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 وابسته‌است. در بعضی از مدارها، کل کالیبراسیون در این سطح ولتاژ انجام می‌شود؛ بنابراین، درصورت وجود نوسان در سطح تامین‌کننده، کل کالیبراسیون نادرست خواهد شد.

دو نوع منبع تغذیه وجود دارد:

1)منبع تغذیه رگوله نشده (Unregulated)

2)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.
تموج (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 …

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)

E_m : مقدار بیشینه برای ولتاژ AC

V_dcNL : ولتاژ DC بدون بار

V_dcFL : ولتاژ DC بار کامل

R₀ : مقاومت داخلی

I_L : جریان خروجی بار کامل

V_Lmin : کمینه ولتاژ خروجی منبغ تغذیه رگوله نشده

V_rms : مقدار rms ریپل

V₀ : ولتاژ قله ریپل

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

شروع طراحی:

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

روند طراحی:

طراحی دو قسمت مجزا:

1)قسمت رگوله شده

2) 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 تموج 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 رگوله‌نشده:

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: