مقدمه ای بر منابع تغذیه سوئیچینگ Switching power Supply
منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power Supply) یا SMPS یک واحد تغذیه توان (PSU) است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهد. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در خروجی یک منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می باشد.
در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان های یکسو کننده جریان و فیلتر استفاده می شود. نقطه ضعف این روش، تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی منبع تغذیه خطی می باشد. این دو روش را می توان به صورت زیر مقایسه کرد:
1- فرکانس کار ترانس ها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانس های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فرکانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس ها به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
2- راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یک منبع خطی با تلف کردن توان، خروجی خود را رگوله می کند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ یا همان duty cycle می توان ولتاژ و جریان خروجی را کنترل کرد.
با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ می توان به حدود 90% بازدهی دست یافت. در توان های بالا از روش PWM و در توان های پائین تر از 30 وات معمولاً از روش کلید زنی به صورت پالس های معمولی استفاده می شود.
در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الکترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آن ها از فیلتر EMI و اتصالات RF استفاده می شود.
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی AC باشد، ابتدا از یک طبقه یکسوکننده عبور کرده و یک ولتاژ DC رگوله نشده ایجاد می شود. این ولتاژ DC به خازن های فیلترینگ بزرگ متصل می شود.
جریان کشیده شده توسط این یکسوکننده از ورودی AC باعث ایجاد پالس های جریان در اطراف پیک ولتاژ AC می شود. این پالس های کوچک مولد فرکانس های بالا بوده و کاهش فاکتور توان را بهمراه دارد. تکنیک Power Factor Correction برای مقابله ایجاد شده است. مدار PFC جریان مصرفی یکسوکننده را شبیه به شکل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاکتور توان در برق ورودی AC اصلاح و نزدیک به 1،00 باقی می ماند.
محدوده ولتاژ AC ورودی توسط یک سوئیچ در دو حالت 115 و 230 ولت انتخاب می شود . در حالت 115 ولت یک مدار دو برابر کننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه می شود. در برخی مدل ها محدوده ولتاژ AC ورودی Universal بوده و حداقل100 تا 240 ولت را پشتیبانی می کنند.
در یک SMPS با ورودی DC به این مرحله (یکسو کننده) احیتاجی نیست.
در مرحله اینورتر، این مقدار DC دوباره به AC تبدیل می شود. فرکانس خروجی اینورتر بیش از 20 کیلوهرتز انتخاب می شود (خارج محدوده شنوایی). عمل سوئیچ معمولاً به کمک چند طبقه MOSFET جهت رسیدن به بهره بالا انجام می شود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی کم وجود دارد. به دلیل فرکانس بالا دور سیم پیچ ترانس کم می شود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا کاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی DC در محدوده معین و مشخصات مناسب است.
در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، شما رابا اجزاء داخلی منبع تغذیه آشنا نماییم. بدیهی است که این ساختار، همگانی و عمومی نبوده و در حدود 75 % ساختار داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر می گیرد.
EMI) Line Filter): این بخش از دو عنصر سلف و خازن تشکیل شده، وظیفه ممانعت از خروج فرکانس های اضافی محدوده کاری (NOISE) منبع تغذیه به بیرون (حاصل از مدار سوئیچینگ) و همچنین ممانعت از ورود فرکانس های اضافی (حاصل ازدوران موتور های الکتریکی و یا سیستم های مولد حرارت) به داخل منبع تغذیه را بر عهده دارد.
Input Capacitor: این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده است که وظیفه کنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام کارکرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های کوتاه انرژی را بر عهده دارد.
Power Switching: این بخش از دو ترانزیستور قدرت (MOSFET) تشکیل شده است که وظیفه کنترل سطح ولتاژ خروجی را از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) بر عهده دارد.
Transformer: این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
Transformer: این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
Heat Sink: این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا ،وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای SHUTKEY و FASTبه محیط اطراف را بر عهده دارد.
Output Filter: این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.
FAN: این قسمت علی رقم اینکه معمولا اهمیتی برای آن ازطرف مصرف کنندگان قائل نمی شوند، بسیار مهم و حیاتی می باشد، چرا که رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر منبع تغذیه دارد. هر چقدر تهویه هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرونی بهتر انجام گیرد، کارکرد منبع تغذیه بهتر می شود.
PCB: برد اصلی منبع تغذیه می باشد که کلیه قطعات بر روی آن نصب می شوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست (ROHS)، باعث افزایش ضریب ایمنی کاربر می گردد.
IC Controller : این قسمت پیچیده ترین بخش مدار PWM می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری درطراحی این قسمت به وجود آمده است بطوری که امروزه آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف را برعهده دارند که درنهایت باعث افزایش دقت درکارکرد منبع تغذیه گردیده است. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی های جدیدی که در بعضی از پاورهای جدید به کار رفته اشاره شده است:
الف ) کنترل خروجی؛ که با تولید پالس های Pulse Width Modulation، فرآیند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی ها را بر عهده دارد.
ب ) شبیه سازی؛ ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی ، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل می شود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی دستور DOWN از طریق آی سی صادر می شود.
ج ) نوسان ساز؛ که در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می کند.
د ) راه اندازخروجی؛ که توان کافی را جهت به کارگیری در مقاصد کم و میانه، تولید می کند.
ه ) ولتاژ مبنا؛ که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجی ها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش ها تولید می کند.
و ) مبدل خطا؛ که عرض پالس DC خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم می نماید.
ز ) Power Factor Correction؛ که وظیفه تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار PWM رابر عهده دارد.
شاید برای شما این مسئله به وجود آمده باشد که آیا صرفاً میزان ولتاژ و جریان خروجی یک منبع تغذیه ملاک مناسبی جهت کارآیی آن میباشد؟ جواب منفی است. در واقع نکات مهم دیگری نیز در تعیین کارآیی منبع تغذیه وجود دارند. به طور مثال اگر توان خروجی متناسب با توان مصرفی باشد ولی مقدار نویز و ریپل خروجی از منبع تغذیه بالاتر از حد استاندارد باشد، ممکن است در سیستم های کامپیوتری سرعت پردازش اطلاعات به طور چشمگیری کاهش داده و تجهیزات در حال کار را بارها دچار وقفه کند. در ادامه نکات فنی یک منبع تغذیه با کیفیت مناسب بصورت مختصر لیست شده اند
در صورت به وجود آمدن اتصال کوتاه در هر یک از شاخههای خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود
MTBF TEST : مطابق با استاندارد طراحی مدار، کیفیت قطعات داخلی و دور فن به گونه ای باشد که باعث بالا رفتن عمر مفید منبع تغذیه گردد.
EMC TEST : مطابق با استاندارد ، منبع تغذیه دارای ضربه گیر ورودی و لاین فیلتر به همراه خازن های X,Y با علامت درج شده استاندارد باشد.
BURN IN TEST : حرارت قطعات داخلی از محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد تجاوز نکرده و در صورت از کار افتادن فن ، منبع تغذیه به طور خودکار خاموش شود.
LOW NOISE : نویز به وجود آمده، از محدوده مجاز تعیین شده دراستاندارد تجاوز ننماید، که این مورد در کارایی رایانه و همچنین بالا رفتن عمر مفید قطعات متصل به منبع تغذیه تاثیر بسیار زیادی دارد.
SILENT PC : طراحی مدار به گونه ای باشدکه دوران فن ها متناسب با حرارت داخلی تغییر یابد. این مورد باعث پایین آمدن نویز صوتی و بالا رفتن عمر مفید فن می گردد.
HI-POT TEST : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش ناگهانی ولتاژ در ورودی، منبع تغذیه دچار آسیب جدی نشود.
THERMINAL EARTH : مطابق با استاندارد، منبع تغذیه دارای ترمینال تخلیه بار الکتریکی و همچنین درج علامت مربوطه بر روی بدنه داخلی باشد.
PCB FIRE TEST : مطابق استاندارد آتش سوزی، برد اصلی منبع تغذیه دارای کلیه موارد و نکات ایمنی لحاظ شده در استاندارد آتش سوزی باشد.
HOLD UP TIME : مدت زمانی که به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از وقفه انرژی در ورودی، از مرز 90% مقداراولیه خود پایین تر بیاید، مطابق با استاندارد باشد.
POWER GOOD TIME : مدت زمانی که به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از روشن شدن منبع تغذیه، از مرز 95% مقدار اولیه خود عبور کند، مطابق استاندارد باشد.
SHORT CIRCUIT PROTECTION : در صورت به وجود آمدن اتصال کوتاه در هر یک از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVERLOAD PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش بار مصرفی خارج ازتوان حداکثر، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت افزایش ولتاژ در هر یک از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
UNDER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت کاهش ولتاژ در هر یک از شاخه های خروجی ،منبغ تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
OVER CURRENT PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت اضافه بار خارج از توان بر روی هر یک از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.
POWER FACTOR CORRECTION : در حدود تعیین شده دراستاندارد، هارمونیک های فرکانس خروجی توسط مدار PWM تصحیح شود، که این امر باعث افزایش راندمان منبع تغذیه و کاهش مصرف انرژی می گردد.
INTERACTION & CROSS REGULATION : مطابق استاندارد، با اعمال بار متقابل بر روی هر یک از خروجی ها، تغییر ولتاژ سایر خطوط در گستره معین و هماهنگ با سخت افزار به کاربرده شده باشد. این مورد در سال های اخیر با توجه به تغییرات مکرر تکنولوژی به طور مرتب رو به تغییر بوده و عدم رعایت آن باعث بروز مشکلات اساسی گردیده است.
CONDUCTED EMI : در صورتی که منبع تغذیه به فیلترهای مناسب ورودی و خروجی مجهز باشد، تداخل فرکانس های رادیویی بر روی پایانه های ورودی و خروجی باید در محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد باشد.
RADIATED EMI : مطابق با استاندارد، تشعشعات مغناطیسی که از داخل منبع تغذیه به بیرون و بالعکس در جریان است، باعث بروز مشکل درکارکرد منبع تغذیه و نیز سایر وسایل الکترونیکی مجاور آن نگردد.
ESD PERSONAL : مطابق استاندارد، در صورت باردار شدن بدن کاربر به الکتریسیته ساکن و تماس کاربر با منبع تغذیه، مشکلی در کارکرد منبع تغذیه به وجود نیاید.
شاید این سوال برای شما پیش آمده باشد که چگونه می توان یک پاور مناسب را از نظر ظاهری شناخت؟ چرا که برای مصرف کننده نهایی امکان انجام تست های فنی وجود ندارد. در اینجا شما را با تعدادی از موارد ظاهری یک منبع تغذیه مناسب و استاندارد آشنا می کنیم که قطعاً در صورت رعایت شدن آن ها توسط تولید کننده، شما این اطمینان را پیدا می کنید که منبع تغذیه مورد اشاره مناسب و در محدوده ای که استاندارد مشخص نموده، تولید شده است و شما را در آینده با مشکلات ناشی از منبع تغذیه غیر استاندارد مواجه نمی نماید.
1 ) دارای استاندارد CE و یا UL باشد و علامت آن برروی برچسب نصب شده، درج شده باشد.
2 ) دارای گارانتی معتبر شرکت تولیدکننده باشد.
3 ) علاوه بر مقدار توان حداکثر که بر روی برچسب ذکر شده است، حتماٌ مقدار توان واقعی آن در قسمتی از برچسب و یا مدل ذکر شده باشد. چرا که برای کاربر فقط و فقط مقدار توان واقعی پاور اهمیت دارد.
4 ) حد اکثر تفاوت میان توان واقعی و توان حداکثر درج شده بر روی برچسب از 30% تجاوز نکند.
5 ) برچسب نصب شده بر روی جعبه پاور ، خوانا و شامل موارد زیر باشد:
– محدوده ولتاژ ورودی، جریان ورودی و فرکانس کاری بر روی آن درج شده باشد.
– علاوه بر مقدار توان خروجی حداکثر، مقدار توان خروجی واقعی نیز بر روی آن درج شده باشد.
– نام کارخانه تولید کننده به همراه علامت تجاری آن، بر روی برچسب درج شده باشد.
– نام آزمایشگاه های تاییدکننده و همچنین کلیه علامات استانداردهای کسب شده، بر روی آن درج شده باشد.
– مشخصات ولتاژ خروجی ها و همچنین مقدار آمپر عبوری هر یک به طور مجزا برروی آن درج شده باشد.
بحث در مورد استاندارد های مربوط به منبع تغذیه بسیار گسترده می باشد که نمی توان به طور کامل به آن ها اشاره نمود. هر یک از کشور های صنعتی برای خود استاندارد هایی به منظور کسب اطمینان از ایمنی کامل در هنگام کارکرد منبع تغذیه دارند. واژه ایمنی برای تجهیزات الکترونیکی به معنای آن است که محصولات تولید شده، ایجاد شوک نکند، آتش نگیرد و یا حالات ناخواسته را به کاربر تحمیل ننماید. در مورد منبع تغذیه موارد ایمنی مضاعفی در نظر گرفته شده است، چرا که منبع تغذیه نه تنها نیازهای ایمنی خود، بلکه نیازهای ایمنی کلیه قطعاتی که از آن تغذیه می شوند را نیز تامین می نماید. در این مورد قصد داریم تا شما را با تعدادی از این استانداردها آشنا نماییم؛
CUL ,D ,N ,S , FI ,VDE ,NKO ,EMI ,BSI ,CSA ,FCC ,TUV ,CB ,UL ,CE
شرکت های معتبری مانند Mean Well دارای آزمایشگاه های بسیار پیشرفته ای می باشند که قادرند شرایط بسیار دشواری را جهت تست کیفیت کارکرد و راندمان یک پاور به وجود آورند و در صورت احراز این شرایط، تاییدیه خاص خود را صادر نمایند. به طور مثال نویز و ریپل خروجی پاور تاثیر مستقیم بر روی بازدهی و سرعت پردازشگرها دارد. همچنین مسئله تخلیه حرارت داخلی پاور بسیار مهم است، چرا که بعضی از دستگاه ها حرارت بسیار بالایی تولید می نمایند و تخلیه این حرارت به جهت افزایش راندمان کلی، بسیار حائز اهمیت می باشد.
بطور کلی منابع تغذیه های امروزی به دو نوع ساخته میشوند :
1- منابع تغذیه خطی 2- منابع تغذیه سویچینگ یا به اصطلاحی (دیجیتالی )
1- منابع تغذیه خطی همان از نوع معمولی که توسط ترانسهای کاهنده هسته اهنی و رگولاتور های ترانزیستوری که بطور معمول در دستگاه ها استفاده میشوند اطلاق میشود که با توجه به منسوخ شدن اینگونه مدارات مد نظر این تاپیک نبوده و فقط به صورت گذرا چشم اندازی خواهیم داشت .
2- منابع تغذیه سویچینگ اینگونه مدارات که امروزها حرف اول را میزنند و جایگزین مناسبی برای تامین منبع تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی و …. میباشند که از توان های خیلی پایین تر تا توان های کیلو واتی و بالاتر را بدون اتلاف انرژی و در حجم کمتری وهزینه پایین تر قابل دسترسی می کنند در این تاپیک ما گام به گام با تشریح اصول کار و روش طراحی با اینگونه مدارات بیشتر اشنا می شویم .
با فرض اینکه اکثر دوستان به ماهیت هر دو نوع منابع تغذیه اشنا هستند لذا از مقایسه این دو نوع و تشریح محاسن و معایب هر دو نوع صرف نظر و زیاده از این وارد جزییات نشده و بدون مقدمه ای طولانی بحث خود را در نوع دوم (سویچینگ) شروع میکنم .
میدانید که منابع تغذ یه را همیشه با توان نامی انها که حاصل ولتاژ کار نامی و جریان نامی انهاست میشناسیم در توان های پایین تر معمولا مشگل خاصی از نظر قطعات بکار رفته نداریم و تقریبا انواع قطعات معمول تغذیه را میتوان بکار برد و تنها شرطی که باید در نظر گرفت فرکانس کاری قطعه میباشد که حایز اهمیت میباشد چرا که در اینگونه منابع تغذیه فرکانس بالای مدار هست که موجب کاهش اتلاف انرژی و حجم و قیمت …. انها میشود که اگر اولویت بندی کنیم ترانس تبدیل (این ترانس را از این به بعد چاپر خواهیم شناخت ) در درجه اول قرار میدهیم . شما اگر مقاله تعمیر و سیم پیچی یک ترانس را در همین بخش مطالعه کرده باشید در فرمول محاسبه دور بر ولت مشاهده میکنید که این نسبت وابستگی معکوسی به فرکانس دارد بدین صورت که هرچه فرکانس بالا باشد دور بر ولت کمتر میگردد ولی از طرفی هم ترانس های هسته اهنی سریعا اشباع شده (با توجه به چگالی **گوس وبر انها) و در محدوده فرکانس های پایین تری بازده دارند و این یکی از بزرگترین معایب امروز این گونه ترانسهای تبدیل میباشد برای رفع این نقیصه و از طرفی پیدایش هسته های با قابلیت چگالی های بالاتر هسته های فریت جایگزین مناسبی به جای ترانس های هسته اهنی سنگین و پر حجم میگردند . حالا اگر شما در محاسبات دور بر ولت فرمول خود فرکانس کاری را بیشتر در نظر بگیرید طبعا دور بر ولت شما کمتر خواهد شد برای مثال دور بر ولت هسته ترانسی با فرکانس برق شهر اگر برابر با 12 دور بر ولت باشد همین دور بر ولت در فرکانس 50 کیلو هرتز برابر با 1/2 خواهد بود و اگر قرار باشد برای 220 ولت برق شهر ترانس سیم پیچی شود تعداد 2640 دور سیم نیاز دارد در صورتیکه در فرکانس 50 کیلوهرتز این مقدار به 264 دور کاهش می یابد پس اینجاست که بحث چگالی هسته باید مطرح شود که هسته های اهنی از عهده اینکار بر نمی ایند واستفاده از هسته فریت را مناسب میدانیم البته چون قرار است بحث را یک مقدار روی عملی بودن و کاربرد ی ادامه بدهیم وارد جزییات محاسبات چگالی فریت نمی شوم و به فرمول های ارایه شده استاندارد بسنده میکنیم .
مورد بعدی که باز اهمیت ان مورد توجه است قطر سیم مورد استفاده میباشد . میدانیم که در یک ولتاژ DC جریان (شا رش) پیوسته سعی میکند که در( مساحت دایره ) سطح مقطع سیم پخش و جاری گردد که در این صورت برای شارش یک جریان نسبتا بالاتر باید از سیم های با قطر بالاترکه وزن بیشتر و بقول معروف خشگ که در انعطاف پذیری با مشگل مواجه خواهیم شد استفاده گردد ولی به نسبت اینکه نوع جریان از حالت DC به AC تغییر وضعیت میدهد جریان شارش نیز گرایش دارد تا در حول نهایی سیم (محیط دایره) شارش گردد (برای مثال شما میتوانید کابل های انتقال تو خالی سیگنال های مایکروویو را ببینید ) با این حساب شما در ترانس های فریتی میتوانید از سیم های چند رشته ای که بهم تابیده شده ولی سطح مقطع کمتری دارند جریانهای بیشتری را هدایت کنید چون در حول پیرامون هر رشته جریانی شارش میشود که وسط سطح مقطع خالی از جریان می ماند صرف نظر میشود و این شارش ها با توجه به اینکه سر سیم ها بطور موازی بهم بسته میشوند جمع شده و جریانهای بالاتری را شارش میکنند و همچنین با توجه به قطر کمتر انها سیم مورد استفاده نرم تر و استفاده ان راحت تر(انعطاف پذیر) وفضا و حجم کمتری را اشغال خواهد کرد که منتنج به کاهش تلفات و …هم خواهد شد .
اجازه دهید جزییات بیشتر ترانس چاپر را در محاسبات ان تشریح کنیم و کمی هم در مورد یک قطعه اصلی دیگر مدار یعنی ترانزیستور قدرت سویچینگ که از این به بعد انرا (سویچر ) می خوانیم کنکاش کنیم . معمولا این قطعه سویچر را مهمترین و اسیب پذیر ترین المان مدار میدانیم چون که تمام فعل و انفعالات مدار در این قطعه اثر بخش خواهد بود اگر درست انتخاب نشود در حقیقت با فرض اینکه مدار کار خود را انجام داده باشد باز حتما از بازده ان کاسته و اتلاف انرژی را بدنبال خواهد داشت با توجه به اینکه خروجی این قطعه مستقیما با چاپر و سیم پیچ های ان در ارتباط میباشد و از طرفی میدانید که سیم پیچ های چاپر به هنگام قطع جریان یک ولتاژی به نام پسماند (هیسترزیس) که با ولتاژ ورودی 180 درجه اختلاف فازی دارد تولید میکنند از جمع و جبری حاصل منبع و پسماند چاپر یک ولتاژ دیگری تولید میشود که دامنه ان چندین برابر دامنه منبع اصلی خواهد بود حالا اگر قطعه سویچرطوری انتخاب شود که نتواند این ولتاژ را تحمل نماید در اولین سیکل کاری خواهد سوخت لذا باید سویچر را حداقل سه برابر منبع تغذیه در نظر بگیریم (چرا سه برابر ؟؟) وباز از طرف دیگر چون قرار ما استفاده از هسته فریتی و فرکانس بالا بوده باید سویچر قادر باشد در زمان های کوتاه عمل سویچ را انجام دهد لذا باید از نوع فرکانس بالا انتخاب گردد و مورد بعدی راجع به این قطعه تحمل جریان های بالای مداراست که از طرف ورودی و خروجی چاپر به این المان تحمیل میشود حالا بماند که اگربتوانیم از نوعی استفاده کنیم که بدون نویز واز ضریب تقویت بالایی هم برخوردار باشد این هم یک حسن دیگر از شرایط پایداری مدار ما خواهد بود . و دیگر اینکه نوع ارایش کاری مدار هم در انتخاب سویچر بی دخیل نیست بدین شرح که اگر نحوه شارش ترانس چاپر از نوع دونیم سیکل (پوش پول یا همان سه سیمه با سر وسط )باشد و یا اینکه فقط با تقویت دامنه یکی ازنیم سیکل های فرکانس ورودی (ترانس دوسر ) جریان کار را شارش کند (به نظر شما کدام نوع بهتر است ) به هر حال اینها پارامترهایی است که در انتخاب این قطعه باید در نظر گرفت البته سابقا ترانزیستورهایی دوقطبی با توان بالا تولید شده اند که از عهده این کار ها بر بیایند ولی با پیشرفت علم و تکنولوژی و اصلاح ساختارها امروزه این قطعات با استفاده از تکنیک موس فیت بقدر کافی و مورد اطمینان تولید شده اند که دیگر نیازی به استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی (بی پلار ) که همراه رادیاتورهای خنک کننده و با حجم و وزن بالا و با تولید حرارت کار میکردند را مرتفع ساخته اند . در مبحث محاسباتی این قطعه بازبیشتر مورد تحلیل قرار خواهد گرفت .
از طبقه قدرت که بگذریم با مداراتی چون تولید سیگنال فرکانس کار مدار (قلب مدار) و مراحل کنترلی مطرح میشوند این قسمت مدار معمولا که با جریان پایین تر و دقت کاری بیشتری باید داشته باشند تشکیل شده از یک قسمت اوسیلاتور و یک طبقه کنترلی و حفاظت مدار است که امروزه جهت هر دو مورد یاد شده قطعات یک پارچه ای (ic ) تولید و در اختیار مصرف کنندگان قرار دارد که کار را برای طراحان و تولید کنندگان راحت تر کرده است و با توجه به حساسیت موضوع این قسمت را بیشتر مورد توجه قرار میدهم :
الف : استفاده از ایسی های پروگرامری دیجیتالی چون 8051 و…. ب : استفاده از ایسی های انالوگ و vco . , pll و….
ای سی های VCO قطعاتی هستند که با دریافت ولتاژ DC در ورودی خود انرا به یک سیگنال در خروجی تبدیل میکنند برای اینکار لازم است از یک تقویت کننده لگاریتمی (عملگر ) استفاده شود ایسی های اپ امپ اوپراسیونل ایده خوبی میتوانند برای اینکار باشند .
چنانچه ما بتونیم از خروجی یک منبع تغذیه به یک مدار vco یک جریان برگشتی بدهیم (فیدبک ) خروجی vco برای ما یک نسبتی از ولتاژ دریافتی سیگنالی را ارایه میدهد که زمان پالس های ان وابسته به ولتاژ ورودی خود میباشد که اگر این پالس را به ورودی گیت (بایس ) سویچر اعمال کنیم در این صورت خروجی منبع تغذیه دارای ثبا ت ولتاژی خواهد بود که با vco در ارتباط است این مورد وقتی بیشتر مورد توجه قرار میگیرد که به نحوه تاثیر پالس های تریگر سویچر برگردیم شما فرض کنید اگر ما سویچر را با پالسهای نوک تیز (سوزنی) تحریک کرده باشیم با توجه به نوک تیز پا لس ها . زمان تاثیر (روشن ماندن سویچر) خیلی کوتاه خواهد بود و نتیجه ی ان ایجاد یک ولتاژ باریکه (کمتر) در خروجی چاپر میگردد ولی هر گاه این پالس ها را از نظر زمانی طولانی کنیم (پالس های مربعی ) با توجه به طولانی بودن زمان تاثیر (روشن ماندن طولانی سویچر) در خروجی چاپر ولتاژ بیشتری را خواهیم داشت از این اصول در کنترل مدارات منبع تغذیه استفاده کرده و بدین صورت خروجی را میتوان به دلخواه (با تعیین طول پا لس های اعمالی) کنترل کرد . ایسی های کنترلی قابل برنامه ریزی بسیاری برای این منظور در دسترس هستند که با دستور دهی و برنامه نویسی و انها میتوان از یک منبع تغذیه دیجیتالی خروجی های قابل کنترلی در حد وسیعی را طراحی کرد . (AVR ) میکروکنترلر ها ….
اما یک راه ساده تر و لی محدود وجود دارد و ان هم استفاده از ایسی های VCO موجود در بازار میباشد مثلا ایسی TL494XX یکی از این ایسی های مشهور میباشد که در سویچینگ ها از ان استفاده میگردد .
گر به مدارات داخلی این ایسی ها توجه کرده باشید متوجه خواهید شد که در بلوک دیاگرام داخلی ان مداراتی آرا سته از VCO و OSC و تقویت کننده های لازم مشروحه بالا همگی جمع شده و یک مدار یک پارچه اماده بکار میباشد :
ما در طراحی خود از این قطعه مشهور در طرح مان استفاده می کنیم .
تشریح و طراحی منابع تغذیه سویچینگ
در جلسه قبل بحث از شکل موج و زمان تاثیر ان توسط سویچر به چاپلر بود در این جلسه به این نکته و نحوه تولید این سیگنال ها به روش های مختلف میپردازیم . اجازه بدید اول این نوع شکل موج را در شکل 2 ببینیم :
این شکل موج در پروتیوس با استفاده از ایسی کانتر مشهور 4017 به همراه یک کلاک جنراتور موجود در نرم افزار فوق طراحی شده است همانطور که مشاهده میکنید برای داشتن یک زمان کوتاهی که قابل کنترل باشد ما نیاز به یک کلاک چند برابر (در اینجا با توجه به تقسیم به ده کننده 4017 همان ده برابر ) داریم برای اینکه زمان و طول هر پا لس قا بل کنترل باشد مستر کلاک را تقسیم به ده کرده و هر یک از اجزای ماستر کلاک که مساوی یک دهم کلاک اصلی می باشد را خروجی های دهگانه این ایسی تبدیل میکنیم حالا با جمع کردن این کلاک ها توسط دیود سیگنال 4148 میتوانیم به تعداد پا لس ها زمان مورد نظر خود را بدست بیاریم کنترل و تعداد جمع کردن پالس ها برای ایجاد زمان مورد نظرمان را توسط یک سلکتور ده حالته که تک تک خروجی ها را در زمان های مختلف بهم اضافه میکند به عهده دارد ولی ما هدف دیگری داشتیم (کنترل دیجیتالی ) بله میتونیم این کار را توسط ic میکروکنترلی مانند خانواده 8051 ایجاد کنیم که تشریح این مدل در جلسات اتی صورت خواهد گرفت و فعلا شاید این امادگی را هنوز نداشته باشیم .حالا اگر زمانهای تاثیر پا لس را با رنگ قرمز و زمان بیکاری پا لسها را با رنگ ابی نشان دهیم حاصل شکل موج باید شکلی مانند شکل زیر باشد نگاه کنید
در گام اول زمان تاثیر خیلی کوتاه است و به تدریج که گام های بعدی اضافه می شود این زمان نیز طولانی و در نتیجه سویچر در زمان بیشتری زیر بار می ماند که منتنج ان در خروجی چاپر ولتاژ بیشتری خواهد بود تا زمانیکه به بیشترین مقدار طول زمان برسیم در خروجی هم به ولتاژهای بالاتر دسترسی خواهیم داشت نحوه محاسبه زمانی این نوع مدار بدین صورت می باشد که فرض کنید برای داشتن یک ولتاژ 12 ولتی در خروجی چاپر کمترین زمان لازم ما یک پا لس به طول 20 میکرو ثانیه نیاز باشد (کوچکترین قسمت قرمز رنگ سطر اول 1 ) برای داشتن همچین زمانی ما به یک کلاک 20 *10 = 200 us ) ) که مساوی با (50 khz) خواهد بود نیاز داریم خوب حالا کلاک اوسیلاتور را برای تولید همین فرکانس محاسبه و در جای خود قرار میدهیم .
این مدار مشگلات و معایبی دارد که برای امادگی و حضور ذهنی شما باید در اینجا تجزیه و تحلیل شود .
اگر هدف از طراحی یک مداری که به طور نسبی و متعارف در هر گام افزایشی و کاهشی ولتاژ ما فقط 12 ولت تغییر یابد (گام ثابت ) خوب مشگلی نبود و با تغییر هر قدم 12 ولت تغییر ولتاژ داشتیم ولی در یک منبع تغذیه عالی در ایده ما تغییرات باید قابل کنترل و به نسبت دلخواه ما تغییر یابد به عبارتی با برنامه ریزی بتوانیم در هر گام هر ولتاژی را قابل دست یابی کنیم مثلا یک ولتاژ 13/3 ولت داشته باشیم خوب مشاهده میکنید که این امر در این طرح قابل برنامه ریزی و کنترل نیست و اینجاست که به یک مدار دیگری به نام VCO نیاز داریم وبا توجه به خاصیت اینگونه مدارات حالا ما براحتی می توانیم گام های خروجی همین مدار بالا را طوری جمع کنیم که به ولتاژ های قابل کنترل و سینوسی دست یا بیم ویک راه رسیدن به این هد ف استفاده از مقاومت های سری و ترکیبی میباشد .
یعنی گام اول را مثلا با یک مقاومت 100 اهمی و دوم را 1 کیلو اهمی و……. شکل پایین را ببینید :
اگرقرار ما در طرح مورد نظرمان تولید موج سینوسی باشد برای شروع این بهترین ایده میباشد بدین طریق که با چهار برابر گرفتن طول زمان وبا استفاده از ترکیبی از مفاومت های مختلف میتوان در سیکل های 180 درجه و 270 و 360 درجه (شکل 5 برای 90 درجه طراحی شده است ) به یک موج سینوسی مانند که مجموعا از 40 پله شکل میگیرد را تولید و بعد توسط یک مدار ساده ار سی ریپل روی موج سینوسی را حذف و تقریبا به سینوسی کامل رسید البته برای اینکه تاپیک طولانی و خسته کننده نباشد در اینجا فقط یک چهارم ازتولید و ایجاد تمام یک شکل سینوسی مطرح گردید بقیه را دوستان خودتان میتوانید با تکرار همین روش کامل کنید .و اما مثل اینکه از بحث خارج شدم برگردیم و مدارات VCO را ادامه بدیم .شما اگر به همین شکل 5 دقیق نظر کنید متوجه خواهید شد که این سیکل ترکیبی ما حاصل یک ولتاژپله ای است که به تدریج به پیک رفته و دوباره به نقطه صفر و تکرار ان یک سیکل سینوسی را تشکیل میدهد پس متوجه باشید که با اعمال یک موج سینوسی به ورودی یک مدار VCO حاصل خروجی ان یک سیگنالی نسبی خواهد بود که کاملا وابسته به موقعیت پا لس ورودی خواهد بود وچنانکه توسط یک مدار دیگری (استیپ استوپ ) ما اگراین شکل موج پله ای (ایستپ) را در یک حالتی از موقعیت خود نگهداریم (استاپ) خروجی VCO هم تثبیت و یک سیگنال ثابت خواهد داشت که فقط در صورت تغییر پله ورودی خروجی ان تغییر خواهد کرد (مدار کنترلی ) و همه مطالب بالا که مقداری هم مفصل به نظر میرسد توسط یک میکرو کنترل 8051 خیلی ساده و راحت میتوان دست یافت امیدوارم با توضیحاتی که ارایه دادم به نحوه عمل کرد اینگونه مدارات پی ببرید برای این جلسه بیش از این وقت شریف دوستان را نمیگیرم تا جلسه بعدی که با میکرکنترل ها اشنا خواهیم شد و یکی دو جلسه دیگر شما را برای محاسبات یک مدار عملی اماده و منتظر میگذارم و این هم شکلی ازایسی پروگرامر و مقاومت های ترکیبی ان .
همانطور که می بینید این ایسی در داخل خود ارایشی از مدارات کامل اوسیلاتور OSC و مقایسه کننده خطا ی ولتاژ و جریان برگشتی feedback puls whide modolasionوکنترل و دتکتورتایم پالس deedtime و تصحیح خطا error amp و تقسیم کننده flip- flop و تقویت اولیه و…… داراست وجود مدار R C در پایه های 5&6 تعیین کننده فرکانس اوسیلاتور داخلی MASTER OSC می باشد جنانکه شکل موجی حاصل از خروجی مدار را به پایه شماره 4 فیدبک کنیم مقایسه کننده PWM این پالس را با نقطه شروع پالس مستر اوسیلاتور مقایسه کزده و در خروجی خود پالسی را با زمان مشخصی ظاهر خواهد کرد و همچنین ما میتوانیم با تقسیم مقاومتی ساده یک ولتاژ مرجعی را به پایه 2 وارد کرده و از خروجی یک ولتاژفیدبک مقایسه ای به پین 1 اعمال کنیم که حاصل این تطبیق خطا را به ورودی دیگر PWM اعمال کنیم تا کنترلی از نظردامنه ولتاژ در خروجی PWM داشته باشیم و از طرفی روی پایه های 15 & 16 با تقسیم مقاومتی مناسب میتوانیم مدار را نسبت به ولتاژ ورودی مدار حسا س کنیم که باز حاصل تمام این فعل و انفعالات درورودی های جمع کننده ای (گیت اور 4 ورودی ) موجود باشد برای کنترل جریان خروجی مدار. پایه های 12&14 هرکدام پالسهایی مناسب با دامنه تعریف شده را به دیگر ورودی های گیت اور اعمال کرده و بدین وسیله ما میتوانیم با محاسبه و انتخاب قطعات مناسب هر گونه کنترل اعم از جریان و ولتاژ و شکل موج (تایم استارت و تایم استاپ) ورودی و خروجی مدارتغذیه سویچینگ را تحت کنترل خود در اوریم قطعی یا هر گونه ناهماهنگی در هر یکی از ورودی های این گیت موجب قطع پالس های کنترلی در خروجی این گیت خواهد شد که ان هم به نوبت خود ورودی مدار فلیپ فلاپ را ریست و نهایتا خروجی مدار را قطع (خاموش ) خواهد کرد . فلیپ فلاپ بکار رفته به خاطر تولید دو سیگنال مکمل هم از فرکانس کاری مدار می باشد (برای درک بهتر عمل کرد اینگونه گیت ها به اصول کار فلیپ فلاپ ها در همین بخش مراجعه فرمایید ) بدین طریق میر سیم که حالا نوع سویچ کاری مدار ما ن را تعیین کنیم (پوش پول یا نیم موج ) اگر بخواهیم از پوش پول استفاده کنیم مدار فلیپ فلاپ در داخل ایسی بدین منظور تعبیه شده است نقش این فلیپ فلاپ انست که فرکانس ورودی را در دو سیکل که مکمل هم هستند در خروجی خود جهت اعمال به مدار تقویت کننده های نهایی اماده میکند و از این نظر مشگلی هم نخواهیم داشت و اما اگر از تقویت کننده های نیم سیکلی استفاده شود انوقت یکی از خروجی ها را nc یعنی بیکار و بلا استفاده گذاشته و از تقویت کردن یکی از خروجی های فلیپ فلاپ بهره میبریم . با توجه به مشهور بودن این ایسی و استفاده های مکرر در منبع تغذیه های کیس کامپیوتری و سویچینگ های معمول تشریح عمل کرد .
مدار فوق یک منبع تغذیه کنترلی دیجیتالی است که با اعمال 35 ولت DC در پین 1&2 ورودی و با انتخاب ولتاژ و جریان خروجی ان توسط دگمه های S1 ~ S4 از خروجی صفر الی 32 ولت با جریان حداکثر تا 2.5 امپر قابل کنترل را دارا می باشد تشریحی از مدار : با اعمال ولتاژ ورودی یک رگولاتور جریان پایین ولتاژ 5 ولتی را جهت تامین تغذیه مدار در نظر گرفته شده است و چون حداکثر ولتاژ ورودی قابل تحمل این رگولاتور طبق کاتالوگ سازنده در محدوده 22 ولت میباشد بنابراین با استفاده از یک دیود زنر یک واتی 8.5 ولتی و یا یک مقاومت 100 اهمی یک واتی جریان ورودی این رگولاتور را محدود و خازن های الکترولیتی ریپل و نوسانات جزیی مدار را خنثی میکنند توجه کنید که خروجی این رگولاتور صرفا جهت تغذیه مدارات داخلی این دستگاه در نظر گرفته شده است . در مرحله بعدی با یک ایسی پروگرامرایبل اتمگا 8 روبرو میشوید این ایسی با توجه به پیکر بندی پایه های ورودی و خروجی و هم چنین با اعمال (اپلود پروگرامر) سورس ان و مقاومت های ترکیبی دیگر پایه های ان اینک در خروجی خود یک پالس پلکانی که زمان هر پله (طول پالس) و تعداد پله ها توسط دگمه های کنترلی S1 ~S4 توسط کاربر(اپراتور)تعیین میگردد را به ورودی تقویت کننده های ولتاژ و جریان خروجی که توسط Q1 ~ Q4 و قطعات جانبی انها تکمیل میشود را به ترمینال خروجی دستگاه تحویل میدهد و همزمان از طریق خروجی دیگر این ایسی انجام نوع عملیات ومقدار عددی ولتاژ و جریان خروجی را توسط یک مدارنشانگر مالتی پلکسر از نوع LCD را در معرض نمایش کاربر قرار میدهد سورس پروگرام ایسی فوق با اتصال 5 رشته سیم در روی کانکتور CONN1 اعمال میشود ولی چنانکه بخواهیم این دستگاه ما قابل کنترل از طریق راه دور شود باز میتوان از طریق یک پروگرامر مادون قرمز یا هر وسیله دیگر ی که قادر به انجام این اعمال باشد را از طریق پایه های کانکتور CONN2 وارد ایسی پروگرامریبل کرده و با استفاده از یک ریموت کنترل مناسب دستگاه منبع تغذیه دست ساخت خودمون را از راه دور کنترل نماییم . مقدار های عددی تمام قطعات مورد استفاده در مدار روی نقشه مشخص شده است برای ترانس ورودی مدار نیز یک ترانس با ورودی 230/220 ولت برق شهر و با خروجی حدود 30 ولت و 4 امپر از نوع کاهنده هسته اهنی ویک دیود پل 10 امپری در نظر بگیرید .
یک مثال :
در این آموزش می خواهیم با کمک همدیگر منبع تغذیه DC طراحی کنیم.
شکل زیر یک منبع تغذیه DC با استفاده از صافی خازنی و تثبیت کننده ولتاژ دیود زنر است :
مساله بدین صورت است که می خواهیم در دو سر مقاومت بار (RL ) ولتاژ ثابت DC 5.1 ولت را داشته باشیم. به منظور رسیدن به این ولتاژ باید مقادیر خازن C ، مقاومت R و تعداد دور ثانویه ترانسفورماتور را بدست آوریم.
برای انجام محاسبات ابتدا اطلاعات مساله را با هم مرور می کنیم. اطلاعات مساله به صورت زیر است :
ورودی:
برق شهر ( منبع سینوسی با دامنه و فرکانس 50Hz )
ترانسفورماتور ایده آل ( Ideal Transformer ) :
کوپلاژ : 0.99
تعداد دور اولیه : 2000 تعداد دور ثانویه : n2 مجهول
یکسوساز پل دیود با دیود D1N4001 که هرکدام ولتاژ آستانه دارند.
خازن C با مقدار مجهول
مقاومت R با مقدار مجهول
دیود زنر با مشخصات زیر ( بر گرفته شده از دیتاشیت )
ولتاژ زنر: Vz = 5.1
مینیموم جریان زنر ( جریان زانو ) : Izk = 250µA = 0.25mA
ماکسیمم توان : Pz,max = 0.5W
مقاومت بار RL=50 اهم
الف) مقدار حد پایین ولتاژ دو سر خازن را بدست آورید:
در این قسمت باید به ناحیه کاری دیود زنر توجه کنیم. ابتدا باید ببینیم برای اینکه ولتاژ دوسر مقاومت RL مقدار 5.1 باشد چه جریانی می بایست از آن بگذرد. با یک تقسیم ساده داریم.
برای اینکه دیود زنر در ناحیه کاری خود باشد باید جریان گذرنده از آن در رنج حد گایین و بالای آن باشد. حد پایین جریان زنر با توجه به دیتاشیت آن 0.25mA است و برای به دست آوردن حد بالای آن داریم :
حال که مقادیر حد بالا و پایین جریان زنر را داریم باید حد بالا و پایین جریان گذرنده از مقاومت R که همان مجموع جریانهای زنر و مقاومت بار است را بدست آوریم که همان جریان IDC در محاسبه مقدار ریپل مدار است ، داریم :
همچنین برای این جریان داریم :
نکته مبهم این قسمت بدست آوردن مقدار مقاومت R می باشد. به نظر شما باید چه کرد؟ ابتدا فکر کنید و بعد ادامه مطلب را بخونید… . نکته ای وجود ندارد! ما می توانیم هر مقاومتی که خواستیم ( البته معقولانه و با توجه به محدودیت در ولتاژ ورودی ) به جای R بگذاریم. در این معادله برای داشتن مقدار جریانی خاص دو مجهول مقدار مقاومت و حد پایین ولتاژ خازن را داریم و می توانیم مقاومتی به جای R قرار دهیم و با توجه به آن حد پایین ولتاژ خازن را بدست آوریم . می دانیم که در محیا کردن این ولتاژ قادر خواهیم بود خازن و تعداد دور ثانویه ترانسفورماتور را مشخص کنیم و در نتیجه دست ما برای مشخص کردن مقاومت R تا حدودی باز است. من خودم مقدار R را 100 اهم در نظر گرفتم و محاسباتم را با این مقدار ادامه می دهم.
در نتیجه حدپایین ولتاژ خازن می شود :
الف حل شد بریم ب!!؟؟
ب) با فرض حداکثر ولتاژ 4 ولت قله به قله مقدار حداقل طرفیت خازن را محاسبه کنید. مقدار متوسط ولتاژ دو سر خازن چه مقداریست؟
برای ولتاژ ریپل قله به قله ( peak-to-peak ) این فرمول را داریم :
مقدار متوسط ولتا دو سر خازن برابر است با حد پایین ولتاژ دو سر آن بعلاوه نصف دامنه ریپل :
ج) یکسو ساز را از نوع پل ( Bridge ) غیر ایده آل در نظر بگیرید. تعداد دور لازم برای ثانویه ترانسفورماتور را بدست آورید.
برای بدست آوردن تعداد دور ثانویه ترانسفورماتور باید حد بالای ولتاژ خازن را محاسبه کنیم. برای حد بالای ولتاژ دوسر خازن معادله زیر را داریم :
همانگونه که می دانیم دیودهای یکسوساز بکار رفته در مدار ایده آل نبوده و افت پتانسیل ایجاد می کنند لذا باید افت پتانسیل دوسر آنها را نیز برای حد بالای ولتاژ ثانویه ترانس مدنظر بگیریم. داریم :
در نتیجه حد بالای ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور باید 21.5 ولت باشد :
تا اینجا همش فرمول بود و معادله! در آخر با همیاری همدیگر مدار را در نرم افزار PSpice شبیه سازی می کنیم تا از صحت عملکرد آن مطمئن شویم.
در این شبیه سازی به المانهای زیر نیاز داریم.
منبع ولتاژ ورودی سینوسی ( VSIN ) با دامنه 311 و فرکانس 50Hz و مقدار DC صفر ( کتابخانه Source )
ترانسفورماتور K3019PL_3C8 با کوپلاژ 0.99 ، تعداد دور اولیه 2000 و 138 دور ثانویه ( کتابخانه های Analog و Breakout )
4 عدد دیود یکسوساز D1N40001 ( کتابخانه Diode )
خازن 255μF ( کتابخانه Analog )
مقاومتهای R = 100Ω و RL = 50Ω ( کتابخانه Analog )
دیود زنر D1N5231
در این طراحی تنها مشکل ما گذاشتن ترانسفورماتور است. برای این کار در قسمت قطعات کتابخانه های Analog و Breakout را اضافه کنید. برای ترانس به دنبال قطعه ای با نام XFRM_NONLINEAR بگردید :
آن را قرار می دهیم و به سراغ تغییر مشخصات آن می رویم. بر روی آن دوبار کلیک کنید تا پنجره مشخصات آن باز شود.
طبق چیزی که استاد گفته باید از ترانسفورماتور K3019PL_3C8 استفاده کنیم. حال سوال اینجاست که چرا ما از قطعه ای به نام XFRM_NONLINEAR استفاده کردیم؟ جواب اینجاست که این قطعه شکل مداری ترانس ایده آل را در اختیار ما قرار می دهد و خود این قطعه دارای مشخصه ایست که پیاده سازی ( Implementation ) مدل ترانس را انجام می دهد و ترانس مورد نظر ما را K3019PL_3C8 پیاده سازی می کند. به سراغ مشخصات ترانسفورماتور ایده آل می رویم و مقدار Implementation را K3019PL_3C8 ، تعداد دور اولیه ( L1_Turns ) را 2000 و تعداد دور ثانویه ( L2Turns ) را 138 و مقدار کوپلاژ ( Coupling ) را 0.99 می گذاریم :
در این طراحی باید توجه کرد که چون PSpice از روش گره برای تحلیل مدارها بهره می برد هنگام تحلیل این مدار باید تمام گره های گراف معادل آن مسیری به گره زمین داشته باشند و در این مدار میبینیم که قسمتهای ترانسفورماتور ایزوله هستند و یک طرف آن به گره زمین متصل نیست. برای برطرف کردن این مشکل مقاومتی با مقدار بالا در حد 10 مگا اهم بین دو پایه ترانس قرار می دهیم تا مشکل گره شناور از بین برود. همچنین در طرف راست ترانس میبینیم که ترانس مستقیما به منبع ولتاژ متصل شده و به دلیل صفر بودن مقاومت ترانسفورماتور ایده آل جریان گذرنده از آن بینهایت می شود ، برای رفع این مشکل نیز از یک مقاومت چند میلی اهمی در مسیر ترانس استفاده می کنیم. مدار چیزی به صورت زیر می شود:
به سراغ تحلیل مدار می رویم. تحلیل این مدار از نوع Time Domain ( Transient) است. برای بهتر دیده شدن تغییرات خروجی مقدار زمان تحلیل ( TSTOP ) را 0.5 ثانیه و گام زمانی را 10 میکروثانیه می گذاریم ( از علامت u استفاده کنید )
شکل زیر بزرگ شده نمودار ولتاژ دوسر مقاومت بار ( RL ) بعد از طی حالت گذرای مدار است :
همانگونه که می بینید این ولتاژ کاملا صاف نیست و حتی با استفاده از دیود زنر نیز مقداری جزیی ریپل در حد 0.05 است که مقدار بسیار خوبی است.
تنها مشکل بنده در این قسمت ریپل دو سر خازن است که در خروجی اسپایس بدین صورت است:
با توجه به خروجی بدست آمده مقدار ریپل دو سر خازن چیزی در حدود 3.8 ولت است و تا مقدار 4 ولت مقداری اختلاف وجود دارد.
تنظیم کننده های ولتاژ
در اکثر آزمایشگاههای برق از منابع تغذیه برای تغذیه مدارهای مختلف الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال استفاده می شود . تنظیم کننده های ولتاژ در این سیستم ها نقش مهمی را برعهده دارند زیرا مقدار ولتاژ مورد نیاز برای مدارها را بدون افت و خیز و تقریباً صاف فراهم می کنند .
منابع تغذیه DC ، ولتاژ AC را ابتدا یکسو و سپس آن را از صافی می گذرانند و از طرفی دامنه ولتاژ سینوسی برق شهر نیز کاملاً صاف نبوده و با افت و خیزهایی در حدود 10 تا 20 درصد باعث تغییر ولتاژ خروجی صافی می شود.
از قطعات مورد استفاده برای رگولاتورهای ولتاژ می توان قطعاتی از قبیل ، ترانسفورماتور ، ترانزیستور ، دیود ، دیودهای زنر ، تریستور ، یا تریاک و یا آپ امپ (op Amp) و سلف (L) و خازن (C) و یا مقاومت (R) و یا ICهای خاص را نام برد .
* عوامل موثر بر تنظیم ولتاژ :
عوامل مختلفی وجود دارند که در تنظیم ولتاژ در یک تنظیم کننده موثرند از جمله این عوامل را می توان ، تغییرات سطح ولتاژ برق ، ریپل خروجی صافیها، تغییرات دما و نیز تغییرات جریان بار را نام برد .
الف)* تغییرات ولتاژ ورودی :
در تمامی وسایل الکترونیکی و یا سیستم های الکترونیکی و مکانیکی و غیره و در تمامی شاخه های علمی طراحان برای اینکه یک وسیله یا سیستم را با سیستم های مشابه مقایسه کنند معیاری را در نظر می گیرند که این معیار در همه جا ثابت است .
در یک تنظیم کننده معیاری به نام تنظیم خط وجود دارد که میزان موفقیت یک تنظیم کننده ولتاژ در کاهش تغییرات ولتاژ ورودی را با این معیار می سنجند و به صورت زیر تعریف می کنیم :
فرمول (1ـ2)
که در آن ، تغییرات ولتاژ ورودی ، تغییرات ولتاژ خروجی ، ولتاژ خروجی متوسط (DC) می باشد .
ب)تغییرات ناشی از تغییر دما :
یکی دیگر از عاملهای تعیین کننده در یک تنظیم کننده ولتاژ خوب تغییرات ناشی از دماست .
معیاری که تغییرات نسبی ولتاژ را برحسب دما بیان می کند ضریب دمای تنظیم کننده نام دارد که آن را با T.C نشان می دهیم و بصورت زیر تعریف می شود :
(فرمول 2-2)
T.C = Temperature coefficient
در رابطه فوق ، تغییرات ولتاژ خروجی در اثر تغییرات دمای و مقدار متوسط (DC) ولتاژ خروجی است .
معمولاً TC برحسب (Parts – per – million) بیان می شود و به صورت زیر تعریف می شود .
(فرمول 3-2)
در زیر چند نمونه از مقادیر ، ، و … برای بعضی از سری IC های رگولاتور ولتاژ آورده شده است .
T.C
Input voltage range
Type
0.3%
0.5%
0.1%
Max
Min
S.F.C 2100m
40
8.5
0.3%
0.1%
0.1%
40
8.5
S.F.C 2200m
0.3%
1
0.056%
-8
-50
S.F.C 2204
Linear integrated circuits voltage regulators
ج)تغییرات ناشی از تغییر بار :
اکثر دانشجویان در آزمایشگاه با این مسئله روبرو شده اند که وقتی ما ولتاژی را از یک منبع می گیریم و با مالتی متر اندازه گیری می کنیم ( چه در حالت DC و چه در حالت ac ) وقتیکه به مدار وصل می کنیم مقدار آن با حالت بدون بار کمی اختلاف دارد ، دلیل آن تغییر بار است ، چون وقتی به مدار وصل نیست (بار) و وقتی به مدار وصل می شود بار تا مقدار خیلی زیادی کم می شود در حقیقت مقاومت بار تنظیم کننده ولتاژ ، مقاومت ورودی مداری است که از بیرون به آن متصل می شود و بنابراین می تواند تغییرات نسبتاً وسیعی داشته باشد .
در یک تنظیم کننده ولتاژ ایده آل مقاومت داخلی صفر است تا تغییر مقاومت بار تاثیری در ولتاژ خروجی آن نداشته باشد . در عمل تنظیم کننده ها دارای مقاومت داخلی کمی هستند و به همین دلیل کمی ولتاژ خروجی را تحت تاثیر قرار می دهند .
میزان این تاثیرپذیری را با معیاری به نام تنظیم بار یا ، نشان می دهیم که بصورت زیر تعریف می شود .
فرمول (4-2)
: ولتاژ در بار کامل (حداکثر بار ) .
: ولتاژ در بی باری .
* قسمتهای مختلف یک تنظیم کننده
الف)ترانسفورماتور:
جریان متناوب با دامنه و بسامد ثابت ، منبع اولیه انرژی الکتریکی است ( در بسیاری از کشورها و از جمله ایران و اروپا منبع سینوسی با ولتاژ موثر 220 ولت و فرکانس 50 هرتز به کار می رود و در ایالات متحده این منبع سینوسی با ولتاژ موثر 110 تا 220 ولت وفرکانس 60 هرتز می باشد ) تقریباً همه مدارهای الکترونیکی برای تضمین کارکرد مناسب به ولتاژهای ثابت نیاز دارند.
برای مثال ، بیشتر ریزکامپیوترها به منبع های 5 ولتی قادر به تامین جریان A 100 نیاز دارند . دیگر سیستمهای سیگنال ـ پرداز اغلب به منبع های 12 و 15 ولتی نیاز دارند که در آنها جریان حاصل با شرایط بار تغییر می کند به علاوه بیشتر محرکهای موتور و سیستمهای کنترل به منبع های dcیی نیاز دارند که سطوح ولتاژ آنها را می توان برای برآوردن شرایط کار مطلوب تنظیم کرد .
وظیفه ترانسفورماتور ، تنظیم سطح ac به گونه ای است که دامنه dc مناسب بدست آید که ترانسفورمر می تواند از نوع افزاینده یا کاهنده باشد و ظرفیت توانی که می تواند جابجا کند باید برای تغذیه بار کافی باشد و اتلافهای یکسوساز ، پالایه و تنظیم کننده را تامین کند . نسبت دورها ، از دامنه خروجی لازم نسبت به دامنه ورودی ac بدست می آید .
ب)یکسوسازها
بعد از ترانسفورماتور ، در یک منبع تغذیه ، یکسو کننده وجود دارد . وظیفه یکسوکننده تبدیل ولتاژ سینوسی به سیگنال dc پالسی است .
* یکسوساز نیم موج :
با استفاده از یکسوکننده های نیم موج می توان نیم سیکلهای مثبت یا منفی یک ولتاژ متناوب را حذف نمود . ولتاژ ورودی VI معمولاً توسط یک ترانسفورماتور ورودی تامین می شود . چنانچه از ولتاژ آستانه هدایت دیود صرفنظر کنیم در نیم سیکلهای مثبت ولتاژ ورودی ، دیود هدایت نموده و می توان آن را بصورت یک مقاومت کوچک درنظر گرفت بنابراین جریان (i) در این نیم سیکلها از تقسیم VIبر مجموع مقاومت های و بدست می آید .
اگر ولتاژ ورودی دارای شکل موج سینوسی با دامنه باشد دامنه جریان از تقسیم بر مجموع مقاومتهای و بدست می آید .
اگر در مدار یک آمپرمتر DC به صورت سری قرار گیرد این آمپرمتر مقدار متوسط جریان را نشان خواهد داد . با توجه به تعریف مقدار متوسط یک تابع متناوب داریم :
فرمول (5-2)
در انتگرال فوق به جای متغیر (t) از متغیر استفاده شده است .
ولتاژ DC دوسر مقاومت ، از ضرب مقاومت در جریان بدست
می آید ، که جریان نیز از تقسیم بر عدد همانطور که در رابطه (1) بدست آمد ، بدست می آید . در مورد ولتاژ دوسر دیود دو حالت وجود دارد ، اولاً هنگامیکه دیود قطع است ، تمام ولتاژ ورودی در دوسر دیود ظاهر
می شود و ثانیاً ، اگر دیود هدایت کند ولتاژ لحظه ای دوسر دیود ، بوده بنابراین ولتاژ دوسر دیود عبارت است از :
فرمول (6-2)
مقادیر موثر جریان و ولتاژ نیز از روابط زیر بدست می آید:
فرمول (7-2)
فرمول (8-2)
* بازده یکسوکننده نیم موج :
نسبت توان DC تحویلی به مقاومت بار به توان متوسط ورودی را می توان به عنوان بازده یکسوکننده تعریف نمود که برابر است با :
فرمول (9-2)
* یکسوساز تمام موج :
مدار یکسوساز تمام موج در حقیقت از 2 مدار نیم موج تشکیل شده که هرکدام
در یکی از نیم سیکلهای ولتاژ سینوسی ورودی هدایت می کند ، در نیم سیکل مثبت ولتاژ ورودی ، فقط دیود هدایت نموده و جریان را از مقاومت بار عبور می دهد و در نیم سیکل منفی ولتاژ ورودی ، دیود هدایت نموده و جریان به مقاومت بار می رسد .
* مقادیر متوسط جریان و ولتاژ :
اگر مدار یکسوساز تمام موج را با یکسوساز نیم موج مقایسه کنیم متوجه می شویم که جریان در مدار تمام موج 2 برابر حالت نیم موج است .
و ولتاژ DC نیز از ضرب جریان بدست آمده بالا در مقاومت بدست می آید .
* حداکثر ولتاژ معکوس :
در یکسوکننده نیم موج دیدیم که وقتی دیود D در حالت قطع قرار می گرفت تمامی ولتاژ ورودی بر روی آن ظاهر می شد و بنابراین حداکثر ولتاژ معکوس دیود برابر بود .
در یکسوکننده تمام موج وقتی دیود قطع است دیود در حالت هدایت بوده و تقریباً اتصال کوتاه است و ولتاژ دوسر دیود برابر می باشد و برای دیود نیز وقتی که دیود وصل است ، دیود قطع و اوج ولتاژ معکوس برابر می باشد . بنابراین باید بدانیم که در انتخاب دیودها برای مدار یکسوکننده تمام موج ، اندازه ولتاژ شکست دیود از بیشتر باشد تا دیود وارد ناحیه شکست نشود .
* صافی خازنی :
در شکلهای مدارهای یکسوکننده که شکل موج ولتاژ خروجی در این مدارها با شکل موج ولتاژ ورودی تفاوتی اساسی پیدا نموده و در واقع این مدارهای یکسوکننده از یک ولتاژی که شامل هیچ گونه مولفه DC نیست یک ولتاژ DC توام با ریپل (ripple) یا به عبارتی ناصاف بوجود می آورد . برای حذف ریپل موجود در خروجی یکسوکننده می توان از صافی خازنی استفاده کرد اینکار بوسیله موازی کردن یک خازن با مقاومت در مدار مثلاً یکسوکننده نیم موج بدست می آید . این صافی در حقیقت مانع رسیدن فرکانسهای بالای موجود در شکل موج ورودی ، به مقاومت بار گردیده و با این عمل به صاف تر شدن ولتاژ خروجی کمک می کند (صافی پایین گذر) .
مباحث کلی درباره فیلتر
یک مدار یکسوساز برای تبدیل سیگنالی با مقدار متوسط صفر به مقدار متوسط غیرصفر مورد نیاز است . البته ، ولتاژ dc ضربان دار بدست آمده ، کاملاً dc نیست و حتی نمونه قابل قبولی از آن نمی باشد . اگرچه در مداری نظیر یک شارژ باطری ، ضربان دار بودن مشکل بزرگی نیست ، با این وجود ، برای مدارات منبع تغذیه یک رادیو ، ضبط صوت ، کامپیوتر و دیگر دستگاههای الکترونیک ضربان با فرکانس 50 سیکل روی ولتاژ dc خروجی ظاهر می شود و در اثر آن کار کلیه مدارت نادرست انجام می گیرد . در چنین موردی و موارد گوناگون دیگر dc بدست آمده بایستی صاف تر از ولتاژی باشد که مستقیماً از یکسوساز نیم موج یا تمام موج بدست می آید .
فیلتر رگولاسیون ولتاژ و ولتاژ موجک
قبل از ورود به جزئیات مدار فیلتر ، بایستی روش متداول ارزیابی مداری که اثر آن را به عنوان یک فیلتر مورد مقایسه قرار می دهیم بدقت ملاحظه شود . اگرچه باطری علی الاصول دارای ولتاژ خروجی dc یا پیوسته است ، ولتاژ بدست آمده از منبع ac با یکسوسازی و فیلتر کردن ، دارای مقداری ریپل یا موجک خواهد شد .هر اندازه تغییرات ac نسبت به سطح dc کمتر باشد ، عمل فیلتر بهتر صورت گرفته است .
فرض کنید ولتاژ مدار فیلتر را با یک ولتمتر dc و یک ولتمتر ac اندازه گیری کنیم . در آن صورت ولتمتر dc تنها مقدار متوسط یا سطح dc ولتاژ خروجی را نشان خواهد داد و ولتمتر ac فقط مولفه rms ولتاژ ac را اندازه گیری خواهد کرد (با فرض اینکه سیگنال از طریق یک خازن به ولتمتر اخیرالذکر منتقل شود) .
تعریف : موجک یا ریپل
مثال : برای اندازه گیری سیگنال خروجی یک مدار فیلتر ، با استفاده از یک ولتمتر dc و ac ، ولتاژ dc برابر 25V و ولتاژ موجک (1.5 V) ولت (موثر) بدست آمده است . موجک خروجی فیلتر را حساب کنید .
اگر اندازه ولتاژ در بار کامل درست به اندازه ولتاژ در بی باری باشد ، رگولاسیون ولتاژ یا تنظیم بار محاسبه شده 0% است که بهترین صورت ممکن می باشد . این به آن معنی است که منبع ولتاژ مستقل از جریان کشیده شده عمل می کند و دارای ولتاژ ثابتی است . ولتاژ خروجی اغلب منابع تغذیه با کشیده شدن جریان کاهش می یابد . کاهش کمتر ولتاژ به معنی کار بهتر مدار منبع تغذیه است .
ضریب موجک سیگنال یکسوشده
ولتاژ یکسوشده یک ولتاژ صاف نیست و بنابراین خروجی دارای مولفه dc و نیز موجک است . ملاحظه خواهید کرد که سیگنال یکسوساز تمام موج نسبت
به یکسوساز نیم موج دارای مولفه dc بیشتر و موجک (ریپل) کمتری است .
زمان ، زمانی است که در آن دیودهای یکسوساز تمام موج هدایت می کنند و خازن فیلتر را تا مقدار قله (نوک) ولتاژ ورودی ، شارژ می کند . زمانی است که در طول آن ولتاژ یکسو شده تا پایین تر از ولتاژ نوک افت می کند و خازن در بار تخلیه می گردد . چون سیکل شارژ ـ دشارژ در هر نیم سیکل یک یکسوکننده تمام موج اتفاق می افتد ، بنابراین زمان تناوب شکل موج یکسو شده ، یعنی نصف فرکانس سیگنال ورودی است .
که در آن ، جریان به میلی آمپر ، C ظرفیت به میکروفاراد ، و به کیلواهم است .
مثال : ولتاژ موجک یک یکسوساز تمام موج را بدست آورید که ظرفیت خازن فیلتر آن و جریانی که بار می کشد ، 80 m A باشد .
که در آن ولتاژ نوک یکسوساز ، جریان بار بر حسب میلی آمپر ، و C ظرفیت خازن به میکروفاراد است .
پریود هدایت دیود و جریان قله دیود
از مباحث قبل روشن می شود که ظرفیت بالاتر خازن بدلیل فیلتر بهتر ، موجک کمتر و ولتاژهای متوسط زیادتری را سبب می شود . از این گفته ممکن است چنین نتیجه گیری شود که برای بهبود کار یک خازن فیلتر ، لازم است اندازه خازن را بزرگ انتخاب کنیم . البته خازن بر جریان نوک که از دیود یکسوساز می گذرد نیز اثر می گذارد و چنانکه خواهیم دید ، از ظرفیت بزرگتر خازن برای بالا بردن جریان نوک که از دیود یکسوکننده عبور می کند ، نیز استفاده می شود .
دیودها در این پریود ، متوسط جریان مورد نیاز شارژ خازن را بدست می دهند . هرچه این زمان کوتاهتر باشد ، مقدار جریان شارژ بیشتر می شود . توجه کنید که مقادیر کوچکتر خازن ، با بزرگتر ، جریان نوک دیود کمتر از جریان نوک دیود در خازن با ظرفیت بیشتر است .
از آنجا که جریان متوسط دریافتی از منبع تغذیه بایستی معادل متوسط جریانی باشد که از دیود در پریود شارژ می گذرد .
موجک دوسر یک خازن فیلتر را با استفاده از یک فیلتر RC می توان کاهش داد . علت استفاده از شبکه اضافی RC ، عبور هرچه بیشتر مولفه dc ولتاژی است که در دوسر خازن فیلتر بدست آمده است و ضعیف کردن مولفه ac موجکی است که ممکن است در دوسر خازن فیلتر وجود داشته باشد . مدار یکسوکننده تمام موج ، به همراه خازن فیلتر و مدار فیلتر RC را نشان می دهد . کار مدار فیلتر با استفاده از قانون بر هم نهش (superposition) قابل محاسبه است .
* تنظیم کننده های ولتاژ ساده :
تنظیم کننده های ولتاژ ساده تنظیم کننده هایی هستند که از یک دیود زنر برای ثابت نگه داشتن ولتاژ استفاده می شود یعنی عنصر تنظیم کننده ولتاژ همان دیود زنر است . در طراحی مدار یک تنظیم کننده ساده برحسب وضعیت ولتاژ و جریان مورد نظر تنظیم کننده را بصورت موازی و یا سری با مقاومت بار (خروجی) قرار می دهند . حالت اول را تنظیم کننده موازی و حالت دوم را تنظیم کننده سری می نامند . در مدار سری جریان خروجی تنظیم کننده از مقاومت بار می گذرد در حالی که در وضعیت موازی تنظیم کننده موازی با بار قرار دارد و فقط بخشی از جریان ورودی از آن عبور می کند . معمولاً از تنظیم کننده موازی در مواردی که با ولتاژهای متوسط و یا کم و نیز جریان های زیاد و بار نسبتاً ثابت سروکار داریم استفاده می شود زیرا در این صورت نیاز به دیود زنر با ولتاژ و جریان خیلی زیاد نخواهیم داشت . در مواردی که ولتاژ مورد نظر زیاد است و جریان بار کم و یا متوسط بوده و یا به علت تغییر مقاومت بار متغیر است تنظیم کننده سری مناسب تر است .
الف ) تنظیم کننده موازی
ب ) تنظیم کننده سری
ج ) یک تنظیم کننده ساده با دیود زنر
قسمت سمت چپ مقاومت Rl را با مدار معادل تونن جایگزین می نماییم . توجه کنیم که با دیود زنر بصورت یک منبع ولتاژ که با مقاومت rz سری است برخورد می نماییم .
محدودیت تنظیم کننده ساده :
در یک تنظیم کننده ولتاژ است اگر چه تغییرات ولتاژ ورودی ناچیز است ولی جریان بار ثابت نمی باشد . تغییرات جریان بار باید همگی توسط دیود زنر تحمل شود لذا در مواردی که تغییرات جریان بار زیاد باشد استفاده از یک دیود زنری با بزرگ و در نتیجه Pz ,max بزرگ ضرورت دارد و استفاده از یک دیود زنر با Iz , max بزرگ موجب می شود که هنگام بی باری تمامی جریان از دیود زنر عبور کرده و تلفات حرارتی آن زیاد شود . این امر باعث کاهش عمر دیود زنر و همچنین کاهش بازده تنظیم کننده می شود برای رفع این اشکال می توان با اضافه نمودن یک طبقه امیتو فالوئر در خروجی مدار تغییرات جریان را تقویت نمود همان طور که می بینیم در این حالت ولتاژ خروجی به اندازه VBE( oN) تراتوسیتور از کمترخواهد بود .
تنظیم کننده های ولتاژ پیشرفته :
اگر چه استفاده از تنظیم کننده های ولتاژ ساده در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی ارزان قیمت متداول است ، ولی در منابع تغذیه تجارتی که تنظیم ولتاژ بهتر و دقیقتر و نیز ولتاژ خروجی قابل تغییر مورد نیاز است ، از تنظیم کننده های پیشرفته تری استفاده شود . در این مدار از فیدبک منفی ولتاژ – سری استفاده شده است . تقویت کننده دارای بهره ولتاژ و امپرانس ورودی بزرگ می باشد .
در صورتیکه دقیق و پایدار بوده و مقاومتهای دقیق و با تغییرات حرارتی کم باشند ، ولتاژ خروجی از پایداری و ثبات مطلوبی برخوردار خواهد بود ، با تغییر مناویب B می توان به ولتاژ خروجی مورد نظر دست یافت .
مدار نمونه بردار :
این مدار می تواند به سادگی از یک تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده باشد که در دو سر آن ولتاژ خروجی را ببیند و سر وسط جریانی نکشد . ولتاژ نمونه برداری شده از سر وسط به یک مدار با امپرانس ورودی بزرگ داده می شود تا جریان این سو قابل صرف نظر باشد .
مدار مقایسه کننده :
مدار مقایسه کننده می تواند یک تقویت کننده تفاضلی و یا یک تقویت کننده عملیاتی باشد . انتخاب دوم به دلیل امپرانس ورودی زیاد آن از نظر عملکرد بهتر مدار نمونه بردار و ولتاژ مرجع برتری دارد .
تقویت کننده DC :
اگر در بخش مقایسه کننده از یک تقویت کننده عملیاتی استفاده شود ، سیگنال تفاضل به اندازه کافی تقویت می شود و تقویت کیتره اضافی ضرورت ندارد چنان چه مقایسه کننده یک تقویت کننده تفاضلی باشد ، استفاده از یک مدار مناسب ( معمولاْ یک تراترسیتور در حالت امیتر مشترک ) در بسیاری از موارد الزامی است .
مدار کنترل :
مدارکنترل بوسیله ولتاژ خروجی تقویت کننده ، جریان خروجی را کنترل می کند . که این بخش در مدارهای تنظیم ولتاژ از یک تراترسیتور و یا یک زوج دار لینگتون تشکیل می شود . عنصر خروجی می تواند بصورت موازی یا سری با خروجی قرار گیرد . در حالت اول تنظیم کننده را تنظیم کننده ولتاژ موازی می نماند از این نوع تنظیم کننده معمولاْ در جریانهای زیاد و ولتاژهای خروجی کم و متوسط استفاده می شود . در ولتاژهای خروجی زیاد و جریانهای کم و متوسط تنظیم کننده های سری را به کار می برند در این تنظیم کننده ها عنصر کنترل به صورت سری با خروجی قرار می گیرد .
مدار ولتاژ مرجع :
ساده ترین مدار ولتاژ مرجع از یک دیود زنر تشکیل می شود این عنصر با تغییر جریان خود ولتاژ دو سرش را تقریباْ ثابت نگه می دارد . ولتاژ شکست دیود زنر ، علاوه بر تغییر با جریان تابع دما نیز می باشد تغییرات ضریب دمای ( T C ) بر حسب ولتاژ شکست و جریان دیود زنر نشان داده شده است . بر اساس بررسیهای انجام شده ، پایدارترین دیود زنرها دارای ولتاژ شکست حدود 6 ولت می باشند در صورتی که دستیابی به یک ولتاژ مرجع پایدار مورد نظر بوده و ولتاژ آن چندان مهم نباشد ، بهتر است از یک دیود زنر 6/5 ولت سری شده با یک دیود سیلیکن معمولی در بایاس مستقیم استفاده شود . در این ولتاژ ضریب دمای ثبت دیود زنر ضریب دمای دیود معمولی را خنثی می کند . با تغییر جریان دیود زنر می توان تا اندازه ای ضریب دمای دیود را تنظیم نمود بعضی دیود زنرها بطور داخلی با یک دیود معمولی سری نشده و در واقع تغییرات حرارتی آنها جبران شده است . از زمره این دیود زنرهای سری21 Nn 1 را می توان نام بردکه با ولتاژ شکست 2/6 ولت دارای ضریب دمایی بین ppm /c 5 دیود (21 Nn 1 ) تا ppm /c 100 ( 29 Nn 1 ) می باشند . دیودهای 940 N 1 و 946 N 1 با ولتاژهای 9 و 7 /11 ولت دارای ضریب دمای ppm /c 2 می باشند که به راحتی با سری شدن با یک دیود معمولی قابل جبران هستند . دیود زنرهای موجود در بازار عموماْ ولتاژهای شکستی بین 5/2 تا 200 ولت دارند با توان نامی چند دهم تا 50 وات در مواردی که به ولتاژهای مرجع کوچکتر نیاز است از سری کردن دیودهای معمولی و یا از دیودهایLED با رنگهای مختلف استفاده می شود . برای بهبود عملکرد مدار ولتاژ مرجع می توان از 2 دیود زنر استفاده نمود . در این مدار از میزان اثر تغییرات ورودی در جریان دیود زنر دوم تا حد زیادی کاسته شده است . یک راه اساس تر این است که دیود زنر توسط یک منبع جریان ثابت تغذیه شود . دیود زنر ولتاژ بیش 1Q ثابت نگه داشته و در نتیجه باعث ماندن جریان عبوری از دیود زنر مرجع یعنی 2D می شود . برای بهبود بیشتر عملکرد این مدار سعی می شود که از طریق یک تراترسیتور دیگر ( 2Q) جریان 1D نیز ثابت نگه داشته شود . جریان مقاومت 2R توسط 2D تثبیت شده و این جریان که تقریباْ همان جریان دیود 1D است باعث تثبیت ولتاژ آن می شود . این کار به نوبه خود جریان تراترسیتور 1Q و در نتیجه جریان دیود مرجع 2Q را ثابت نگه می دارد و از این طریق یک ولتاژ مرجع قابل اطمینان حاصل می شود . در طراحی مدارهای ولتاژ مرجع می توان از تقویت کننده عملیاتی نیز کمک گرفت . در شروع کار مدار ، دیود زنر قطع و فیدبک مثبت غالب است و باعث افزایش ولتاژ دو سر دیود می شود . پس از اینکه این ولتاژ به مقدار رسید ، فیدبک منفی کنترل مدار را در دست می گیرد . در این مدار می توان از یک دیود زنر با ولتاژ شکست پایدار مثلاْ با استفاده نمود و با انتخاب مقادیر مناسب برای مقاومتهای 1R و 2R به ولتاژ مرجع مورد نظر دست یافت . مقاومتهای به کار رفته و زین مدار باید حتی الامکان از میان مقاومتهای دقیق انتخاب شوند در این مدار جریان دیود زنر از طریق مقاومت 3 R تامین می شود و دارای مقدار ثابتی می باشد زیرا ولتاژهای دو سر این مقاومت یعنی و ثابت می باشند . می توان دیود زنر را درحلقه فیدبک منفی نفر قرار داد مثلاْ در این مدار نیز جریان دیود زنر که همان جریان مقاومت R است همواره ثابت باقی می ماند زیرا ولتاژ دو سر ورودی تقویت کننده عملیاتی با یکدیگر مساوی ویوایو می باشد . بنابراین انتخاب مقاومتهای دقیق و یک دیود زنر با ولتاژ شکست پایدار و ضریب دمای جبران شده تامین یک ولتاژ مرجع باید در و مطلوب را تضمین می کند .
مدار محدود کننده جریان :
هر مدار تنظیم کننده ولتاژ فقط قادر است تا حد جریان حداکثر مجاز تراترسیتور کنترل خود ، جریان بار در خروجی تامین نماید تحمیل اضافه جریان در مدار باعث سوختن تراترسیتور مزبور و در نتیجه از کار افتادن مدار خواهد شد از آنجا که حفاظت این تراترسیتور از طریق استفاده از فیوز مسیر نمی باشد ، باید چاره دیگری اندیشید . یک راه حل ساده که البته خالی از اشکال هم نیست استفاده از مدار محدود کننده نشان داده شده است . در این مدار تراترسیتور 2Q و مقاومت Rs نقش محدود کننده جریان را به عهده دارند . در صورتی که جریان Io به حداکثر مجاز خود برسد افت ولتاژ دو سر Rs تراترسیتور 3Q را روشن کرده و در نتیجه با افزایش جریان کلکتور این تراترسیتور ، جریان بیس 1Q کاهش یافته و بدین ترتیب جریان خروجی محدود می شود . در این محدود کننده با کاهش مقاومت Rl تا قبل از رسیدن جریان خروجی به ولتاژ خروجی ثابت می ماند و به محض اینکه جریان به این مقدار رسید کاهش بیشتر مقاومت Rl موجب کاهش ولتاژ خروجی می شود . اشکال عمده این محدود کننده آن است که در حالت اتصال کوتاه خروجی که تقریباْ ولتاژ ورودی ( VI ) در روی کلکتور – امیتو تراترسیتور 1Q می افتد و جریان Io , max از آن عبور می کند ، توان تلف شده در آن ممکن است از حد مجاز بالاتر رفته و موجب سوختن آن شود . در این صورت مشخص به ظاهراْ بخشی از مشخصه به طرف عقب خمیده شده و یا تا شده است . در این مدار ولتاژ بیس – امیتر تراترسیتور Ql توسط بخشی از ولتاژ دو سر مقاومت R کترل می شود مقدار مقاومت R بسیار کوچک و معمولاْ حدود یک دهم انتخاب می شود به ازای جریان Io , max تراتوسیتور Ql هدایت نموده جریان بیس تراتوسیتور های کنترل و نهایتاْ جریان خروجی را کاهش می دهد . همان طور که از مشخصه هم پیداست از این پس جریان خروجی تابع ولتاژ خروجی شده و با کاهش مقاومت بار مقدار آن نیز کم می شود . در این مدار داریم . در نوشتن روابط فوق فرض شده است که جریان مقاومت بسیار کوچکتر از جریان خروجی بوده و جریان بیس Ql نیز در مقایسه با جریان مقاومت قابل صرفنظر باشد . در وضعیت Io= Io , max داریم . بنابراین کاهش Vo را در اثر کاهش Rl پس از شروع هدایت تراترسیتور Ql کم شدن جریان Io را به دنبال خواهد داشت به طوری که در حالت اتصال کوتاه خروجی ( Vo = o ) جریان اتصال کوتاه از Io , max کمتر دیوایو ، خواهد شد . در این وضعیت به دلیل فیدبک منفی ، تقویت کننده عملیاتی سعی خواهد کرد ولتاژ خروجی را از طریق تامین جریان بیش از حد بالا ببرد که این عمل منجر به سوختن آن خواهد شد .
رگولاسیون ولتاژ با استفاده از ترانزیستور
دو نوع رگولاتور تزانزیستوری وجود دارند : رگولاتور سری و رگولاتور موازی . هر دو نوع یاد شده می توانند یک ولتاژdc خروجی ثابت بدست دهند حتی اگر ولتاژ ورودی و یا بار متصل به خروجی تغییر کند .
تنظیم کننده ( رگولاتور ) ولتاژ سری :
عنصر کنترل کننده که به طور سری قرار گرفته ولتاژ ورودی را کنترل می کند. ولتاژ خروجی نمونه برداری می شود تا بوسیله یک مدار برگشت دهنده ( فیدبک ) برای مقایسه به ورودی برگردانده شود و با ولتاژ مرجع مقایسه گردد .
1 – چنانچه ولتاژ خروجی افزایش یابد ، مدار مقایسه گر یک سیگنال کنترل تهیه می کند تا عنصر کنترل سری مقدار ولتاژ خروجی را کاهش دهد ، و در نتیجه آن ولتاژ خروجی ثابت بماند .
2 – چنانچه ولتاژ خروجی کاهش یابد ، مدار مقایسه گر یک سیگنال کنترل تهیه می کند تا عنصر کنترل سری مقدار ولتاژ خروجی را افزایش دهد .
مدار رگولاتور سری
ترانزیستور Q1 عنصر کنترل سری و دیود زنر Dz تهیه کننده ولتاژ مرجع هستند .
1 – چنانچه ولتاژ خروجی کاهش یابد ، افزایش ولتاژ بیس- امیتر موجب هدایت بیشتر Q1 می شود . در نتیجه ولتاژ خروجی افزایش می باید و ولتاژ خروجی ثابت می ماند .
2 – چنانچه ولتاژ خروجی افزایش یابد ، کاهش ولتاژ بیس – امیتر سبب کاهش هدایت Q1 می شود و در نتیجه ولتاژ خروجی کاهش می یابد و ولتاژ خروجی ثابت می ماند .
رگولاتور سری کاملتر
مقاومتهای R1 و R2 به عنوان یک مدار نمونه گیر کار می کنند . دیود زنر Dz تعیین کننده ولتاژ مرجع است ، و ترانزیستور Q2 جریان بیس ترانزیستور Q1 را کنترل می کند تا جریانی که از ترانزیستور Q1 می گذرد تغییر کند و ولتاژ خروجی ثابت بماند .
چنانچه ولتاژ خروجی رو به افزایش باشد ، افزایش ولتاژ توسط R1 و R2 نمونه گیری می شود ، افزایش ولتاژ V2 سبب بالا رفتن ولتاژ بیس – امیتر ترانزیستور می گردد در حالیکه ثابت می ماند . اگر جریان بیشتری هدایت کند کاهش ولتاژ بیس موجب عبور جریان کمتر از بار می شود و ولتاژ خروجی کاهش می یابد . به این ترتیب ولتاژ خروجی ثابت می ماند . برعکس ، چنانچه ولتاژ خروجی کاهش یابد ، کاهش جریانی که به بیس می رسد از کاهش ولتاژ جلوگیری می نماید . ولتاژ V2 که بوسیله R1 و R2 احساس می گردد بایستی برابر با مجموع ولتاژ بیس امیتر Q2 و دیود زنر باشد یعنی از حل معادله قبل برای ولتاژ تثبیت شده خروجی ، V0 .
تنظیم کننده ( رگولاسیون ) ولتاژ موازی
رگولاتور ولتاژ موازی با استفاده از یک جریان موازی جریان بار ولتاژ تثبیت شده ای در خروجی بدست می دهد . ولتاژ تثبیت نشده ورودی جریان بار را ایجاد می کند . مقداری از جریان بوسیله عنصر کنترل کننده کشیده می شود تا ولتاژ خروجی دو سر بار ثابت نگهداشته شود . چنانچه ولتاژ بار به علت تغییر مقاومت بار تغییر کند ، مدار نمونه گیر متناسب با آن یک سیگنال فیدبک برای مقایسه کننده تهیه می کند . سپس مقایسه کننده یک سیگنال کنترل بدست می دهد که مقدار جریان موازی بار را تغییر می دهد ، بطور مثال ، اگر ولتاژ خروجی بیشتر شود ، مدار نمونه گیر یک سیگنال فیدبک به مدار مقایسه کننده می فرستد که به دنبال آن یک سیگنال کنترل عنصر کنترل کننده را وا می دارد تا جریان موازی بیشتری کشیده شود و جریان بار کمتری در خروجی بدست آید . در نتیجه این عمل ولتاژ خروجی کاهش می یابد .
اساس رگولاتور موازی ترانزیستوری
مقاومت R3 ولتاژ تثبیت نشده را متناسب با جریان بار افت می دهد . ولتاژ دو سر بار بوسیله ولتاژ دیود زنر و بیس – امیتر ترانزیستورتنظیم می گردد . چنانچه مقاومت بارکاهش یابد ، جریان راه انداز بیس Q1 کاهش می یابد و جریان موازی درکلکتور کم می شود . به این ترتیب جریان بار بیشتر می شود و در نتیجه ولتاژ تثبیت شده دو سر بار ثابت باقی می ماند . ولتاژ خروجی بار برابر است با : مجموع ولتاژهای دیود زنر به علاوه ولتاژ بیس – امیتر .
در این نوع تنظیم کننده ها سرعت قطع و وصل ترانزیستور بین KHz 10 تا KHz 100 است و بازده این تنظیم کننده ها می تواند به 80 تا 90 درصد و حتی بالاتر برسد .
در نوع دیگر تنظیم کننده های کلیدی که به نوع اولیه شناخته شده اند ترانزیستور کنترل Q در اولیه ترانس قرار می گیرد . در این مدار ابتدا توسط یک یکسوساز و خازنهای 1C و 2C ، ولتاژهای ثابت ایجاد VI + و VI – ایجاد می شوند .
ترانزیستورهای 1Q و 2Q از مدار کنترل فرمان گرفته و به حالتهای قطع و اشباع می روند و از ولتاژهای یک شکل موج متناوب مربعی می سازند . دامنه این موج مربعی توسط ترانسفورماتور T به مقدار دلخواه کاهش داده شده و توسط بقیه قسمتهای مدار به ولتاژ DC مورد نظر در خروجی تبدیل می شود . نظر به فرکانس بالای شکل موج مربعی مزبور ، ترانسفورماتور دارای ابعاد کوچکی خواهد بود و می تواند به آسانی با سر وسط ساخته شود به گونه ای که در خروجی نیاز به یکسوساز پل نباشد .
از مدار تنظیم کننده ولتاژ کلیدی اولیه می توان در مواردی که یک منبع ولتاژ DC ( باطری ) در اختیار داریم و چند ولتاژ DC ، حتی ولتاژ DC بزرگتر از ولتاژ ورودی مورد نیاز است ( در سیستمهای مخابرات صحرایی و یا در ماهواره ها ) استفاده نمود در این کاربرد مدار در حقیقت یک مبدل DC به DC می باشد .
مثال : با فرض آنکه ولتاژ ورودی V 12 = VI ، ولتاژ خروجی 5 ولت با ریپل کمتر از 20 میلی ولت ، فرکانس کلیدزنی KHz 25 و حداکثر تغییرات جریان سلف محدود به 8/0 آمپر باشد . مطلوب است .
الف ) سیکل کاری D
ب ) مقادیر C و L
( تنظیم کننده ) رگولاتور موازی کاملتر
دیود زنر ولتاژ مرجع را ارائه می کند ، بطوریکه ولتاژ دو سر R1 ولتاژ خروجی را احساس می کند . مادامی که ولتاژ خروجی تغییر می کند ، جریان موازی شده بوسیله ترانزیستور Q1 تغییر کند تا ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند . بطوریکه رگولاتور یک جریان بار بزرگتر بدست می دهد . ولتاژ خروجی بوسیله ولتاژ زنر و ولتاژ دو سر بیس امیترهای دو ترانزیستور تنظیم می گردد .
تنظیم کننده ( رگولاتور ) ولتاژ موازی با استفاده از OP_AMP
ولتاژ زنر با ولتاژ فیدبک که از طریق مقاومتهای مقسم ولتاژ R1 و R2 بدست می آید مقایسه می گردد تا جریان کنترل عنصر موازی Q1 تامین گردد . جریانی که از مقاومت Rs می گذرد به گونه ای کنترل می شود که با توجه به افت ولتاژ دو سر آن ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند .
تنظیم کننده های ولتاژ مدار مجتمع
با پیشرفت فن آوری مدارهای مجتمع ، شرکتهای مختلف ، شرکتهای مختلف اقدام به طراحی و ساخت تنظیم کننده های ولتاژ با قابلیتهای گوناگون نموده اند ، به طوری که امروزه تراشه های تنظیم کننده ولتاژ متنوعی در بازار موجود می باشد .
تنظیم کننده های ولتاژ مدار مجتمع بر حسب نوع علامت ولتاژ خروجی به سه گروه تقسیم می شوند . دسته اول تنظیم کننده های ولتاژ مثبت که فقط دارای ولتاژ خروجی مثبت می باشند ، دسته دوم فقط ولتاژ خروجی منفی تامین می کنند و دسته سوم تحت عنوان تنظیم کننده های ولتاژ دوگان امکان ایجاد هر دو نوع ولتاژ مثبت و یا منفی را در اختیار استفاده کننده قرار می دهند .
از سوی دیگر بعضی انواع این محصولات ، ولتاژهای خروجی ثابت ایجاد می کنند و در برخی دیگر انتخاب ولتاژ در یک محدوده خاص اختیاری است .
تنظیم کننده های ولتاژ مدار مجتمع با خروجی ثابت
این نوع تنظیم کننده ها فقط دارای سه سر ورودی ، خروجی و سر وسط می باشند و ولتاژ تنظیم شده خروجی بین سر خروجی و سر وسط ایجاد می شود . از جمله این تراشه ها می توان سریهای LM340 , LM320 ,LM309 ( از کارخانه National ) و یا UA7800 ( از کارخانه Fairchild ) را نام برد . ( در نامگذاری تراشه ها دو حرف اول مشخص کننده کارخانه سازنده است . مثلاْ ، SN و MC به ترتیب برای تراشه های ساخت Texas Instrument و Motorola استفاده می شوند . ) همچنین در نامگذاری تراشه های تنظیم کننده ولتاژ ، نوع بسته بندی ولتاژ خروجی را مشخص می نمایند . به عنوان مثال در سری 7800 که توسط کارخانه های مختلف تولید می شود ، تراشه های 7824 , 7818 , 7812 , 7808 , 7805 به ترتیب ولتاژهای ثابت 5 ، 8 ، 12 ، 18 ، و 24 ولت را ایجاد می کنند . یا در سری LM340 ، تراشه LM340H-05 دارای ولتاژ خروجی 5 ولت است .
گر چه این گروه از تنظیم کننده ها دارای ولتاژهای خروجی ثابت هستند ولی استفاده کننده می تواند با افزودن مدارهای اضافی ولتاژ و یا جریان خروجی دلخواه خود را ایجاد نماید .
توجه داشته باشید که سر تغذیه مثبت تقویت کننده عملیاتی به VI متصل شده است . حداکثر ولتاژ ورودی این تراشه برابر 35 ولت و حداقل آن 7 ولت می باشد . همچنین در خروجی با تغییر سر پتانسیومتر می توان ولتاژهای 5 تا 32 ولت را به دست آورد .
در مدار مزبور با توجه به اینکه اختلاف پتانسیل بین سرهای 2 و 3 برابر 5 ولت است می توان نوشت . بنابراین ، با انتخاب مناسب 1R و2R مقدار Vo دلخواه حاصل می شود . مثلاْ برای کافی است انتخاب شوند .
برای به دست آوردن جریانهای بیشتر از حد مجاز تراشه باید از یک ترانزیستور کمکی استفاه نمود . مقدار اضافه جریان قابل تامین توسط این تارنزیستور به توان حداگکثر آن و اختلاف ولتاژ خروجی و ورودی مدار بستگی دارد .
برای دستیابی به جزئیات بیشتر در مورد خصوصیات و موارد استفاده این نوع تراشه ها باید به کتابهای اطلاعات تراشه های خطی مراجعه نمود .
تنظیم کننده های ولتاژ مدار مجتمع با ولتاژ خروجی قابل تغییر
در بعضی از تراشه های تنظیم کننده ولتاژ بیش از سه سر در اختیار استفاده کننده قرار داده شده تا با اتصال اجزاء الکترونیکی مناسب ، میزان ولتاژ و جریان خروجی و نحوه حفاظت در مقابل اتصال کوتاه و غیره را در کنترل خود داشته باشد . سری 723 که توسط کارخانه های گوناگون با شماره های مختلفی مثل LM-723H ( کارخانه National ) ، MC-1723H ( کارخانهMotorola ) ، SN52723 ( کارخانه Texas Instrument ) به بازار عرضه شده ، نمونه ای از یک تراشه تنظیم کننده ولتاژ قابل تغییر است .
محدوده قابل قبول ولتاژ ورودی این تراشه بین 5/9 تا 40 ولت و جریان خروجی حداکثر آن mA 150 می باشد . همچنین اختلاف ولتاژ خروجی و ورودی نباید از 3 ولت کمتر باشد .
مثال : با استفاده از تراشه تنظیم کننده ولتاژSN52723 یک تنظیم کننده ولتاژ 12 ولتی با حداکثر جریان mA 100 طراحی نمایید .
حل :
ولتاژ ورودی بین سرهای Vcc+ و Vcc- قرار می گیرد و کلکتور ترانزیستور کنترل ( سر Vc ) به ورودی وصل می شود . در خروجی از یک محدود کننده جریان ساده استفاده شده و برای اینکه جریان خروجی حداکثر درmA 100Io= کنترل شود مقدار مقاومت Rsc برابر است با در این تراشه Vref=vV است ، بنابراین برای خروجی V 12 = Vo ، لازم است داشته باشیم از طرف دیگر جریان گذرنده از این مقاومتها نباید در مقایسه با جریان خروجی قابل ملاحظه باشد . بنابراین انتخاب که جریان گذرنده آن mA1 می شود و از طرفی در معادله فوق نیز صدق می کند قابل قبول است .
مقدار 3R باید برابر حاصل موازی 1R و 2R اختیار شود ، زیرا منظور از به کارگیری این مقاومت جبران کردن اثر جریانهای بایاس ورودی تقویت کننده عملیاتی می باشد .
در این تنظیم کننده ولتاژ ، ورودی 18 ولت در نظر گرفته شده است . در این صورت حتی اگر ولتاژ ورودی به اندازه 3 ولت نیز تغییرات داشته باشد حداقل ولتاژ ورودی مورد نیاز همواره وجود خواهد داشت .
در انتخاب Rsc باید دقت نمود که حداکثر توان مصرفی آن از حدود 10 % حداکثر توان خروجی تجاوز نکند . در مدار نشان داده شده خازن C ، خازن جبرانسازی تقویت کننده عملیاتی می باشد که برای این تراشه برابر pF 100 پیشنهاد شده است . خازنهای سرهای ورودی و خروجی از نوع اکترولیتی است و برای حذف تغییرات گذرا مورد استفاده قرار گرفته اند .
تنظیم کننده های ولتاژ کلیدی
مدارهای تنظیم کننده ای که تا به حال مورد بحث قرار داده ایم در بسیاری از
موارد عملکرد مطلوبی از خود نشان می دهند ، ولی در کاربردهایی که جریان خروجی زیاد بوده و یا اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی قابل توجه است ، تلفات زیاد ترانزیستور کنترل بازده این گونه تنظیم کننده ها را به شدت کاهش می دهد . مثلاْ چنانچه از یک ولتاژ ثابت 30 ولت ورودی بخواهیم ولتاژ ثابت 5 ولت در خروجی ایجاد کنیم ، در این صورت افت ولتاژ روی ترانزیستور کنترل برابر 25 ولت می شود که چون جریان خروجی تقریباْ با جریان این ترانزیستور برابر است ، بازده تنظیم کننده برابر خواهد شد . (چرا ؟ )
راه حلی که برای رفع این مشکل وجود دارد این است که مدار به گونه ای طراحی شود که ترانزیستور کنترل همواره درحالت فعال نبوده ، بلکه به عکس به صورت تناوبی در حالتهای قطع و اشباع کار کند . این پیشنهاد ممکن است خواننده را به این فکر بیندازد که اگر ترانزیستور مزبور این گونه عمل کند در هنگام قطع آن تکلیف جریان خروجی چه می شود و این جریان چگونه تامین می شود . پاسخ این پرسش آن است که در مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که بر این اساس طراحی می شوند و به تنظیم کننده های کلیدی مشهورند ، از یک عنصر ذخیره کننده جریان الکتریکی یعنی سلف استفاده می شود . علت این نامگذاری این است که در این مدار عناصر تنظیم کننده ، همگی در ثانویه ترانس قرار دارند . در ادامه این بخش تنظیم کننده های ولتاژ کلیدی اولیه را نیز معرفی خواهیم کرد .
این مدار عملاْ یک مولد پالس با فرکانس ثابت چند ده KHz است که در آن نسبت زمان وصل به زمان دوره تناوب (ton / T ) بر اساس اختلاف ولتاژ خروجی با یک ولتاژ مرجع تنظیم می شود . دیود ژرمانیم D در هنگام قطع ترانزیستور ، مسیر لازم برای عبور جریان سلف را تامین می کند . بدیهی است در زمانی که ترانزیستور Q در حالت اشباع است این دیود قطع می باشد.
( در هنگام اشباع Q از ولتاژ ( sat ) VcE صرف نظر شده است . ) در فاصله زمانی قطع ترانزیستور ، با توجه به اینکه ولتاژ دو سر دیود D (V 2/0 ) در مقایسه با ولتاژ خروجی قابل صرف نظر است داریم .
بنابراین جریان سلف در حالت کاهش خواهد بود . بر عکس در هنگام اشباع ترانزیستور (tin ) این جریان درحال افزایش خواهد بود .
ولتاژ خروجی متناسب با VI و ضریب تناسب ton / T است که مستقل از جریان بار می باشد و مدار کنترل با تغییر ورودی و جریان بار آن را به گونه ای تنظیم می کند که ولتاژ خروجی همواره ثابت و برابر مقدار طراحی شده باقی بماند . خازن C در این مدار به عنوان صافی به کار رفته و در هنگام اشباع ترانزیستور ، سلف علاوه بر تامین جریان خروجی ، جریان شارژ این خازن را نیز تامین می نماید . هر چه L کوچکتر باشد جریان آن و در نتیجه نسبت a= Il / Io بزرگتر می شود . در عمل a را معمولاْ برابر 2/1 انتخاب می کنند .
برای محاسبه میزان تغییرات ولتاژ خروجی باید تغییرات بار الکتریکی خازن C را محاسبه نمود .