منبع تغذیه ولتاژ متغیر

رگولاتور­های ولتاژ ثابت خطی ۳ ترمینالی، یک انتخاب محبوب برای ایجاد ولتاژ مثبت یا منفی هستند.

در ادامه مقاله قبل در مورد تبدیل یک ATX PSU به یک منبع تغذیه رومیزی، یک مطلب مفید برای افزودن، رگولاتور ولتاژ مثبت LM317T است.

LM317T یک رگولاتور ولتاژ مثبت 3 ترمینالی قابل تنظیم است که می­تواند خروجی‌های ولتاژ DC مختلف به غیر از منبع تغذیه ولتاژ ثابت 5+ یا 12+ ولت را تامین کند یا به عنوان یک ولتاژ خروجی متغیر از چند ولت تا مقداری حداکثر با جریانی در حدود 1.5 آمپر کار کند.

با کمک یک مدار اضافی که به خروجی PSU اضافه شده است، می‌توانیم یک منبع تغذیه میزی با قابلیت طیفی از ولتاژهای ثابت یا متغیر مثبت یا منفی داشته باشیم. در واقع، این کار ساده‌تر از چیزی است که فکر می‌کنید زیرا قسمت­‌های ترانسفورماتوری، یکسوسازی و هموار‌سازی قبلاً توسط PSU انجام شده است و تنها کاری که باید انجام دهیم این است که مدار اضافی خود را به خروجی سیم زرد 12+ ولت وصل کنیم. اما در ابتدا، اجازه دهید یک خروجی ولتاژ ثابت را در نظر بگیریم.

منبع تغذیه ۹ ولت ثابت

طیف گسترده­ای از رگولاتورهای ولتاژ 3 ترمیناله در پکیج استاندارد TO-220 موجود بوده که محبوب‌­ترین رگولاتور ولتاژ ثابت، رگولاتور مثبت سری 78xx است که شامل رگولاتورهای بسیار رایج 7805، رگولاتور ولتاژ ثابت 5+ ولت، تا 7824، رگولاتور ولتاژ ثابت 24+ ولت، می­‌شود. همچنین سری 79xx از رگولاتور­های ولتاژ منفی ثابت وجود دارد که ولتاژ منفی مکمل را از 5- تا 24- ولت تولید می‌­کنند اما در این مقاله ما فقط از انواع مثبت 78xx استفاده می­‌کنیم.

رگولاتور ۳ ترمیناله ثابت در کاربردهایی مفید است که خروجی قابل تنظیم مورد نیاز نیست و منبع تغذیه خروجی را ساده می‌­کند، اما بسیار انعطاف پذیر است زیرا ولتاژ خروجی آن فقط به رگولاتور انتخاب شده بستگی دارد. از این جهت به آن­ها رگولاتورهای ولتاژ سه ترمیناله گفته می­‌شود که فقط سه ترمینال برای اتصال دارند و به ترتیب ورودی، مشترک و خروجی نامیده می­‌شوند.

ولتاژ ورودی به رگولاتور، سیم زرد +12v از PSU (یا منبع تغذیه ترانسفورماتور مجزا) خواهد بود و بین ورودی و پایانه‌­های مشترک متصل می­‌شود. 9+ ولت تثبیت شده بین خروجی و مشترک قرار می­‌گیرد و مطابق شکل زیر است:

بنابراین، فرض کنید ما ولتاژ خروجی 9+ ولت را از منبع تغذیه PSU میزی خود می‌خواهیم، بنابراین تنها کاری که باید انجام دهیم این است که یک رگولاتور ولتاژ 9+ ولت را به سیم زرد 12+ ولت وصل کنیم. همانطور که PSU قبلاً یکسوسازی و هموارسازی خروجی 12+ ولت را انجام داده است، تنها اجزای اضافی مورد نیاز، یک خازن در ورودی و دیگری در خروجی است.

این خازن­‌های اضافی به پایداری رگولاتور کمک می­‌کنند و می­‌توانند بین 100 تا 330 نانوفاراد باشند. خازن خروجی 100uF اضافی به صاف کردن محتوای ریپل ذاتی کمک می­‌کند و پاسخ گذرای خوبی به آن می‌­دهد. این خازن با مقدار بزرگ که در خروجی مدار منبع تغذیه قرار می­‌گیرد، معمولاً “خازن هموارکننده” نامیده می­‌شود.

این رگولاتورهای سری 78xx حداکثر جریان خروجی حدود 1.5 آمپر را در ولتاژهای تثبیت شده ثابت به ترتیب 5، 6، 8، 9، 12، 15، 18 و 24 ولت می‌­دهند. اما اگر ولتاژ خروجی 9 ولت بخواهیم و فقط رگولاتور 5+ ولت داشته باشیم چه؟ خروجی 5+ ولت 7805 به ترمینال “زمین، Gnd” یا “0 ولت” ارجاع داده می‌­شود.

اگر این ولتاژ ترمینال پین ۲ را از ۰ ولت به ۴ ولت افزایش دهیم، خروجی نیز ۴ ولت اضافی افزایش می‌­یابد، مشروط بر اینکه ولتاژ ورودی کافی وجود داشته باشد. بنابراین، با قرار دادن یک دیود زنر کوچک ۴ ولتی (نزدیک‌ترین مقدار ترجیحی ۴.۳ ولت) بین پین ۲ رگولاتور و زمین، می­‌توانیم کاری کنیم که یک رگولاتور ۵ ولتی ۷۸۰۵، ولتاژ خروجی ۹+ ولت تولید کند.

افزایش ولتاژ خروجی

چگونه کار می­‌کند؟ دیود زنر ۴.۳ ولت به جریان بایاس معکوس در حدود ۵ میلی آمپر نیاز دارد تا خروجی را با رگولاتور حدود ۰.۵ میلی آمپر حفظ کند. این جریان کل ۵.۵ میلی آمپر از طریق مقاومت “R1” از پین 3 خروجی تامین می­‌شود.

بنابراین، مقدار مقاومت مورد نیاز برای رگولاتور 7805، R = 5V/5.5mA = 910 Ohm خواهد بود. دیود فیدبک، D1 متصل به پایانه­‌های ورودی به خروجی، برای محافظت است و از بایاس معکوس رگولاتور در هنگام خاموش شدن ولتاژ تغذیه ورودی در حالی که منبع تغذیه خروجی برای مدت کوتاهی به دلیل بار القایی بزرگ مانند سلونوئید یا موتور روشن یا فعال می­‌ماند، جلوگیری می‌­کند.

بنابراین می‌توانیم از رگولاتورهای ولتاژ 3 ترمیناله و یک دیود زنر مناسب برای تولید انواع ولتاژهای خروجی ثابت از منبع تغذیه میزی قبلی خود از 5+ تا 12+ ولت استفاده کنیم. همچنین می‌توانیم با جایگزین کردن رگولاتور ولتاژ ثابت با یک تنظیم‌کننده ولتاژ متغیر مانند LM317T، این طراحی را بهبود ببخشیم.

منبع تغذیه ولتاژ متغیر

LM317T یک رگولاتور ولتاژ مثبت و 3 ترمینالی کاملاً قابل تنظیم است که قادر به تامین 1.5 آمپر با ولتاژ خروجی از حدود 1.25 ولت تا کمی بیش از 30 ولت است. با استفاده از نسبت دو مقاومت، یکی از یک مقدار ثابت و دیگری متغیر (یا هر دو ثابت)، می‌توانیم ولتاژ خروجی را در سطح مورد نظر با ولتاژ ورودی مربوطه بین 3 تا 40 ولت، تنظیم کنیم.

رگولاتور ولتاژ متغیر LM317T همچنین دارای قابلیت‌­های محدود‌کننده جریان و خاموش شدن حرارتی است که آن را در برابر اتصال کوتاه مقاوم می­‌کند و برای هر منبع تغذیه ولتاژ پایین یا میزی خانگی ایده‌­آل است.

ولتاژ خروجی LM317T با نسبت دو مقاومت فیدبک R1 و R2 تعیین می‌­شود و یک شبکه تقسیم کننده پتانسیل را در ترمینال خروجی تشکیل می‌­دهند که در زیر نشان داده شده است:

رگولاتور ولتاژ متغیر LM317T

ولتاژ در مقاومت فیدبک R1 یک ولتاژ مرجع (Vref) ثابت 1.25 ولت است که بین ترمینال “خروجی” و “تنظیم” تولید می­‌شود. جریان ترمینال تنظیم یک جریان ثابت 100uA است. از آنجایی که ولتاژ مرجع در مقاومت R1 ثابت است، یک جریان ثابت i از مقاومت R2 دیگر عبور می‌کند و در نتیجه ولتاژ خروجی برابر است با:

بنابراین، هر جریانی که از مقاومت R1 می­‌گذرد از مقاومت R2 نیز عبور می­‌کند (بدون توجه به جریان ترمینال تنظیم بسیار کوچک)، با مجموع افت ولتاژ در R1 و R2 برابر با ولتاژ خروجی، Vout. بدیهی است که ولتاژ ورودی، Vin باید حداقل 2.5 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی مورد نیاز برای تغذیه رگولاتور باشد.

همچنین، LM317T دارای تنظیم بار بسیار خوبی است به شرطی که حداقل جریان بار بیشتر از 10 میلی آمپر باشد. بنابراین برای حفظ ولتاژ مرجع ثابت 1.25 ولت، حداقل مقدار مقاومت فیدبک R1 باید 1.25V/10mA = 120 Ohm باشد و این مقدار می‌­تواند از 120 اهم تا 1000 اهم تغییر کند و مقادیر معمول R1 برای ثبات خوب در حدود 220 اهم تا 240 اهم است.

اگر مقدار ولتاژ خروجی مورد نیاز Vout و مقاومت فیدبک R1 را 240 اهم بدانیم، می‌توانیم مقدار مقاومت R2 را از معادله بالا محاسبه کنیم. به عنوان مثال، ولتاژ خروجی اولیه 9 ولت، مقدار مقاومتی برای R2 به صورت زیر می­‌دهد:

R1.((Vout/1.25)-1) = 240.((9/1.25)-1) = 1488 Ohms

یا ۱۵۰۰ اهم (۱.۵ کیلو اهم) که نزدیکترین مقدار ترجیحی است.

البته در عمل، مقاومت‌های R1 و R2 معمولاً با یک پتانسیومتر جایگزین می‌شوند تا یک منبع تغذیه با ولتاژ متغیر تولید کنند، یا در صورت نیاز به چندین ولتاژ خروجی ثابت، با چندین مقاومت از پیش تنظیم‌شده و سوئیچ شده جایگزین می‌شوند.

اما برای کاهش محاسبات ریاضی مورد نیاز در محاسبه مقدار مقاومت R2 هر بار که ولتاژ خاصی می‌خواهیم، می‌توانیم از جداول مقاومت استاندارد مطابق شکل زیر استفاده کنیم که ولتاژ خروجی تنظیم‌کننده را برای نسبت‌های مختلف مقاومت‌های R1 و R2 با استفاده از مقادیر مقاومت E24 به ما می‌دهد.

نسبت مقاومت‌های R1 به R2

با تغییر مقاومت R2 برای یک پتانسیومتر 2 کیلو اهمی، می‌توانیم محدوده ولتاژ خروجی منبع تغذیه PSU میزی خود را از حدود 1.25 ولت تا حداکثر ولتاژ خروجی 10.75 (12-1.25) ولت کنترل کنیم. مدار منبع تغذیه متغیر اصلاح شده نهایی در زیر نشان داده شده است:

مدار منبع تغذیه ولتاژ متغیر

می­‌توانیم مدار رگولاتور ولتاژ اولیه خود را با اتصال آمپرمتر و ولت‌متر به پایانه­‌های خروجی کمی بیشتر بهبود ببخشیم. این ابزارها یک نشانه بصری از جریان و ولتاژ خروجی از رگولاتور ولتاژ متغیر را نشان می­‌دهند. در صورت تمایل می­‌توان یک فیوز سریع الاثر را نیز در طراحی گنجاند تا حفاظت از اتصال کوتاه اضافی را همانطور که نشان داده شده است، ارائه دهد:

معایب LM317T

یکی از معایب اصلی استفاده از LM317T به عنوان بخشی از مدار منبع تغذیه با ولتاژ متغیر برای تنظیم ولتاژ این است که 2.5 ولت به عنوان گرما در سراسر رگولاتور افت می‌کند یا از دست می­‌رود. به عنوان مثال، اگر قرار است ولتاژ خروجی مورد نیاز 9+ ولت باشد، ولتاژ ورودی باید 12 ولت یا بیشتر باشد اگر قرار است ولتاژ خروجی در شرایط حداکثر بار ثابت بماند. این افت ولتاژ در سراسر رگولاتور، ” dropout” نامیده می­‌شود. همچنین به دلیل این افت ولتاژ، نوعی جاذب گرما برای خنک نگه‌داشتن رگولاتور مورد نیاز است.

خوشبختانه رگولاتورهای ولتاژ متغیر کم افت مانند رگولاتور ولتاژ متغیر نیمه‌هادی “LM2941T” در دسترس هستند که ولتاژ افت پایین فقط 0.9 ولت در حداکثر بار دارند. این افت کم، هزینه دارد زیرا این دستگاه تنها قادر به ارائه 1.0 آمپر با خروجی ولتاژ متغیر از 5 تا 20 ولت است. با این حال، می­توانیم از این دستگاه برای تامین ولتاژ خروجی در حدود 11.1 ولت، فقط کمی کمتر از ولتاژ ورودی، استفاده کنیم.

بنابراین به طور خلاصه، منبع تغذیه میزی که در مقاله قبلی از یک منبع تغذیه PC قدیمی ساخته بودیم، می‌­تواند با استفاده از LM317T برای تنظیم ولتاژ، به منبع تغذیه ولتاژ متغیر تبدیل شود. با اتصال ورودی این دستگاه به سیم خروجی زرد 12+ ولت PSU می‌توانیم ولتاژ خروجی 5+، 12+ ولت ثابت و ولتاژ خروجی متغیر از حدود 2 تا 10 ولت با حداکثر جریان خروجی 1.5 آمپر داشته باشیم.