طراحی منبع تغذیه های بدون ترانسفورماتور

.

.

در اینترنت می‌توان تعداد پرشماری مدارهای نمونه از «منبع تغذیه‌های بدون ترانس^[1]» و حتی برنامه‌های کوچک برای محاسبه‌ی مقدار افزاره‌های این مدارها، با فرض ولتاژ و جریان‌های خروجی مختلف، یافت که البته فاقد توضیح و تشریح در مورد این مدارها، انواع‌شان و نحوه ی کارکرد آنها هستند. هدف این مقاله آشنا کردن خواننده با اساس مدارهای منبع تغذیه‌ی بدون ترانسفورماتور است، به نحوی که بتواند معادلات و فرمول‌های آن را به کار ببرد، مداری را طراحی و محاسبه کند و در آن تغییرات ایجاد نماید. در این نوشتار فرض بر این است که مدارها دارای ورودی جریان متناوب 220 ولت و خروجی جریان مستقیم با ولتاژ پایین باشند.

.

منبع‌تغذیه‌ی بدون ترانس چیست؟

منبع تغذیه‌های بدون ترانس مدارهایی هستند که مستقیم به برق شهر 220 متصل می‌شوند و خروجی جریان مستقیم  (DC) با ولتاژ پایین، مثلاً 3 ولت را، برای ما فراهم می‌کنند . خروجی این نوع منبع تغذیه‌ها جریان کمی در حدود چند ده میلی‌آمپر تولید می‌کنند.

.

چرا منابع بدون ترانس؟

مهم‌ترین برتری این نوع مدارهای تغذیه، حذف ترانسفورماتور از دستگاه است که مزیت آن کاهش قیمت، کاهش حجم و کاهش وزن دستگاه می‌باشد.

.

کاستی‌های این منابع کدام‌اند؟

مهم‌ترین کاستی این منابع، «محدودیت در جریان خروجی» می‌باشد، طوری که جریان خروجی آن‌ها در بازه‌ی چند ده میلی‌آمپر قرار دارد و عملاً از این مقدارها فراتر نمی‌رود. کاستی‌های دیگرِ این منبع تغذیه‌ها عبارتند از عایق نبودن گالوانیکِ مدار و خروجیِ آن از فاز برق شهر (عدم جداسازی یا ایزولاسیون)، کند بودنِ پاسخ خروجی مدار در هنگام روشن شدن، و راندمان پایین.

.

بخش‌های منبع تغذیه‌ی بدون ترانس کدام‌اند؟

• یکسوساز، برای یکسوکردن ولتاژ متناوب ورودی،
• تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ، برای پایین آوردن ولتاژ ورودی به مقدار دلخواه،
• صاف‌کننده یا فیلتر ولتاژ خروجی، برای حذف ریپل (تموُّج) روی ولتاژ خروجی،
• تثبیت‌کننده یا رگولاتور ولتاژ خروجی، برای پایدار کردن ولتاژ خروجی منبع تغذیه،
• محدود‌کننده‌ی جریان هجومی^[2]، برای حذف اثرات گذرای ناشی از پالس‌ها و ضربان‌های روی ولتاژی ورودی و جریان‌های شارژکننده‌ی خازن‌ها.

.

نحوه عمل‌کرد این منبع تغذیه‌ها چگونه است؟

به زبان ساده، ولتاژ متناوب یا AC برق شهر ورودی به مدار، که شکل سینوسی دارد و از نیم سیکل‌های مثبت و منفی تشکیل شده است، به یک «مدار یکسوساز» فرستاده می‌شود. خروجی مدار یکسوساز فقط «نیم‌سیکل‌های مثبت» ولتاژ هستند و نیم‌سیکل‌های منفی از آن عبور نمی‌کنند. نیم‌سیکل‌های مثبت یک خازن با ظرفیتی در حدود چند ده تا چند صد میکروفاراد را شارژ می‌کنند تا بدین وسیله دامنه یا بزرگیِ «ریپل^[3]»‌های ولتاژ حاصل محدود گردیده و مانند خطِ مستقیم صاف شود (به همین دلیل آن را «جریان مستقیم» یا DC می‌خوانند). اگر از یکسوساز استفاده نمی‌شد، شارژ مثبت این خازن در زمان ورود نیم‌سیکل‌های منفی تخلیه می‌شد. وظیفه‌ی مدار تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ، کاهش‌دادن ولتاژ خروجی به حد مورد نظر می‌باشد. سرانجام، دیود زینر وظیفه تثبیت یا به عبارت دیگر رگولاسیون ولتاژ خروجی نهایی را بر عهده دارد.

.

یکسوسازی

برای یکسوسازی می‌توان از «پل دیود» برای «یکسوسازی تمام‌موج» و یا تک دیود برای «یکسوسازی نیم‌موج» استفاده کرد.

.

تصویر 1: شکل‌موج‌های ورودی و خروجی برای مدارهای یکسوساز نیم‌موج و تمام‌موج

.

باید به یاد داشت که در یک مدار تغذیه‌ی بدون ترانس، با یکسوسازی نیم‌موج فقط نصف مقدار جریانی را می‌توان به دست آورد که از همان مدار با یکسوسازی تمام‌موج حاصل می‌شود.

.

پایین‌آوردن ولتاژ بالا و روش‌های انجام آن

روش نخست: به کارگیری امپدانس‌ها

یک روش شناخته‌شده برای پایین‌آوردن ولتاژهای بالا، مثلاً ولتاژ 220 ولتی برق شهر، و رساندن آن مثلاً به 5 یا 12 ولت،  استفاده از مدارهای ساده‌ی تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ (مُقسِّم ولتاژ) مانند شکل زیر می باشد:

.

تصویر 2: مدار پایه‌ی تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ

.

برای Z₁ و Z₂ می‌توان از مقاومت اهمی خالص (مقاومت معمولی) استفاده کرد که البته عاقلانه نیست زیرا علاوه بر این که ولتاژ خروجی هیچ پایداری ندارد، تلفات توان الکتریکی مدار به صورت حرارت بسیار زیاد، و بازده و راندمان آن خیلی پایین و بد خواهد بود. اما چرا چنین است؟ چون: 1) «جریان مصرف‌کننده» یا «جریان بار» (جریان خروجی مدار) معمولاً ثابت نیست، با تغییر جریان در مصرف‌کننده، افت ولتاژ بر دو سر مقاومت‌ها نیز تغییر خواهد کرد و در نتیجه، ولتاژ روی مصرف‌کننده نیز دچار تغییر می‌شود که به هیچ وجه مطلوب نیست (کیفیت پایین مدار در موضوع پایداری ولتاژ)، 2) با نوسان ولتاژ ورودی، که معمولاً ولتاژ برق شبکه‌ی شهری است و گاه دچار افت و خیز ولتاژی می‌شود، ولتاژ خروجی مدار نیز تغییر پیدا می‌کند که باز هم امری نامطلوب است، 3) تفاوت میان ولتاژ ورودی و خروجی که معمولاً عدد بزرگی است، روی مقاومت 1 تلف می‌شود. هر چه جریان گذرنده از این مدار تقسیم ولتاژ بالاتر باشد، میزان توانی که روی این مقاومت به صورت حرارت تلف می‌شود، بالاتر می‌رود (راندمان پایین).

.

روش دوم :استفاده از دیود زینر

.

تصویر 3: مدار تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ با دیود زینر

.

این روش برتری‌های مهمی نسبت به مدار تقسیم ولتاژ مقاومتی دارد. از جمله این که مدارِ زینردار دارای ولتاژ خروجی ثابت و پایداری در ازای «بار متغیر» و در ازای نوسان در ولتاژ ورودی و تغییر در آن است. اما، در مدار زینری همچنان کاستیِ راندمان پایین به علت افت توان در مقاومت 1 باقی است.

.

خازن فیلتر یا صافی خروجی

این خازن وظیفه‌ی صاف کردن ولتاژ خروجی یکسوساز را بر عهده دارد. این خازن که معمولاً از نوع الکترولیت است، با ولتاژ خروجی موازی بسته می‌شود. انتخاب ظرفیت این خازن رابطه‌ی مستقیم با مقدار جریان مصرف‌کننده دارد.

.

امپدانس ورودی  Z₁

همان گونه که در بالا گفته شد، Z₁ یک امپدانس است که برای آن می‌توان از مقاومت اهمی معمولی استفاده کرد که به علت راندمان پایین، پیشنهاد نمی‌شود. روش دیگر، استفاده از خازن و «امپدانس»، یعنی «مقاومت جریان متناوب» آن در مسیر جریان متناوب است که راندمان بهتری به دست می‌دهد. این خازن را نباید با خازن صافی ولتاژ خروجی اشتباه گرفت. مقدار ظرفیت این خازن که جایگزین Z₁ می‌شود بانظمامِ ولتاژ کارِ دیود زینر، با هم در مجموع جریان خروجی قابل ارایه را تعیین می‌کنند .

.

دیود یا دیودهای یکسوساز در کجای مدار قرار می‌گیرند؟

یکسوسازی می‌تواند «پیشازینر» (Pre Zener)، و یا «پسازینر» (Post Zener) انجام شود. با قرار دادن دیود یکسوساز به دنبال زینر، از تخلیه‌ی شارژ خازن از مسیر زینر جلوگیری می‌شود، اما در عوض ولتاژ خروجی به میزان 0/7 ولت از ولتاژ زینر کم‌تر خواهد بود .

برای یکسوسازی تمام‌موج با استفاده از «پل دیود^[4]»، یکسوسازی باید پیشازینر انجام شود. به عبارت دیگر، یکسوساز باید بین منبع و زینر قرار بگیرد. این به این دلیل است که زینر بتواند هنگامی که ولتاژ نیم‌سیکل منفی به آن اعمال می‌شود، وظیفه خود را به درستی انجام دهد. استفاده از پل یکسوساز تمام‌موج ما را مطمئن می‌کند که ولتاژ ورودی (V_in) همیشه مثبت خواهد بود. این امر به زینر اجازه ایجاد ولتاژ زینری را خواهد داد .

اما، اگر پل یکسوساز پسازینر و پیش از خازن قرار گیرد، باعث می‌شود که دیود زنر در نیم‌سیکل منفی در «گرایش مستقیم^[5]» قرار گیرد که علاوه بر افزایش تلفات، کاهش ولتاژ خروجی را نیز در پی خواهد داشت .در نتیجه، در یکسوسازی با پل دیود، یکسوساز باید پیش از زینر قرار گیرد.

البته یک دیود مسدودکننده نیز می‌توان بعد از زینر قرار داد تا از تخلیه‌ی شارژ خازن در زینر جلوگیری کند )که معمولا این کار انجام نمی‌شود).

.

یکسوسازی نیم‌موج

در این حالت فقط باید یک دیود مسدودکننده به دنبال زینر قرار بگیرد چون، همان طور که می‌دانیم، در ولتاژ ورودی، هنگام گذر از یک نیم‌سیکل به نیم‌سیکل بعدی، ولتاژ ورودی به صفر می‌رسد که این اتفاق اجازه‌ی تخلیه‌ی شارژ خازن را از طریق دیود می‌دهد. لذا با قرار دادن دیود بعد از زینر از پیش‌آمدن این اتفاق جلوگیری می‌شود. این اتفاق در زینرهای کمتر از 6 ولت مشهود‌تر است، زیرا منحنی ولتاژ – جریان آن‌ها تمایل به نرم‌تر بودن دارد. به این معنا که زینر ممکن است قبل از رسیدن ولتاژ به سطح زینری شروع به هدایت کند. البته، در بسیاری از موارد این موضوع قابل چشم‌پوشی است .

پیکربندی‌های پایه‌ایِ منبع تغذیه بدون ترانس با ساختارهای زیر مشخص می شوند:

1- خازنی یا مقاومتی بودن Z₁،

2- تمام‌موج یا نیم‌موج بودن یکسوساز

3- «پسازینر» یا «پیشازینر» بودن یکسوسازی.

نکته: پیکربندی  به صورت «یکسوسازی تمام موج پسازینر» اصلاً قابل اجرا نیست.

.

منبع تغذیه مقاومتی

تلف توان در R₁ برای یکسوساز تمام‌موج عبارت است از مجذور ولتاژ موثر دو سر R₁ تقسیم بر مقاومت اهمی R₁. ولتاژ موثر دو سر R₁ تقریباً برابر است با مقدار موثر ولتاژ ورودی منهای ولتاژ DC خروجی.

.

.

انواع مدارهای تغذیه بدون ترانس

.

تصویر 4: جدول پیکربندی‌ها و ویژگی‌های متقابل منبع تغذیه‌های بدون ترانس

.

ولتاژ موثر ورودی برای یک یکسوساز نیم‌موج با دیود مسدودکننده از نوع پیشازینر منطبق با فرمول زیر کاهش خواهد یافت:

.

.

تمام جریانی که از R₁ می‌گذرد، می‌تواند بالقوه در خروجی ظاهر شود. تنها هنگامی که دیود زینر به حالت هدایت می‌رود، جریان مذکور در زینر به صورت گرما تلف خواهد شد. میانگین جریانی که از مقاومت 1 عبور می‌کند، نشانگر بیشینه‌ی جریان خروجی است که یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس می‌تواند تولید کند. واژه‌ی «بیشینه» در این‌جا به کار رفته، زیرا جریان کم‌تر (تا صفر آمپر) همواره می‌تواند به خروجی تحویل شود، که در این حالت زینر، خود، جریان استفاده نشده را مصرف می‌کند.

مقاومت 1 از خود معدلی از جریان را عبور می‌دهد که تابع معدل ولتاژ اِعمال شده بر آن است. وقتی ورودی به این مقاومت یک ولتاژ متناوب یکسوشده‌ی تمام موج باشد، به این معناست که مقدار جریان خروجی وابسته به میانگین مقدار مطلق شکل‌موج AC خواهد بود. با نگاهی به تصویر 1 که ولتاژ خروجی تمام موجی را نشان می‌دهد، می‌بینیم که محاسبه‌ی میانگین ولتاژ AC برای نیمه‌ی مثبتِ یک چرخه‌ی ولتاژی با شکل سینوسی، میانگین کل این چرخه‌ی AC به دست می‌دهد:

.

.

برای یک ولتاژ متناوب ورودی یکسوشده به صورت نیم‌موج، جریان خروجی نصف میانگین نیم‌سیکل مثبت ولتاژ ورودی خواهد بود (زیرا جریان خروجی در طول نیم‌سیکل دیگر صفر می‌ماند). این امر سبب کاهش 50 درصدی در میانگین جریان خروجی نسبت به یکسوسازی تمام‌موج می‌شود. بنابراین خواهیم داشت:

.

.

نتیجه‌ی این روش محاسبه معمولاً به صورت مقداری در بازه‌ی چند درصد با نتایج عملی قرار دارد. چنین دقتی در اغلب موارد کفایت می‌کند، زیرا فاکتورها و عوامل دیگری نیز در کار هستند که بر کیفیت مدار با شدت بیش‌تری تاثیرگذارند. از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به تغییرات ظرفیتی و نوسانات ولتاژ ورودی اشاره کرد.

.

محاسبه‌ی پیش‌رفته

هر گاه محاسبه‌ی دقیق‌تری مورد نیاز باشد، معادله‌های آمده در این بخش باید به کار گرفته شوند. ولتاژ اندازه‌گیری شده بر دو سر مقاومت 1 به اندازه‌ی ولتاژ خروجی پایین می‌آید. برای ولتاژهای خروجیِ کوچک (زیر 10 ولت) می‌توان از V_pk - V_zener استفاده کرد، در حالی که برای ولتاژهای خروجی بزرگ‌تر از 10 ولت، شبیه‌سازی توصیه می‌شود، چرا که در این حالت منحنی ولتاژ روی مقاومت 1 از حالت سینوسی فاصله می‌گیرد و با بالاتر رفتن ولتاژ خروجی این منحنی کم‌تر و کم‌تر به یک منحنی سینوسی شباهت خواهد داشت. لازم به یادآوری نیست که هر گاه ولتاژ زینر از ولتاژ ورودی بزرگ‌تر باشد، جریان گذرنده و ولتاژ روی دو سر مقاومت 1 به صفر تنزل پیدا خواهد کرد.

مانند پیش، ولتاژ متناوب سینوسی ورودی با عبارت  نمایش داده می‌شود. جریان تنها هنگامی وارد مدار می‌شود که ولتاژ ورودی از ولتاژ زینر بالاتر برود. بنابرابن می توانیم ولتاژ زینر را از ولتاژهای واقع در تمام نقاط مدار کم کنیم. البته، ما فقط می‌خواهیم ولتاژها را وقتی که دامنه‌ی ولتاژ سینوسی از ولتاژ زینر فراتر رفت، تعیین کنیم، زیرا از آن لحظه به بعد است که جریان در مقاومت 1 برقرار و جاری خواهد شد. این موقعیت‌ها در حدود انتگرالِ فاصله‌ی اندکی پس و پیش از زاویه ی«صفر» و «پی» قرار دارند. سینوس زاویه در جاهایی که موج سینوسی از ولتاژ زینر تجاوز می‌کند، عبارت خواهد بود از V_zener/V_pk. در نتیجه، حد شروع برای انتگراسیون عبارت خواهد بود از:

.

.

سطح مورد نظر در انتگراسیون ما در تصویر زیر به صورت گرافیکی نمایش داده شده است.

.

تصویر 5: حدود و نمایش گرافیکی انتگرال نسبت ولتاژها

.

آن انتگراسیون، تقسیم بر کل چرخه (پریود) تا «پی»، میانگین ولتاژی را، که روی مقاومت 1 خوانده می‌شود، به ما می‌دهد. می‌توانیم این مقدار را بر مقدار اهمی مقاومت 1 تقسیم کنیم تا میانگین جریانی را که از این مقاومت عبور خواهد کرد، به دست بیاوریم. و این مقدار، همان میانگین جریانی است که برای شارژ کردن خازن صافی مدار به کار گرفته خواهد شد. چون باید تعادلی میان «آمپر-ثانیه»ی ورودی به خازن و «آمپر-ثانیه»ی کشیده شده از خازن وجود داشته باشد، این جریان میانگین مقاومت 1 همچنین نمایشگر بیشینه‌ی جریانی (I_max) که می‌توانیم از مدارمان بگیریم نیز هست.

پس، معادله‌ی نهایی برای یکسوسازی تمام‌موج عبارت خواهد بود از:

.

.

یادآور می‌شود که در معادله‌ی بالا، برای ساده کردن آن، از افت ولتاژ ناشی از قرار دادن هر نوع دیود مسدودکننده، پیش یا پس از یکسوسازی، چشم‌پوشی شده است، اما، در صورت نیاز، می‌توان افت ولتاژ یا ولتاژهای مذکور را به ولتاژ زینر افزون کرد. تنها تغییر در یکسوسازی نیم‌موج، در مخرج کسر بالاست که به جای «پی» دوبرابر آن  (2 پی) قرار می‌گیرد. علت این است که بر خلاف یکسوسازی تمام‌موج که در آن الگوی جریان ورودی هر 180 درجه (پی) تکرار می‌شود، در یکسوسازی نیم‌موج این تکرار و تواتر در هر 360 درجه یک بار اتفاق می‌افتد. در این حال خواهیم داشت:

.

.

در همه‌ی پیکربندی‌ها (یکسوسازی نیم‌موج و تمام‌موج)، بدترین حالتِ تلف حرارتی در دیود زینر عبارت است از:

.

.

و بدترین حالتِ تلف حرارتی در مقاومت 1 برابر است با:

.

.

خطای افزاره‌ها (تولرانس) و ضریب اطمینان (پایین‌تر گرفتنِ توان مجاز افزاره‌ها در حد 50% از مقدار گفته‌شده در «داده‌برگ» آنها) را باید هنگام انتخاب مشخصات تلفات حرارتی افزاره‌ها در نظر داشت. علاوه بر این، توجه به راهنمایی‌ها و توصیه‌های سازنده‌ی افزاره در خصوص مسایل مرتبط با تلف حرارتی آن حائز اهمیت می‌باشد.

.

منبع تغذیه‌های بدون ترانسفورماتور خازنی

در مقایسه با منبع تغذیه‌های بدون ترانس مقاومتی، اصولاً منبع تغذیه‌ی بدون ترانس خازنی برای تامین جریان زیاد (در حدود چند ده میلی‌آمپر) به کار گرفته می‌شود، زیرا به‌ویژه راندمان نسبتاً بهتر مدار خازنی طراح را از اتخاذ تمهیداتی برای خنک‌کردن آن بی‌نیاز می‌کند.

اگر ما به جای امپدانس Z₁ از یک خازن (C₁ یا C_in) استفاده کنیم، راندمان مدار بهبود خواهد یافت، زیرا در این‌جا دیگر، مانند وقتی که یک مقاومت داشتیم، جریانی که از افزاره می‌گذرد، گرما ایجاد نخواهد کرد، چون هم آمپر-ثانیه‌ای که در خازن 1 ذخیره می‌شود، و هم آمپر-ثانیه‌ای که از آن تخلیه می‌شود بدون تلفات است. به جای این که جریان خروجی تابعی از نسبت ولتاژ قله‌ای به مقدار اهمی مقاومت 1 باشد، در مدار خازنی جریان خروجی تابع ظرفیت خازن و مشتق تابع ولتاژ به زمان خواهد بود.

.

مقاومت ورودی برای محدودکردن جریان هجومی

با وجود این که برتری اصلی در استفاده از خازن جهت ایجاد امپدانس Z₁ کاستن از تلفات مدار است، همچنان مقداری تلف مقاومتی به مدار تحمیل خواهد شد. دلیل این امر آن است که اگر خازن جایگزین امپدانس 1 مستقیم و بدون هیچ مقاومت محدودکننده‌ای به صورت اتفاقی درست در لحظه‌ای به منبع AC وصل شود که ولتاژ منبع در قله‌ی خود قرار داشته باشد، مسیر خازن به صورت یک «اتصال کوتاه» برای منبع ولتاژ خواهد بود و سبب شارژ بسیار سریع خازن خواهد شد. این جریان شارژ می‌تواند به حدی زیاد شود که سبب پریدن فیوزهای خانه شود! علاوه بر این، جریان هجومی بسیار بالا می‌تواند در هنگام زدن دوشاخه‌ی دستگاه به پریز سبب جرقه‌زنی نامطلوبی شود. به منظور کاستن از جریان هجومی، معمولاً یک مقاومت کم اهم با خازن  ورودی سری می‌شود. مقدار اهمی این مقاومت باید به اندازه‌ای کوچک انتخاب شود که تلفات حرارتی زیادی ایجاد نکند و همزمان، آن قدر بزرگ باشد که جریان هجومی را تا حد قابل قبول کاهش دهد. معمولاً فیوز پریزهای اتاق خانه‌ها 16 آمپری انتخاب می‌شود. اگر بیشینه‌ی جریان اتصال‌کوتاه را 5 آمپر در نظر بگیریم، مقدار مقاومت R₁ نباید کم‌تر از حاصل تقسیم ولتاژ قله‌ای برق شهر بر 5 آمپر باشد. در شبکه‌ی 220 ولتیِ برق شهریِ ما ولتاژ قله‌ای در پریز برق به 312 ولت می‌رسد. بنابراین، مقاومت مورد بحث باید در حدود 62 اهم انتخاب شود. همچنین، در صورتی که بخواهیم جریان هجومی را مثلاً به 0/5 آمپر محدود کنیم، باید یک مقاومت 625 اهمی به کار ببریم.

.

.

تلف توان ماندگار^[6] حاصل از حضور این مقاومت اضافی (به صورت حرارت) با بیشینه‌ی جریان خروجی منبع تغذیه تعیین می‌گردد.

.

.

برای منبع تغذیه‌های بدون ترانس خازنی مصالحه‌ای میان کاستن از جریان هجومی و کاستن از تلف توان توسط مقاومت وجود دارد.

اگر یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس برای تامین بیشینه 30 میلی‌آمپر طراحی شده باشد، و مقدار مقاومت 1 برابر 62 اهم (با فرض جریان هجومی 5 آمپری) باشد، عبور جریان باعث تولید 0/06 وات حرارت در این مقاومت خواهد شد. به همین شکل، اگر مقاومت را 620 اهمی بگیریم (برای محدود کردن جریان هجومی به حدود 0/5 آمپر)، حرارت ایجاد شده نزدیک به 0/6 وات خواهد بود.

.

تعیین ظرفیت خازن ورودی

اندازه‌ی خازن ورودی تعیین‌کننده‌ی مقدار جریانی است که در خروجی منبع تغذیه‌ی بدون ترانس خازنی در دسترس خواهد بود. این خازن باید قادر به کار در نیم‌سیکل‌های مثبت . نیم‌سیکل‌های منفی ولتاژ متناوب ورودی باشد. بنابراین نمی‌توان برای آن از خازن‌های الکترولیتی استفاده کرد. برای رسیدن به الزامات حفاظتی استاندارد UL برای دستگاه‌های برقی خانگی، این خازن باید برای کاربرد به صورت سری با برق شبکه مجاز شناخته شده باشد. چنین خازنی معمولاً دارای عایقی از یک نوع فویل پلی‌مری است. توصیه می‌شود نوشتار «خازن های ضداختلال، خازن های مسدودکننده» با دقت مطالعه شود.

هر قدر ظرفیت خازن ورودی بزرگ‌تر باشد، جریان خروجی به همان نسبت بیش‌تر خواهد بود. جریان از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

.

.

البته، مقاومت ورودی محدودکننده‌ی جریان هجومی هم مقداری امپدانس (مقاومت AC) از خود نشان می‌دهد که عملاً ولتاژی را که بر روی خازن ورودی قرار می‌گیرد، کم‌تر می کند. برای محاسبه‌ی بیشینه ی جریان خروجی، روشی که بسیار به منبع تغذیه‌ی مقاومتی شبیه است، به کار برده می‌شود. در این روش فقط R₁ با یک امپدانس مرکب از مقاومت و خازن، Z₁، جایگزین می‌شود. معادله‌ی محاسبه‌ی جریان ورودی برای منبع تغذیه‌ی بدون ترانس خازنی با یکسوسازی تمام‌موج این طور به نظر می‌رسد:

.

.

خالی کردن امن خازن ورودی

هنگامی که دوشاخه‌ی یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس خازنی را از پریز برق بیرون می‌کشیم، هیچ تضمینی وجود ندارد که خازن ورودی آن در وضعیت تخلیه (دشارژشده) قرار داشته باشد. در مداری که پس از جدا کردن آن از برق شبکه، معمولاً بی‌خطر فرض می‌شود، این امر دربردارنده‌ی خطر بروز شوک الکتریکی با ولتاژ زیاد برای کاربرِ آن است. برای مقابله با این نگرانی، غالباً مقاومتی با مقدار اهمی زیاد با این خازن موازی بسته می‌شود. معمول است که یک مقاومت یک مگااهمی را با خازن ورودی موازی می‌کنند. نوع مقاومتی که به کار برده می‌شود باید قابل کاربرد در ولتاژ قله‌ای برق شهر باشد.

.

دغدغه‌هایی در خصوص بهبود کارایی

دغدغه‌های دیگری که ممکن است هنگام طراحی یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس خودنمایی کنند، عبارتند از ریپل روی ولتاژ خروجی، داشتن ولتاژهای خروجی چندگانه، تلف توان در دیودهای زینر، و استفاده از یکسوسازی تمام‌موج به جای نیم‌موج.

.

ریپل (تَمَوّج) خروجی

چون فرکانس ولتاژ ورودی 50 هرتز است، در حالت یکسوسازی نیم‌موج یک ریپل 50 هرتزی، و در حالت یکسوسازی تمام‌موج یک ریپل 100 هرتزی روی خازن خروجی وجود خواهد داشت. برای مقدار یکسان جریان خروجی، مدار یکسوسازی شده‌ی تمام‌موج نصف ریپل خروجی به نسبت یکسوسازی نیم‌موج خواهد داشت. ولتاژ قله‌ایِ ریپل روی ولتاژ زینر قرار دارد. این موضوع بایستی هنگام تعیین آستانه‌های کمینه و بیشینه‌ی ولتاژیِ مصرف کننده مورد توجه قرار گیرد.

دامنه‌ی ولتاژ ریپل مستقیم با مقدار جریان بار تغییر می‌کند. هر چه جریان بار بالاتر باشد، دامنه‌ی ریپل را افزایش می‌دهد. پیشنهاد می‌شود برای تعیین این که آیا ریپل در بازه‌ی قابل قبول قرار دارد، شبیه‌سازی انجام شود.

در کاربردهایی که ریپل بیش از انتظار تولید می‌کنند، خروجی مدار باید با استفاده از یک «رگولاتور ولتاژ با افت ولتاژ کم^[7]» یا یک «مبدل DC به DC^[8]» کوچک بهبود داده شود. هر دو تدبیر نام‌برده به «حذف ریپل منبع تغذیه^[9]» خواهد انجامید. در صورت استفاده از رگولاتور ولتاژ بایستی ولتاژ زینر را 1 تا 2 ولت بالاتر از ولتاژ خروجی رگولاتور گرفت تا افت ولتاژ لازم برای کارکرد صحیحِ رگولاتور تامین شود.

هنگام استفاده از مبدل ولتاژ در خروجی منبع تغذیه‌ی بدون ترانس، این امکان وجود دارد که ولتاژ ورودی به مبدل در بازه‌ی وسیعی تغییر کند. این امر اجازه‌ی کسب جریان‌های خروجی بزرگ‌تری را ‌می‌دهد. در هر منبع تغذیه‌ی بدون ترانس، به خاطر تلفات حرارتی مقاومتی، جریان خروجی معمولاً به چند ده میلی آمپر محدود است. میانگین بیشینه‌ی جریان خروجی می‌بایستی از یک مقاومت گذر کند (چه این مقاومت یک امپدانس مقاومتی و یا مقاومت محدودکننده‌ی جریان هجومی باشد) که یک ولتاژ زیاد در دو سر آن قرار دارد که می‌تواند گرمای زیادی در حدود چند وات تولید کند.

اگر از یک «مبدل ولتاژ کاهنده» در خروجی منبع تغذیه‌ی بدون ترانس استفاده شود، می توان یک ولتاژ خروجی بالاتر (مثلاً 24 ولت) را با کارآیی خوب به ولتاژ دلخواه پایین آورد (مثلاً به 3 ولت) و همزمان جریان خروجی بالاتری، حتی تا بیش از 100 میلی‌آمپر نیز، در اختیار داشت. در چنین کاربردهایی حرارت تولیدی در دیود زینر (در حالت بی‌باری) می‌تواند به عامل محدودکننده‌ی طراحی تبدیل شود.

افزایش جریان خروجی در کنار کاهش ولتاژ ریپل برتری‌هایی هستند که به بهای هزینه‌ی اضافه کردن یک مبدل DC به DC به دست می‌آیند.

.

تلف توان در دیود زینر

در این مدار دیود زینر توانی را تلف می‌کند. در بدترین حالت، یعنی در زمانی که جریان بار صفر باشد، بیشینه‌ی جریان از طریق زینر عبور خواهد کرد. مقدار توان زینر از ضرب ولتاژ زینر در جریان نامیِ خروجیِ منبع تغذیه به دست می‌آید. بنابراین، هر چه ولتاژ زینر بالاتر باشد و هر چه توان نامی منبع تغذیه بیش‌تر باشد، زینر گرمای بیش‌تری تولید خواهد کرد.

.

.

برای کسب اطمینان از این که کارآیی خواسته‌شده در دمای عملیاتی زینر به دست می‌آید، ضروریست که ویژگی‌های حرارتی دیودهای زینر مورد توجه قرار گیرد. در صورت لزوم، توان تلفاتی پیشازینر را می‌توان با استفاده از چند زینر به صورت متوالی (سری) کاهش داد، اما این بهبود به بهای زیادتر شدن افزاره‌ها و فضای فیبر مدار چاپی به دست خواهد آمد.

.

خروجی‌های چندگانه

گرفتن چند ولتاژ خروجی به طور همزمان از یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس امکان‌پذیر است. این کار با پشته‌کردن چند دیود زینر به صورت متوالی و بیرون دادن خروجی‌هایی از ولتاژهای دلخواه انجام می‌شود. هر یک از زینرهای «سری بسته شده» مستقلاً قادر به تامین بیشینه‌ی جریان خروجی نامی منبع تغذیه می‌باشد. مثلاً، یک مدار 30 میلی‌آمپری که دو ولتاژ 3/3 ولت و 24 ولت را به ترتیب از روی زینرهای 3/3 ولتی و 24 ولتی برداشت می‌کند، مطابق تصویر زیر می‌تواند برای هر یک از دو خروجی مدار به طور جداگانه یک منبع 30 میلی‌آمپری باشد.

.

.

چند سناریوی بسیار سودمند برای پشته‌کردن دیودهای زینر به شرح زیر وجود دارد:

.

تغذیه کردن میکروکنترلر و بوبین رله: برای تغذیه‌ی میکروکنترلر یک خروجی ولتاژ کم تامین می‌شود که به یک رله‌ی 24 ولتی از طریق یک «اوپتوایزولاتور^[10]» فرمان می‌دهد. اصولاً بوبین رله‌های ولتاژ پایین جریان خیلی زیادی مصرف می‌کنند که برای منبع تغذیه‌های بدون ترانس مشکل‌ساز است، در حالی که با این روش (استفاده از رله 24 ولتی) منبع تغذیه قادر به پشتیبانی بوبین رله، که جریان کم‌تری می‌کشد، هست.

.

تولید ولتاژ متقارن: در مدارهایی که به یک ولتاژ مثبت و یک ولتاژ منفی نیاز دارند، نقطه‌ی اتصال میان دو زینر متوالی مانند «زمین» عمل می‌کند، در حالی که سرهای دیگر زینرها، یکی خط مثبت و دیگری خط منفی تغذیه را شکل می‌دهند. شرط نیل به این قابلیت این است که در مدار، یکسوسازیِ پسازینر برای خروجیِ پایینی صورت نگرفته باشد.

.

تولید چند خروجی با زمین مشترک: مدارهایی با دو یا تعداد بیش‌تری ولتاژ ورودی، می‌توانند یک زمین مشترک داشته باشند، اما مجموع جریانی که می‌کشند نباید از جریان نامی مدار تغذیه فراتر رود. مصرف جریان بیش‌تر باعث افت ولتاژ خروجی می‌شود. در این حالت، ضروریست زینرها طوری انتخاب شوند که مجموع ولتاژهایشان ولتاژهای مورد نظر را به دست دهد. به عنوان مثال، برای تولید 3 و 12 ولت، باید یک زینر 3 ولتی با یک زینر 9 ولتی سری بسته شود. سود دیگرِ این سناریو این است که اگر یکسوسازی پسازینر برای 3 ولت وجود نداشته باشد، این خروجیِ 3 ولت هم قادر به «فرستادن جریان به مصرف‌کننده^[11]» (وقتی یک انتهای بار به زمین وصل باشد) و هم قادر به «دریافت جریان از مصرف‌کننده^[12]» (وقتی که یک انتهای بار به یک ولتاژ وثبت وصل باشد) است.

.

تلفات توان زینر: همان طور که پیش از این گفته شد، دیودهای زینر را می‌توان به صورت متوالی، پشت سر هم، به یکدیگر متصل نمود تا تلف توان در میان آن‌ها تقسیم شود و در بازه‌ی مجاز تلف توانِ هر زینر باقی ماند و از محدودیت‌ها فراتر نرفت. نباید بررسی کردن این موضوع را فراموش کرد که گاهی، در چنین مواردی، استفاده از یک منبع تغذیه‌ی معمولی سودمندتر از به کارگیری یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس است. حتی اگر هزینه‌ی خالص ساخت یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس پایین‌تر باشد، آنالیز مصرف دایمی انرژی در آن در طول زمان مفید کاری‌اش (مثلاً 10 سال) ممکن است طراح را به این نتیجه برساند که منبع تغذیه‌ی معمولی در درازمدت دارای صرفه‌ی اقتصادی بیش‌تری نسبت به یک منبع تغذیه‌ی بدون ترانس ارزان‌قیمت است. منبع تغذیه‌ی بدون ترانس همواره یک میانگین توان را، گذشته از این که مصرف‌کننده‌ای به آن وصل باشد یا نباشد، مصرف (تلف) می‌کند.

.

راه‌اندازی مستقیمِ ترایاک‌ها و تریستورها

برای منبع تغذیه‌های بدون ترانسی که در پیوند با کنترل و فرمان ترایاک‌ها و تریستورها قرار دارند، یک تفاوت کلیدی میان مدار یکسوسازی نیم‌موج و تمام‌موج وجود دارد. در مدار یکسوسازی نیم‌موج «یکی از سیم‌های برق شبکه» مستقیم به خط زمین خروجی ولتاژ کم وصل است. این موضوع با یکسوسازی تمام‌موج در تضاد قرار دارد، زیرا در آن‌جا دیودهای یکسوساز مسیر رسانش را به طور متناوب به «خط نول و فاز برق شبکه» هدایت می‌کنند، طوری که در یک نیم‌سیکل زمینِ سمتِ DC به خط نول سمت AC وصل می‌شود، و در نیم‌سیکل بعدی به خط فاز سمت AC .

نظر به این که در یکسوسازی تمام‌موج هیچ تضمینی برای وجود «اتصال به نول» دایمی وجود ندارد، بخشِ جریان مستقیمِ مدار منبع تغذیه‌ی بدون ترانس بایستی از طریق یک طبقه‌ی جداساز (مانند یک «اوپتوترایاک^[13]») ترایاک‌ها و تریستورها را کنترل کند و به آن‌ها فرمان دهد. این همچنین بدین معناست که راه‌اندازی ترایاک یا تریستور توسط خود ولتاژ AC (از طریق یک مقاومت محدودکننده‌ی جریان و یک اوپتوترایاک) انجام می‌پذیرد. این روش کنترل برای مدارهای یکسوساز نیم‌موج هم قابل استفاده است. البته، برای جلوگیری از داغ شدن، لازم است که زمان‌بندی پالس فرمان^[14] (با محدودکردن پهنای پالس‌های تریگ‌کننده به 50 میکروثانیه یا چیزی در این حدود) و همچنین مقدار مقاومت محدودکننده‌ی جریان گِیت با دقت محاسبه شود. گیت باید به مدت کافی در تراز تریگ بماند تا ترایاک یا تریستور به مرحله‌ی قفل‌شدگی^[15] برسد، اما، از سوی دیگر، تریگ باید سریع قطع شود تا مقاومت محدودکننده پس از پایدار شدن و ابقای عملکردِ افزاره دچار حرارت زیاد نشود. پیداییِ این گرما بدین خاطر است که در طول زمانی که گِیت در تراز تریگ است، کلّ ولتاژ AC روی مقاومت گِیت قرار خواهد داشت.

در مدار نیم‌موج امکان دیگری هم وجود دارد: تحریک ترایاک یا تریستور توسط ولتاژ پایین DC. چون زمینِ بخش DC با خط نول بخش AC مشترک است، مدار بخش DC می‌تواند جریان تریگ گِیت لازم برای راه‌اندازی ترایاک یا تریستور را تامین کند. اگر این مدار بتواند با جریان کافی حاصل از فقط یک نیم‌موجِ یکسوشده تغذیه شود، نه تنها سبب کاهش هزینه (با حذف اوپتوترایاک) می‌شود، بلکه همچنین می‌تواند مدار کنترل را ساده کرده و تولید گرما را هم کاهش دهد. در صورتی که سیگنال تحریک گِیت از بخش ولتاژ پایین سرچشمه بگیرد، این سیگنال می‌تواند به صورت نامحدود حضور داشته باشد. این موضوع، استفاده از ترایاک و تریستور را به همان شکلی که از یک رله استفاده می‌شود (سیگنال دایمی روشن/خاموش)، امکان‌پذیر می‌سازد که این خود نیاز به به‌کارگیریِ تایمر میکروکنترلر را رفع و یک تایمر را آزاد می‌کند. به علاوه، این امر  ضرورت‌های زمان‌گیری را برای کاربردهایی که برای استفاده در «تحریک زاویه فاز^[16]» انتخاب می‌شوند، کاهش می‌دهد، چرا که لزومی ندارد زمان خاموشی^[17] برای سیگنال گِیت به همان دقتی باشد که سیگنالِ گِیت در حالت راه‌اندازی با اوپتوترایاک بود.

.

.

مطالب مرتبط:

بررسی مدار شارژر یک چراغ قوه

خازن های ضداختلال، خازن های مسدودکننده

.

.

منبع:

DESIGNER CIRCUITS LLC, Design Note 001C

.

.

پانویس‌ها:

[1] Transformerless Power Supply

[2] Inrush Current

[3] Ripple

[4] Diode Bridge

[5] Forward Bias

[6] Steady State

[7] LDO – Low Drop Out Voltage Regulator

[8] DC-DC Converter

[9] PSRR – Power Supply Ripple Rejection

[10] Optoisolator

[11] Source Current

[12] Sink Current

[13] Optotriac

[14] Pulse Timing

[15] Latch On

[16] Phase-Angle Firing

[17] Turn Off Time

.

.

www.etesalkootah.ir ||   2018-08-21© 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.

.