منبع تغذیه رگوله نشده

منبع تغذیه رگوله نشده (Unregulated Power Supply) یا تثبیت نشده ساده‌­ترین منبع تغذیه برای ساخت است.

تقریباً تمام دستگاه‌ها و مدارهای الکترونیکی برای کارکرد به نوعی منبع تغذیه DC از نوع باتری، سلول خورشیدی یا برق شهری نیاز دارند.

در حالی که باتری‌ها این مزیت را دارند که کوچک، قابل حمل و بدون ریپل هستند، نیاز به تعویض (یا شارژ مجدد) مکرر دارند و همچنین در مقایسه با منبع تغذیه DC معمولی، گران هستند.

از آنجایی که در خانه‌ها، مدارس و محل‌های کار، یک منبع مناسب، قابل اعتماد و مقرون به صرفه برای برق داریم، منطقی است که از منبع AC برق خانگی برای تغذیه مدارهای خود استفاده کنیم. با این حال، منبع تغذیه AC دارای ولتاژ بسیار بالاتر (معمولاً 220-250 V rms) از ولتاژ DC بسیار کوچکتر ارائه شده توسط باتری است. فرآیند تبدیل این ولتاژ متناوب AC بالاتر به ولتاژ DC بسیار کمتر را یکسوسازی (Rectification) می‌­نامند.

یکسوسازی فرآیند تبدیل برق AC به برق DC است. در مقالات دیودها دیدیم که یک دیود جریان را فقط در یک جهت (از آند به کاتد) و نه در جهت معکوس هدایت می‌کند. توانایی دیودها برای عبور جریان در یک جهت، آن را برای تبدیل یک جریان متناوب دو جهته به جریان مستقیم ثابت یا منبع DC، ایده‌­آل می­‌کند.

یکسو کننده دیودی

می بینیم که ورودی AC به دیود، یک موج سینوسی است که بین نیم سیکل مثبت و منفی متناوب است، در حالی که خروجی از دیود، DC یکسو شده است که شکل موجی آن فقط تا صفر ولت، مثبت می­‌شود و نیم سیکل منفی را مسدود می­‌کند. به این نوع شکل موج خروجی، “DC پالسی نیم موج” (half wave pulsating DC) می­‌گویند.

منبع تغذیه رگوله نشده نیم موج

هدف منبع تغذیه، تامین مقدار برق مورد نیاز در یک سطح ولتاژ و جریان مشخص است، برای مثال ۹+ ولت در ۵۰۰ میلی‌آمپر. ویژگی­‌های الکتریکی هر منبع تغذیه به مدار یا مدارهایی که تغذیه می­‌شوند، بستگی دارد اما به طور کلی همه منابع تغذیه رگوله نشده از یک ترانسفورماتور برای پایین آوردن ولتاژ شبکه AC تا سطح مورد نیاز و همچنین ارائه جداسازی الکتریکی و یکسوکننده دیودی برای تأمین ولتاژ خروجی تثبیت ­نشده (unstabilised) تشکیل شده‌­اند.

مدار منبع تغذیه رگوله نشده نیم موج زیر را در نظر بگیرید:

ورودی اصلی به سیم­‌پیچ اولیه ترانسفورماتور اصلی، T1 با سیم ­پیچ ثانویه ترانسفورماتور که ولتاژ AC پایین را به دیود یکسوکننده D1 می­‌دهد، اعمال می­‌شود. شکل موج خروجی حاصل شامل یک سطح ولتاژ DC تقریباً برابر با 1/π یا 0.318 ولتاژ پیک است.

بنابراین برای مثال، اگر پیک ولتاژ سینوسی 10 ولت باشد، خروجی DC معادل 0.318 × 10 = 3.18 v خواهد بود. در نتیجه مهم است که ترانسفورماتور با ولتاژ مناسب را برای منبع تغذیه تثبیت نشده خود انتخاب کنید.

همانطور که در بالا دیدیم، شکل موج خروجی از دیود، DC پالسی است. بدیهی است که این ولتاژ DC پالسی برای تغذیه بسیاری از مدارهای الکترونیکی مناسب نیست، زیرا نه تنها ولتاژ تغذیه به طور قابل توجه و سریع در مقایسه با منبع ایده‌­آل باتری DC تغییر می­‌کند، بلکه در 50٪ مواقع در طول نیم سیکل منفی ولتاژ تغذیه وجود ندارد.

اغلب هنگام یکسوسازی یک ولتاژ متناوب، می­‌خواهیم یک ولتاژ مستقیم ثابت مانند آنچه از منبع تغذیه باتری بدست می‌­آوریم و فارغ از تغییرات شکل موج ذکر شده در بالا، تولید کنیم. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل اضافه کردن یک خازن هموار‌کننده در پایانه‌های خروجی است که به‌طور مؤثر به موازات بار وصل می‌شود.

می­‌دانیم که یک خازن توانایی ذخیره بار الکتریکی روی صفحات خود را دارد و می‌­توانیم از این توانایی برای هموار کردن برخی از شکل موج­‌های پال س­دار، استفاده کنیم. خازن C1 که معمولاً خازن هموار­کننده یا خازن ذخیره (reservoir) نامیده می‌­شود، توسط جریان عبوری از دیود بایاس مستقیم در طول نیم سیکل مثبت شارژ می‌­شود. مقدار بار روی صفحات خازن به پیک ولتاژ خروجی مثبت از ترانسفورماتور T1 و مقداری از خازن که شارژ می‌­شود، Q برابر V × C (ولتاژ × ظرفیت) بستگی دارد.

همانطور که ولتاژ خروجی از T1 شروع به کاهش به صفر می­‌کند، خازن شارژ شده، اکنون وظیفه تامین جریان بار را بر عهده می‌­گیرد. در برخی مواقع، ولتاژ خروجی از T1 از صفر عبور می­‌کند و نیم سیکل منفی را تامین می­‌کند که دیود را به حالت قطع، بایاس معکوس می­‌کند. در طول این نیم سیکل، خازن C1 تمام جریان را به بار می‌­رساند و خود را با نرخی که توسط ثابت زمانی بار تعیین می­‌شود، تخلیه می­‌کند.

در نیم سیکل مثبت بعدی، ترانسفورماتور T1 دوباره کنترل را به دست می­‌گیرد و توان بار را تامین می­‌کند و این کار را تا زمانی ادامه می­‌دهد که ولتاژ خروجی از T1 یک بار دیگر به مقدار پیک مثبت خود بازگردد. در طی این دوره، C1 دوباره شارژ می‌شود و زمانی که ولتاژ T1 دوباره کاهش می‌یابد، جریان خروجی را برای بار تا ولتاژ پیک مثبت بعدی از T1، فراهم می­‌کند که در زیر نشان داده شده است.

شکل موج‌های یکسوکننده نیم موج

همانطور که خازن C1 نمی‌­تواند یک مقدار بی­نهایت داشته باشد، نمی­‌تواند یک منبع خروجی DC کاملاً صاف را ارائه دهد و در برخی موارد می­‌تواند شکل موج دندانه­‌دار به خود بگیرد. تغییرات در شکل موج خروجی به دلیل عدم توانایی خازن در حفظ خروجی ثابت را “ریپل: Ripple” می‌­نامند و در هر چرخه کامل ورودی AC، ریپل تولید می‌­شود. به عبارت دیگر، برای یک مدار یکسوکننده نیم موج، مقدار فرکانس ریپل DC پالسی برابر با فرکانس AC ورودی خواهد بود.

مقدار ریپل موجود در شکل موج خروجی به ویژگی‌های بار بستگی دارد، اما برای یک مقدار خازن معین، جریان بار بیشتر (مقاومت بار کوچک‌تر) خازن را بیشتر تخلیه می‌کند و بنابراین محتوای ریپل شکل موج خروجی را افزایش می‌دهد.

ممکن است فکر کنید چرا از یک خازن با مقدار بیشتر برای کاهش محتوای ریپل استفاده نکنید، اما محدودیت­‌هایی برای استفاده از خازن­‌های هموارکننده بزرگ (معمولاً الکترولیتی) با توجه به هزینه، اندازه و افزایش مقدار آن­ها وجود دارد و ریپل را به میزان قابل توجهی کاهش نمی­دهد. همچنین استفاده از خازن­های هموار­کننده با مقدار بالا می‌تواند نیاز به جریان­‌های شارژ بسیار زیادی داشته باشد که باید از طریق پل دیودی تامین شود. با این حال، می‌­توان محتوای ریپل­دار موجود در ولتاژ خروجی تامین شده توسط منبع تغذیه رگوله نشده را با افزودن خازن‌­های بیشتر با مقادیر مختلف به موازات ترمینال‌های خروجی، بهبود بخشید.

منبع تغذیه رگوله نشده تمام موج

دیدیم که ولتاژ خروجی از یک منبع تغذیه رگوله نشده نیم‌ موج می‌تواند به سختی به سطح DC هموار، فیلتر شود، زیرا ولتاژ و جریان خروجی تنها برای نیمی از هر چرخه ورودی به بار اعمال می‌شود. همچنین یکی دیگر از معایب یک منبع تغذیه رگوله نشده نیم موج، دوره­‌های نسبتاً طولانی بین پالس­ های شارژ خازن است که توسط ترانسفورماتور ارائه می­‌شود و استفاده از یک خازن هموارکننده نسبتاً بزرگ از نوع الکترولیتی را لازم می­‌کند.

با این حال، اگر یک دیود یکسوکننده دوم را به مدار اضافه کنیم تا هر نیم سیکل ورودی، به جای هر نیم سیکل دیگر، به شکل موج خروجی یکسوکننده کمک کند، مقدار ریپل به شدت کاهش می‌­یابد و این امر با استفاده از یک منبع تغذیه رگوله نشده تمام موج امکان‌­پذیر است.

منبع تغذیه رگوله نشده تمام موج، با استفاده از یک ترانسفورماتور اصلی با سیم ­پیچ ثانویه و دو دیود یکسوکننده، از نوع نیم موج خود متفاوت است و در زیر نشان داده شده است:

می بینیم که دو نیمه سیم پیچ ثانویه به طور مؤثری تغذیه می‌­شوند تا مدارهای یکسوکننده نیم موج از نوع توصیف شده در بالا را جدا کنند، با دو خروجی که با هم ترکیب شده و توسط خازن هموارکننده مشترک C1، هموار می­‌شوند.

دو دیود D1 و D2 در آرایشی از نوع پوش پول (push-pull) کار می­‌کنند زیرا ترانسفورماتور ثانویه به زمین (۰ ولت) متصل می­‌شود تا اختلاف فاز ۱۸۰ درجه بین سیم ­پیچ­‌های نیمه ثانویه بالا و پایین ایجاد کند. بنابراین، نیمه بالایی یک ولتاژ مثبت و نیمه پایینی یک ولتاژ منفی را ارائه می­‌دهند.

هنگامی که شکل موج ورودی AC مثبت است، یک ولتاژ مثبت در نیمه بالایی دیود بایاس مستقیم D1 ثانویه T1 ایجاد می­‌شود و آن را روشن می­‌کند، در حالی که ولتاژ منفی متناظر در دیود بایاس معکوس  D2 قسمت پایین سیم­‌پیچ ثانویه T1 ایجاد شده و آن را خاموش می‌­کند. بنابراین، جریان فقط از طریق دیود D1 به بار وارد می­‌شود.

هنگامی که شکل موج ورودی AC منفی می‌­شود، یک ولتاژ منفی در نیمه بالایی ثانویهT1  ایجاد شده و دیود D1 را خاموش می­‌کند، در حالی که یک ولتاژ مثبت در نیمه پایینی ثانویه T1 ایجاد شده و دیود  D2 را بایاس مستقیم و روشن می­‌کند. بنابراین، جریان فقط از طریق دیود D2 به بار وارد می­‌شود.

بنابراین، دو دیود و ترانسفورماتور با سر وسط قابل تغییر (center-tapped transformer)، جریان AC دو جهته تولید شده در سیم پیچ ثانویه را به صورت متناوب به بار سوئیچ می­‌کنند. شکل موج خروجی حاصل، شامل یک سطح ولتاژ DC است که تقریباً برابر با 2/π یا 0.636 ولتاژ پیک است.

برای مثال، اگر پیک ولتاژ سینوسی 10 ولت باشد، خروجی DC معادل 0.636 × 10 = 6.36 v خواهد بود که دو برابر یکسوکننده نیم‌موج می­‌باشد و در زیر نشان داده شده است:

شکل موج یکسوکننده تمام موج

مزیت این مدار منبع تغذیه رگوله نشده تمام موج این است که به یک خازن هموارکننده تقریباً نصف مقدار مورد نیاز برای مدار نیم موج نیاز دارد زیرا در مدار تمام موج، خازن دو برابر شارژ می‌­شود چون فرکانس در مدار تمام موج دو برابر مدار نیم موج است و بنابراین مقدار تخلیه برای یک جریان بار معین کمتر است.

همچنین از آنجایی که برای هر سیکل در ورودی، دو نیم سیکل در خازن هموارکننده ظاهر می­شود، محتوای ریپل کمتر و فرکانس ریپل دو برابر فرکانس ورودی خواهد بود. به عنوان مثال، اگر فرکانس ورودی سینوسی ۵۰ هرتز باشد، فرکانس ریپل ۱۰۰ هرتز خواهد بود. در نتیجه این فرکانس ریپل بالاتر برای هموار کردن نوسانات آسان­‌تر است.

خلاصه منبع تغذیه رگوله یا تنظیم نشده

• یکی از معایب اصلی منبع تغذیه رگوله نشده یا تثبیت نشده این است که ولتاژ خروجی آن به طور قابل توجهی تحت تأثیر تغییرات ولتاژ شبکه و همچنین تغییرات در جریان بار قرار می‌­گیرد. همانطور که بار جریان بیشتری می­‌کشد، ولتاژ ترمینال DC کاهش می­‌یابد.
• همچنین شکل موج خروجی تولید شده توسط یک منبع تغذیه رگوله نشده نیم موج، دارای سطح DC تقریباً 0.318 × Vpeak همراه با یک تغییر AC بزرگ است که شبیه شکل موج دندانه‌­دار است. این شکل موج خروجی به طور کلی به عنوان یک ولتاژ DC پالسی شناخته می­‌شود.
• برای حذف مقداری از محتوای AC، یک خازن هموارکننده استفاده می‌­شود که به محتوای DC اجازه عبور می­‌دهد و AC را به یک ریپل کوچک کاهش می‌­دهد. یکسوکننده نیم موج، فرکانس ریپلی مشابه فرکانس ورودی تولید می­‌کند.
• یکی از راه‌های افزایش ولتاژ خروجی DC، کاهش محتوای ریپل­دار شکل موج و بهبود کارایی، استفاده از یکسوکننده تمام موج است که از دو دیود و یک ترانسفورماتور با قسمت مرکزی قابل تغییر تشکیل شده است تا دو شکل موج مساوی و مخالف در هر نیمه سیم‌پیچ ثانویه ایجاد کند. نقطه ضعف اصلی منبع تغذیه رگوله نشده تمام موج این است که برای یک توان خروجی معین، به ترانسفورماتور بزرگتری نیاز دارد.
• منابع تغذیه رگوله نشده نیم موج، ارزان و ساده برای ساخت هستند که برق AC را به برق DC پالسی تبدیل می‌­کنند. دیدیم که خازن‌های هموارکننده را می‌توان برای تغییر این DC پالسی ناشی از یکسوکننده نیم موج یا تمام موج به یک منبع DC نسبتاً صاف و بدون ریپل برای تغذیه مدارهای الکترونیکی یا برای شارژ باتری‌ها، استفاده کرد.