طراحی منبع تغذیه تثبیت شده

عملکرد هر سیستم الکترونیکی یا مدار الکترونیکی، به منبع تغذیه‌­ای که انرژی مورد­نیاز مدار یا سیستم را تامین می­‌کند، بستگی دارد. این دستگاه، تامین­‌کننده جریان مدار نیز می‌­باشد. هرگونه نویز مزاحم در این منبع تغذیه، می­‌تواند سبب ایجاد مشکلات در کارکرد یا عملکرد مدار گردد. در صورت وجود هرگونه انحراف در سطح منبع تغذیه، مدار ممکن­‌ است به درستی کار نکند. دقت و صحت عملکرد مدار نیز به آن وابسته‌­ است. در بعضی از مدارها، کل کالیبراسیون در این سطح ولتاژ انجام می­‌شود؛ بنابراین، درصورت وجود نوسان در سطح تامین‌­کننده، کل کالیبراسیون نادرست خواهد شد.

---) انواع منبع تغذیه

دو نوع منبع تغذیه وجود دارد:
۱) منبع تغذیه رگوله نشده (Unregulated)
۲) منبع تغذیه رگوله شده (Regulated)

منبع رگوله­­‌نشده (تنظیم نشده)، برای برخی از مدارهایی به کار­گرفته می­‌شود که تغییر جریان بار قابل توجهی، در مدار نیاز نیست. در این مدارها، جریان بار ثابت باقی می‌‌ماند و یا انحراف آن بسیار کم است. زیرا در چنین منبع تغذیه‌ای:

• ولتاژ خروجی با افزایش جریان بار کاهش می‌­یابد.
• ریپل (ripple) ولتاژ خروجی با افزایش جریان بار افزایش می‌­یابد.

بنابراین، در مواردی که تغییر متناوب جریان بار وجود دارد، نمی‌­توان از این منبع استفاده نمود. اگرچه بسیاری از مدارها به دلیل داشتن عناصر تشکیل­‌دهنده کم و طراحی بسیار ساده، با منبع تغذیه رگوله ­نشده کار می­‌کنند. هم­چنین، برخی از نوسانات در سطح منبع تغذیه به دلیل تغییر جریان بار قابل تحمل است. منبع تغذیه رگوله شده (تنظیم شده)، در مدارهای دیجیتال موردنیاز است؛ زیرا اجزای سازنده آن، قادر به تحمل حتی یک درصد تغییر در سطح منبع تغذیه خود، نمی‌­باشند مانند میکروکنترلر، پردازنده میکرو و دیگر موارد. بنابراین، در این مقاله، گام‌­های طراحی منبع تغذیه رگوله­‌شده ارائه می­‌شود؛ که عناصر سازنده آن باید به­‌گونه‌ای انتخاب گردند که ولتاژ خروجی رگوله (تنظیم) شده با جریان مورد نیاز را تامین نمایند. روند طراحی، نیازمند محاسباتی براساس معادلات طراحی و برخی فرض‌­ها و تقریب‌­هایی است که باید در هنگام طراحی در نظر گرفته شود.

علائم زیر را در نظر بگیرید:
E_rms: مقدار rms برای ولتاژ AC (ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور)
Em: مقدار بیشینه برای ولتاژ AC
V_dcNL: ولتاژ DC بدون بار
V_dcFL: ولتاژ DC بار کامل
R۰: مقاومت داخلی
IL: جریان خروجی بار کامل
VL_min: کمینه ولتاژ خروجی منبغ تغذیه رگوله نشده
V_rms: مقدار rms ریپل
V۰: ولتاژ قله ریپل

معادلات زیر، روابطی است که در طراحی منبع تغذیه استفاده می­‌گردد:

طراحی منبع تغذیه رگوله شده
هدف چیست؟ هدف طراحی منبع تغذیه رگوله شده برای 5V و 1A (5 ولت و 1 آمپر)

روند طراحی: طراحی دو قسمت مجزا:
۱) قسمت رگوله شده
۲) قسمت رگوله نشده

طراحی قسمت رگوله شده

گام اول: انتخاب تراشه (chip) رگولاتور (تنظیم‌کننده) ولتاژ
به‌­دلیل طراحی منبع تغذیه رگوله‌شده، به یک چیپ تنظیم‌­کننده ولتاژ نیاز است. تعداد زیادی چیپ تنظیم‌­کننده ولتاژ در دسترس است. این تراشه‌­ها براساس ویژگی­‌های زیر در دسته­‌های مختلفی طبقه‌­بندی می‌­شوند:

• قطبیت: مثبت،منفی یا دوگانه
• خروجی ثابت یا خروجی متغیر
• جریان خروجی موردنیاز: 1A_5A

در این طراحی، به منبع تغذیه ثابت و مثبت با ظرفیت جریان 1A نیاز است؛ در نتیجه چیپ انتخابی، LM7805 خواهد­بود.

گام دوم: ورودی خروجی فیلتر خازنی
خازن ورودی، برای سرکوب کردن و یا به حداقل رساندن هرگونه ریپل یا تغییرات ورودی اعمال­‌شده برروی تراشه رگولاتور موردنیاز است. مقدار معمول آن 0.33µF است که در دیتاشیت (datasheet) به طور مشخص به آن اشاره شده‌­است. در صورتی­‌که تراشه تنظیم‌­کننده به خازن فیلتر یکسوکننده (Rectifier) بسیار نزدیک باشد می­‌توان آن را نادیده گرفت. این خازن، زمانی نیاز است که فاصله بین خروجی یکسوکننده و ورودی تنظیم‌­کننده وجود داشته ­باشد.

خازن خروجی، برای سرکوب هرگونه اسپایک (spike) یا اشکال در ولتاژ خروجی ثابت، که ممکن است به دلیل تغییر گذرا در ورودی AC ایجاد شود، موردنیاز است. مقدار معمول آن 0.1µF است که در دیتاشیت به طور مشخص به آن اشاره شده­‌است. این امر، طراحی قسمت رگوله‌شده را کامل می­کند.

طراحی قسمت رگوله نشده
این بخش، سبب تغذیه بخش رگوله شده می‌­شود که شامل یکسوکننده و فیلتر است. بیشترین چیزی که مورد نیاز است، ورودی است که توسط این بخش به بخش رگوله شده داده می‌­شود که باید حداقل 3V بیشتر از ولتاژ خروجی موردنیاز باشد که به عنوان “headroom” چیپ تنظیم‌­کننده شناخته می­‌شود. درنتیجه:

در این قسمت، نیاز به انتخاب ترنسفورمر، دیود و خازن است.

گام سوم: انتخاب خازن
اگر فرض شود که خازن الکترولیت 1000µF است، نیاز به یافتن ولتاژ کار DC و یا WLDC است که وابسته به VdcNL می­‌باشد.

درنتیجه پس از یافتن VdcNL میتوان آن را محاسبه نمود.

باتوجه به مقدار خازن میتوان مقدار ?V۰ را این­گونه محاسبه نمود:

اگر IL=1A و C=1000µF باشد:

از ?V۰،VLminو VdcFL می­توان محاسبه نمود:

VdcFL با VdcNL مرتبط است پس:

مقدار R۰ باید بین 6 تا 10 باشد. اگر فرض کنیم که R۰ برابر با ۸ باشد:

در نتیجه میتوان WLDC موردنیاز را به دست آورد:

همیشه باید به دنبال مقدار ولتاژی بالاتر از این مقدار بود، بنابراین مقدار WLDC را 25V در نظر گرفته و درنهایت مقدار خازن خواهد بود:

گام چهارم: انتخاب دیود
انتخاب دیود، به معنای یافتن ظرفیت جریان و PIV دیود است. در ظرفیت فعلی باید IC>IL باشد که به این معناست که جریان خازن باید 1A و یا بیشتر باشد.

 PIV برابر با 22.2V شده و باید مقدار بالاتری داشته باشد و درنتیجه 25V خواهد بود. پس مقدار نهایی دیود:

تمام دیودهای سری‌های 1N4004،1N4007 و 1N4009 این شرط را برآورده می­‌نمایند.

گام پنجم: انتخاب ترنسفورمر (تبدیل­‌کننده)
مقدار rms خروجی ترنسفورمر توسط فرمول زیر بدست می‌­آید:

اما Em=VdcNL است، پس:

پس میتوان یکی از دو مورد زیر را انتخاب نمود:
۱.۱) ترنسفورمر اتصال مرکز ۹-۰-۹ یا ۵-۰-۷.۵ ولتاژ ثانویه
۲.۲) ترنسفورمر بدون اتصال مرکز ۰-۱۵ یا ۰-۱۸ ولتاژ ثانویه

درجه جریان برای ترنسفورمر ثانویه باید حداقل 1.8IL باشد، در نتیجه این به معناست که درجه جریان می­تواند 2A باشد و ترنسفورمر نهایی خواهد بود:

شماتیک طراحی نهایی به صورت زیر است:

منبع تغذیه ثابت