + R2 / R1) + (Iadj * R2)
جریان Iadj مقداری در حدود چند ده میکروآمپر میباشد.( تقریبا 100 ... 50 میکروآمپر)
حداقل ولتاژ خروجی برابر ولتاژ رفرنس میباشد, یعنی زمانی که ولتاژ روی مقاومت R2 صفر (R2=0) باشد.
برای اینکه خروجی را تا حد صفر ولت پایین بیاوریم باید یک ولتاژ منفی (1.25- ولت) برابر با ولتاژ رفرنس را با ولتاژ روی R2 بطور سری قرار دهیم.
به عبارت دیگر باید مبنای ولتاژ روی R2 نه خط صفر, بلکه 1.25- باشد.



ادامه دارد...