منبع تغذیه ترانسی چیست و چگونه کار می کند؟

منبع تغذیه ترانسی چیست و چگونه کار می کند؟ همانطور که از نام آن پیداست، منبع تغذیه قطعه­ای است که برق یک دستگاه الکتریکی را تامین می­کند. ساده­ترین طراحی منبع تغذیه، منبع تغذیه خطی است که از یک ترانسفورماتور و یکسو کننده برای تبدیل ولتاژ از یک پریز دیواری به نوع برق مورد نیاز دستگاه استفاده می­کند. دو نوع از این نوع منبع تغذیه وجود دارد: تنظیم شده و غیرقابل تنظیم.

برق به صورت جریان متناوب (AC) در خانه­ها و مشاغل توزیع می­شود. این جریان متناوب نامیده می­شود زیرا بار الکتریکی به طور متناوب جهت آن را تغییر می­دهد. بسیاری از دستگاه­های الکتریکی برای درست کار کردن به جریان مستقیم (DC) نیاز دارند که جهت آن تغییر نمی­کند. منبع تغذیه، برق AC را می­گیرد و آن را به برقی تبدیل می­کند که یک دستگاه الکتریکی می­تواند از آن استفاده کند.

مبانی منبع تغذیه خطی

منبع تغذیه خطی که با عنوان منبع تغذیه ترانسی هم شناخته می­شود، نام خود را از این واقعیت به دست می‌آورد که از تکنیک‌های خطی، یعنی غیر سوئیچینگ برای تنظیم ولتاژ خروجی از منبع تغذیه استفاده می‌کند. اصطلاح منبع تغذیه خطی به این معنی است که منبع تغذیه برای تامین ولتاژ صحیح در خروجی تنظیم می شود.

ولتاژ حس می­شود و این سیگنال به طور معمول به نوعی تقویت کننده تفاضلی برگشت داده می­شود که در آن با ولتاژ مرجع مقایسه می­گردد و سیگنال حاصل برای اطمینان از باقی ماندن خروجی در ولتاژ مورد نیاز استفاده می­شود.

گاهی اوقات سنجش ولتاژ ممکن است در پایانه­های خروجی انجام شود، یا در برخی موارد ممکن است مستقیماً در بار به دست آید. سنجش از دور در جاهایی استفاده می­شود که ممکن است تلفات اهمی بین منبع تغذیه و بار وجود داشته باشد. اغلب لوازم نیمکت­های آزمایشگاهی این قابلیت را دارند.

منابع تغذیه خطی مختلف، مدارهای مختلفی خواهند داشت و در صورت نیاز به قابلیت­های اضافی، بلوک­های مدار متفاوتی را در خود جای می­دهند، اما آنها همیشه شامل بلوک­های اصلی و همچنین برخی از بلوک­های اضافی اختیاری هستند.

انواع منابع تغذیه

منابع تغذیه به دو صورت اصلی وجود دارند: حالت خطی و سوئیچینگ. مدارهای درون یک منبع تغذیه خطی از سیگنالی استفاده می­کنند که در طول زمان دامنه آن تغییر نمی­کند. این در حالی است که منبع تغذیه حالت سوئیچینگ از مدارهای دیجیتالی استفاده می­کند که دامنه آن در طول زمان تغییر می­کند. در ادامه به طور واضح­تر این دسته­بندی ارائه شده است.

تفاوت بین آن­ها شامل خروجی ولتاژ ثابت، کارایی هزینه، اندازه، وزن و ریپل است.

• منبع تغذیه خطی
• منبع تغذیه خطی تنظیم نشده
• منبع تغذیه خطی تنظیم شده
• منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه تنظیم نشده

منبع تغذیه تنظیم نشده شامل چهار جزء اصلی است: یک ترانسفورماتور، یکسو کننده، خازن فیلتر و یک مقاومت تخلیه کننده. این نوع منبع تغذیه به دلیل سادگی، کم­هزینه­ترین و قابل اطمینان­ترین برای نیازهایی با مصرف برق کم است. نقطه ضعف این منبع تغذیه این است که ولتاژ خروجی ثابت نیست و با ولتاژ ورودی و جریان بار، متفاوت خواهد بود و ریپل ایجاد شده برای کاربردهای الکترونیکی مناسب نیست. ریپل را می­توان با تغییر خازن فیلتر به فیلتر IC (سلف-خازن) کاهش داد، اما هزینه انجام این تغییر، استفاده از منبع تغذیه خطی تنظیم شده را به یک انتخاب اقتصادی­تر تبدیل می­کند.

منبع تغذیه خطی تنظیم شده

منبع تغذیه خطی تنظیم شده مشابه منبع تغذیه خطی تنظیم نشده است با این تفاوت که یک رگولاتور 3 ترمینال به جای مقاومت بلیدر استفاده می­شود.

منبع تغذیه خطی تنظیم شده، تمام مشکلات منبع تغذیه غیرقابل تنظیم را حل می­کند، اما به اندازه کافی کارآمد نیست زیرا تنظیم کننده 3 ترمینال، توان اضافی را به شکل گرما که باید در طراحی منبع تغذیه باشد، دفع می­کند. ولتاژ خروجی دارای موج ناچیز، تنظیم بار بسیار کم و قابلیت اطمینان بالا است، بنابراین آن را به یک انتخاب ایده­آل برای استفاده در کاربردهای الکترونیکی کم­توان تبدیل می­کند.

منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ، دارای یکسو کننده، خازن فیلتر، ترانزیستور سری، رگولاتور و ترانسفورماتور است، اما نسبت به سایر منابع تغذیه که در مورد آن صحبت کردیم، پیچیده­تر می­باشد. شماتیک زیر یک بلوک دیاگرام ساده است و همه اجزای منبع تغذیه را نشان نمی دهد.

ولتاژ AC با ترانزیستور سری و رگولاتور به یک ولتاژ DC تنظیم نشده اصلاح می­شود. این ولتاژ DC، به یک ولتاژ فرکانس بالا ثابت کاهش می­یابد که باعث می­شود اندازه ترانسفورماتور به طور چشمگیری کاهش یابد و منبع تغذیه بسیار کوچکتری را فراهم کند. معایب این نوع منبع تغذیه این است که تمام ترانسفورماتورها باید به صورت سفارشی ساخته شوند و پیچیدگی منبع تغذیه باعث تولید کم یا کاربردهای اقتصادی کم­توان نمی­شود.

اجزای مختلف منبع تغذیه خطی

هر منبع تغذیه خطی دارای بخش­های مختلفی است که در این­جا قصد داریم قسمت­های کلی آن را بررسی نمائیم.

ترانسفورماتور ورودی منبع تغذیه

از آنجایی که بسیاری از منابع تغذیه تنظیم شده، برق منبع خود را از ورودی برق AC می­گیرند، معمولاً برای منابع تغذیه خطی، ترانسفورماتور یک پله پایین یا گاهی اوقات یک پله بالا می­رود. این همچنین برای ایمنی، منبع تغذیه را از ورودی اصلی جدا می­کند.

ترانسفورماتور معمولاً یک جزء الکترونیکی نسبتاً بزرگ است، به خصوص اگر در منبع تغذیه تنظیم شده خطی، توان بالاتر استفاده شود. ترانسفورماتور می­تواند وزن قابل توجهی به منبع تغذیه اضافه کند، و همچنین می­تواند بسیار پرهزینه باشد، به خصوص برای ترانسفورماتورهای با قدرت بالاتر.

بسته به رویکرد یکسو کننده اتخاذ شده، ترانسفورماتور ممکن است تک ثانویه باشد یا ممکن است در مرکز ضربه زده شود. همچنین در صورت نیاز به ولتاژ بیشتر ممکن است سیم­پیچ­های اضافی وجود داشته باشد.

یکسوساز

از آنجایی که ورودی منبع AC متناوب است، باید به فرمت DC تبدیل شود. اشکال مختلفی از مدار یکسو کننده موجود است.

ساده­ترین شکل یکسوکننده­ای که می­تواند در منبع تغذیه استفاده شود، یک دیود منفرد است که یکسوسازی نیم­موج را ارائه می­دهد. این روش معمولاً استفاده نمی­شود زیرا صاف کردن رضایت­بخش خروجی دشوارتر است.

به طور معمول یکسوسازی تمام­موج، با استفاده از هر دو نیمه، از چرخه استفاده می­شود. این یک شکل موج را فراهم می­کند که می­تواند به راحتی صاف شود.

دو رویکرد اصلی برای ارائه یکسوسازی نیم­موج وجود دارد. یکی استفاده از ترانسفورماتور و دو دیود است. دیگری استفاده از یک سیم­پیچ در ترانسفورماتور منبع تغذیه و استفاده از یکسوکننده پل با چهار دیود است. از آنجایی که دیودها بسیار ارزان هستند و هزینه تهیه ترانسفورماتور با شیر مرکزی بیشتر است، رایج­ترین رویکرد این روزها استفاده از یکسو کننده پل است.

حتی برای رگولاتورهای DC، ممکن است یک یکسو کننده در ورودی قرار داده شود تا از اتصال معکوس منبع محافظت کند.

صافی منبع تغذیه

پس از تصحیح از سیگنال AC، DC باید صاف شود تا سطح ولتاژ متغیر حذف شود. برای این کار از خازن­های مخزن بزرگ استفاده می­شود.

عنصر صاف کننده مدار از یک خازن بزرگ استفاده می­کند. زمانی که شکل موج ورودی از یکسوساز به اوج خود می­رسد، این مقدار شارژ می­شود. با کاهش ولتاژ شکل موج تصحیح شده، زمانی که ولتاژ کمتر از ولتاژ خازن شد، خازن شروع به تامین شارژ می­کند و ولتاژ را تا شکل موج افزایشی بعدی از یکسوساز حفظ می­کند.

صاف کردن کامل نیست، و همیشه مقداری موج باقیمانده وجود خواهد داشت، اما باعث می­شود تغییرات عظیم در ولتاژ حذف شوند.

رگولاتور منبع تغذیه خطی

اکثر منابع تغذیه این روزها یک خروجی تنظیم شده ارائه می­دهند. با الکترونیک مدرن، گنجاندن یک تنظیم کننده ولتاژ خطی یا همان رگولاتور بسیار آسان و پرهزینه نیست. این یک خروجی ولتاژ ثابت را بدون توجه به بار، در محدوده­های مشخص شده فراهم می­کند.

با توجه به بسیاری از قطعات الکترونیکی و دستگاه­های الکترونیکی و غیره که نیاز به منابع دقیق نگهداری دارند، منبع تغذیه تنظیم شده، یک ضرورت است.

دو نوع اصلی منبع تغذیه خطی وجود دارد:

تنظیم کننده شنت: رگولاتور شنت کمتر به عنوان عنصر اصلی در یک تنظیم کننده ولتاژ خطی استفاده می­شود. برای این شکل از منبع تغذیه خطی، یک عنصر متغیر در سراسر بار قرار می­گیرد. یک مقاومت منبع به صورت سری با ورودی قرار داده شده است و تنظیم کننده شنت برای اطمینان از ثابت ماندن ولتاژ در سراسر بار تغییر می­کند.

منبع تغذیه برای جریان معینی طراحی شده است و با اعمال بار، رگولاتور شنت هر جریانی را که بار مورد نیاز نیست جذب می­کند تا ولتاژ خروجی حفظ شود.

رگولاتور سری: این فرمت پرکاربردترین فرمت تنظیم کننده ولتاژ خطی است. همانطور که از نام پیداست یک عنصر سری در مدار قرار می­گیرد و مقاومت آن از طریق الکترونیک کنترل تغییر می­کند تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ خروجی صحیح برای جریان گرفته شده تولید می­شود.

در این بلوک دیاگرام، از یک ولتاژ مرجع برای راه­اندازی عنصر عبور سری استفاده می­شود که ممکن است یک ترانزیستور دوقطبی یا یک FET باشد. مرجع ممکن است فقط ولتاژی باشد که از منبع ولتاژ مرجع گرفته شده است، به عنوان مثال، یک قطعه الکترونیکی مانند دیود زنر.

روش معمول­تر، نمونه­برداری از ولتاژ خروجی و وارد کردن آن به تقویت کننده تفاضلی برای مقایسه خروجی با یک مرجع، و سپس استفاده از آن برای هدایت مدار عنصر عبور نهایی است.

نحوه عملکرد منبع تغذیه خطی

جزء اصلی که به یک تنظیم کننده خطی اجازه عملکرد می­دهد یک ترانسفورماتور فولادی یا آهنی است. این ترانسفورماتور دو عملکرد را ارائه می دهد:

• این به عنوان مانعی برای جدا کردن ورودی AC ولتاژ بالا از ورودی DC ولتاژ پایین عمل می­کند، که همچنین هرگونه نویز وارد شده به ولتاژ خروجی را فیلتر می­نماید.
• ورودی AC را از 230/150 ولت به تقریبا 30 ولت کاهش می­دهد که سپس می­تواند به یک ولتاژ DC ثابت تبدیل شود.

ولتاژ AC ابتدا توسط ترانسفورماتور کاهش می­یابد و سپس توسط چندین دیود یکسو می­شود. پس از آن، توسط یک جفت خازن الکترولیتی بزرگ به ولتاژ DC پایین تبدیل می­شود. در نهایت، این ولتاژ DC پایین با استفاده از ترانزیستور یا مدار مجتمع به عنوان یک ولتاژ خروجی ثابت تنظیم می­شود.

رگولاتور ولتاژ در منبع تغذیه خطی به عنوان یک مقاومت متغیر عمل می­کند. این اجازه می­دهد تا مقدار مقاومت خروجی برای مطابقت با نیازهای توان خروجی تغییر کند. از آنجایی که تنظیم کننده ولتاژ برای حفظ ولتاژ دائماً در برابر جریان مقاومت می­کند، به عنوان یک دستگاه اتلاف انرژی نیز عمل می­نماید. این بدان معناست که توان مفید دائماً به شکل گرما برای ثابت نگه داشتن سطح ولتاژ از دست می­رود.

ترانسفورماتور در حال حاضر جزء بزرگی است که روی برد مدار چاپی (PCB) وجود دارد. به دلیل توان ثابت و اتلاف گرما، منبع تغذیه رگولاتور خطی به هیت سینک نیاز دارد. این دو جزء به تنهایی در مقایسه با ضریب فرم کوچک منبع تغذیه سوئیچینگ به یک دستگاه بسیار سنگین و حجیم می‌افزایند.

مزایا و معایب منبع تغذیه خطی

استفاده از هر فناوری اغلب تعادل دقیقی از چندین مزایا و معایب است. این در مورد منابع تغذیه خطی که مزایای مشخصی دارند، اما دارای معایبی نیز هستند، صادق است.

مزایای منبع تغذیه خطی (PSU)

فناوری تثبیت شده: منابع تغذیه خطی سال‌هاست که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و فناوری آنها به خوبی تثبیت و درک شده است.

نویز کم: استفاده از فناوری خطی بدون هیچ عنصر سوئیچینگ به این معنی است که نویز به حداقل می­رسد و اسپایک­های مزاحم موجود در منابع تغذیه سوئیچینگ اکنون یافت می­شوند.

معایب منبع تغذیه خطی

راندمان: با توجه به اینکه منبع تغذیه خطی از فناوری خطی استفاده می­کند، کارایی خاصی ندارد. راندمان حدود 50 درصد غیر معمول نیست، و تحت برخی شرایط ممکن است سطوح بسیار پایین­تری ارائه دهند.

اتلاف گرما: استفاده از یک عنصر تنظیم کننده سری یا موازی (کمتر رایج) به این معنی است که مقادیر قابل توجهی گرما دفع می­شود و باید حذف شود.

اندازه: استفاده از فناوری خطی به این معنی است که اندازه یک منبع تغذیه خطی بزرگتر از سایر اشکال منبع تغذیه است.

با وجود معایب، فناوری منبع تغذیه تنظیم‌شده خطی همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، اگرچه در مواردی که نویز کم و تنظیم خوب مورد نیاز است، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک کاربرد معمولی برای تقویت کننده های صوتی است که در آن منبع خطی قادر به ارائه عملکرد بهینه برای تغذیه تمام مراحل تقویت کننده است.