ساخت منبع تغذیه بدون ترانس یا منابع تغذیه خازنی و مقاومتی

منبع تغذیه بدون ترانس برای مداراتی که به جریان بسیار کم در حد چند میلی آمپر نیاز دارند، یک راه حل ایده آل می باشد. هزینه این نوع منابع تغذیه بسیار پائین می باشد و در نتیجه بسیار مقرون به صرفه می باشند.

از این نوع منابع تغذیه در بسیاری از لوازم خانگی مانند انواع جارو های برقی ، محافظ های برق شهر، ماساژور های برقی خانگی و … استفاده می شود. در نتیجه این منابع تغذیه بسیار کاربردی می باشند.

 

در این بخش راهنمای چگونگی طراحی یک منبع تغذیه بدون ترانس را آموزش خواهیم داد:

یکی از عمده ترین چالش ها در زمان طراحی مدار، تبدیل ولتاژ DC با مقدار کم از برق AC برای تغذیه مدار می باشد. روش های زیادی برای تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC وجود دارد که متداول ترین روش استفاده از ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ 230 ولت AC به مقدار کمتری است. ترانس در ابتدا ولتاژ AC را کاهش می دهد. سپس آن ولتاژ با استفاده از خازن ها صاف و ریپل آن حذف می شود. بعد از آن رگولاتور ولتاژ خروجی را کاملا تثبیت می کند.

اگر چه منابع تغذیه بر پایه ترانسفورمر دارای راندمان بالا و برای تامین جریان کافی مدار ، موثر است، اما فضای زیادی را اشغال کرده و باعث حجیم تر شدن منبع تغذیه خواهد شد و همچنین هزینه ترانسفورماتور نیز زیاد است. در مقابل منبع تغذیه “بدون ترانس” یک راه حل ایده آل برای تغذیه مدارات منطقی با جریان کم و مدارات ریزپردازنده می باشد.

 

منبع تغذیه بدون ترانس دارای مزایا و معایبی می باشد:

مزایای تغذیه بدون ترانس: 

مقرون به صرفه بوده و فضای کمتری را اشغال می کند بنابراین مفید خواهد بود.

معایب تغذیه بدون ترانس: 

جریان پایین باعث می شود که برای تامین جریان بالایی که اکثر مدارها نیاز دارند غیر ایده آل باشند ، علاوه بر این نسبت به برق اصلی هیچ گونه ایزولاسیونی وجود ندارد و در صورت عدم رعایت موارد ایمنی و حفاظتی باعث برق گرفتگی کاربر شود.

منبع تغذیه بدون ترانس شامل دو نوع تغذیه خازنی و تغذیه مقاومتی می باشد که نوع خازنی کار آمدتر است زیرا تلفات حرارتی و اتلاف توان بسیار کمی دارد، از طرف دیگر در منابع تغذیه مقاومتی، تلفات حرارتی و اتلاف توان نسبت به نوع خازنی بیشتر است. اگر مدار به جریان بسیار کم (در حد چند میلی آمپر) نیاز داشته باشد، منبع تغذیه بدون ترانس یک راه حل ایده آل است.

قبل از طراحی منبع تغذیه بدون ترانس، عواملی که باعث افت ولتاژ AC از طریق خازن یا مقاومت می شود باید مورد توجه قرار گیرد.

 

ملاحظات طراحی و ساخت منبع تغذیه بدون ترانس از نوع خازنی:

با سری کردن یک خازن غیر قطبی و یک مقاومت (با خط برق AC) با هم، براحتی می توان جریان ثابت را از طریق مقاومت حفظ کرد. به شرطی که راکتانس خازن از مقاومت سری بزرگتر باشد.

 جریان عبوری از مقاومت R به مقدار خازن C بستگی دارد یعنی خازن با مقدار بالاتر جریان بیشتری را به مدار تحویل می­ دهد، جریان از طریق قرار دادن خازن C به راکتانس آن بستگی دارد که مقدار جریان عبوری از طریق خازن از رابطه ی زیر بدست می­ اید:

I(rms) = Vin / Xc

که در این معادله Xc برابر با راکتانس خازن و Vin برابر با ولتاژ برق شهر یا 220 ولت AC می باشد.

قبل از انتخاب خازن، لازم است بدانید هنگام عبور جریان از خازن قرار داده شده، خازن چه رفتاری را از خود نشان می دهد. خازن در ولتاژ AC کار می کند و بازه ولتاژ آن اگر فرکانس اصلی 50 هرتز باشد، از 250 تا 600 ولت می باشد، راکتانس خازن از رابطه زیر بدست می­ آید:

Xc = 1 / (2 * π * F * C)

(به عنوان مثال اگر از یک خازن 0.22 میکرو فاراد استفاده شود، در فرکانس 50 و ولتاژ 230 ولت راکتانس آن 14.4 اهم خواهد شد.)

فرض کنید جریان عبوری از طریق خازن، I باشد و ولتاژ اصلی 230 ولت، سپس جریان I از طریق V/X برای خازن بدست می ­آید به عبارتی طبق معادله زیر برابر 15.9 میلی آمپر می شود. بنابراین یک خازن 0.22 میکرو فاراد می تواند در ولتاژ 230 ولت برق شهر در مدار جریان 15 میلی آمپر ایجاد کند، پس مهم است که از قبل خازنی انتخاب گردد که بتواند جریان مدار را تامین کند.

I = (Vin / Xc) = (230 ÷ 14.4) = 15.9mA

 

ساخت منبع تغذیه بدون ترانس نوع خازنی:

در ساده ترین شکل منبع تغذیه از نوع خازنی از یک خازن ولتاژ AC با راکتانس خازنی XC و یک عدد یکسوساز استفاده می گردد. در شکل زیر ماکزیمم جریان و ماکزیمم توانی که یک منبع تغذیه خازنی در ساده ترین شکل می تواند تولید کند را مشاهده می کنید.

تا زمانیکه جریان خروجی کمتر یا برابر جریان ورودی باشد، ولتاژ از طریق بار ثابت می ماند، این جریان توسط مقاومت R1 و خازن C1 محدود می شود.مقاومت R1 برای محدود کردن هجوم جریان در هنگام روشن شدن تغذیه ضروری می باشد. خازن ولتاژ بالا C1 به عنوان یک محدود کننده جریان و ولتاژ عمل می­ کند که ولتاژ 230 ولت AC (جریان متناوب) را به یک ولتاژ پایین تر کاهش می ­دهد.

زمانیکه جریان خروجی از طریق دیود D2 عبور می کند، خازن به اندازه ماکزیمم ظرفیت خود شارژ می شود. در این زمان ولتاژ 9.1 ولت در آن طرف دیود زنر ZD ظاهر می شود. حداکثر جریان DC منبع تغذیه به مقدار C1 بستگی دارد، یک خازن کم ظرفیت جریان کمتری و یک خازن با ظرفیت بالا ، جریان بیشتری به خروجی انتقال می دهد. حداکثر جریان خروجی (Imax) در این مدار برابر است با:

I(Max) = (2 * π * F * C * V) = (2 * 3.14 * 50 * C * 230)

 

تغذیه بدون ترانسفرومر خازنی:

در این معادله C مقدار خازن بر حسب میکرو فاراد و F فرکانس 50 هرتز در ولتاژ 230 ولت است. جریان قابل انتقال در این مدار در شکل 2 حدودا 55 میلی آمپر است.

جریان خروجی مطلوب کاملا وابسته به مقدار خازن می باشد. در نتیجه باید مقدار خازن را مناسب انتخاب کنید. ساده ترین روش تقسیم کردن جریان خروجی بر 75 می ­باشد. بنابراین مقدار خازن برحسب میکرو فاراد را می توانید بدست بیاورید.

جدول 1 برخی از خازن های متناوب AC و جریان خروجی از آنها را نشان می دهد.

مقدار واقعی جریان داده شده در جدول 1 ممکن است در خروجی کمی خطا داشته باشد و دقیق نیست. زیرا بسته به ولتاژ و جریان ورودی متغییر می باشد. افت ولتاژ در منبع تغذیه بدون ترانس، شدت جریان خروجی در مدار را تحت تاثیر قرار می دهد. اجزای منبع تغذیه نیز مقداری جریان مصرف می کنند، زمانیکه بار بیشتر از 60 میلی آمپر جریان نیاز داشته باشد بهتر است از یک خازن با ظرفیت بالا (مانند 2.2 میکرو فاراد) استفاده کنید. رابطه ی بین راکتانس خازنی X ظرفیت C و جریان I به صورت زیر بیان میشود:

I = 2 * π * 50 * C * 230       یا          I = 75*C mA

برای رعایت موارد ایمنی، مقاومت R2 (470 کیلو اهم) را به موازات C1 بعنوان مقاومت نشتی قرار می دهند. زمانیکه منبع تغذیه از شبکه برق جدا شود جریان ذخیره شده در خازن C1 توسط این مقاومت تلف شده و شارژ خازن را حذف می کند که همین باعث می شود از خطرات شوک جلوگیری کند زیرا خازن زمانیکه شارژ کامل می شود بیش از 400 ولت ذخیره می کند. این جریان حتی پس از خاموش شدن مدار ممکن است روزها در خازن وجود داشته باشد.

 

ملاحظات توان در ساخت منبع تغذیه بدون ترانس مدل خازنی:

از آنجاکه مدار مستقیما به ولتاژ متناوب با مقدار بالا متصل است ، مقدار توان اجزا اهمیت زیادی دارد، خازن C1 باید مقدار ولتاژ 400 ولت یا بیشتر داشته باشد و توان مقاومت های R1 و R2 باید به اندازه کافی بالا باشد تا بتواند جریان متناوب (AC) را کنترل کند.

جریانی که از R1 عبور می کند جریان تمام موج است، بنابراین معادل ولتاژ خط تقسیم بر امپدانس C1 است و همچنین توان مقاومت های R1 و R2 نیز باید حداقل 1 وات باشد. دیود های D1 و D2 بعنوان یکسو کننده عمل می کنند و حداکثر جریان RMS از D1 و D2 عبور می کند بنابراین ماکزیمم ولتاژ معکوس دیود ها باید برای کنترل این جریان بالا ، باید به اندازه کافی بالا باشد، دیود 1N4007 میتواند 1000 ولت ولتاژ و 1 آمپر جریان را تحمل کند پس می تواند گزینه خوبی باشد.

خازن C2 ولتاژ DC یکسو شده خروجی پل دیود را کاملا صاف نموده و ریپل آن را حذف می کند و بعنوان بافر برای انتقال جریان به بار عمل می کند. یک خازن الکترولیتی 25 ولتی می تواند براحتی اینکار را انجام دهد. دیود زنر ZD برای تنظیم ولتاژ 9.1 ولت خروجی استفاده می شود. در حالت بی باری کل جریان خروجی از این دیود عبور می کند که بیشترین جریان پس از شارژ C2 بصورت موج کامل بدست می آید.

بنابراین برای کنترل این جریان بالا میزان توان دیود ZD باید بسیار دقیق محاسبه شود. زمانیکه ولتاژ زنر در جریان عبوری از آن ضرب شود حداکثر توان اتلافی مجاز زنر را می دهد. اگر جریان 35 میلی آمپر از زنر 9.1 ولت عبور کند اتلاف توان آن حدود 318 میلی وات خواهد بود ، بنابراین می توان از زنر با توان 400 میلی وات یا بیشتر استفاده کرد.

 

 

 

منبع تغذیه نوع مقاومتی:

برخلاف منبع تغذیه نوع خازنی، منبع تغذیه مقاومتی از خاصیت مقاومتی برای محدود ساختن جریان خروجی استفاده می کند ، همانند نوع خازنی ولتاژ خروجی تا زمانیکه جریان خروجی کمتر یا برابر جریان ورودی باشد ثابت خواهد ماند ، منبع تغذیه مقاومتی مقرون به صرفه است و فضای کمتری را اشغال می کند .

مهمترین اشکال آن اتلاف شدید انرژی از طریق گرما است و همانند نوع خازنی نسبت به برق اصلی هیچ گونه ایزولاسیونی ندارد. اما در مقایسه با نوع خازنی کم مصرف است.

شکل 3 طرح یک منبع تغذیه مقاومتی را نشان می دهد ، قبل از ساخت یک منبع تغذیه مقاومتی توان هر عنصر را باید بررسی کرد.

هر عنصر باید جریان کافی داشته باشد. از آنجا که از مقاومت برای افت ولتاژ و جریان در شبکه اصلی استفاده می شود، در نتیجه برای جلوگیری از اتلاف توان ، این مقاومت بسیار مهم می باشد. جدول II جریان خروجی از مقاومت های مختلف را نشان میدهد.

 

ملاحظات منبع تغذیه بدون ترانس:

مقدار توان مقاومت به جریان عبوری از آن بستگی دارد قبل از انتخاب مقاومت ارزیابی مقدار جریان مورد نیاز بار، بسیار مهم است. ولتاژ خروجی نیز به مقدار مقاومت و دیود زنر بستگی دارد. جدول 3 به انتخاب مقاومت و دیود زنر کمک می کند تا بتوانیم ولتاژ خروجی مورد نظر را بیابیم.

مقاومت در برابر ولتاژ بالا برای کاهش تولید گرما و اتلاف توان ضروری است. از مقاومت 10 واتی می توان بدون تولید گرمای زیاد با خیال راحت (با اطمینان خاطر) استفاده کرد. به جای استفاده از یک مقاومت ، بهتر است از دو مقاومت سری استفاده کنید تا مقدار کل مقاومت مورد نیاز را بدست آورید. به عنوان مثال بهتر است به جای استفاده از یک مقاومت 10 کیلو اهم تنها ، از دو مقاومت سری 5 کیلو اهم استفاده کنید.

این کار از ظاهر شدن ولتاژ بالای گذرا (یا های ولتاژ گذرا) در مدار جلوگیری می کند و همچنین ولتاژ دو سر مقاومت را کاهش می دهد ، بنابراین می توان احتمال قوس الکتریکی زدن را کاهش داد.

برای افزایش بازده منبع تغذیه ، می توان از مدارهای نشان داده شده در شکل 4 و 5 استفاده کرد.

در هر دو مدار ، جریان در طول هر دو نیم سیکل AC از منبع تأمین می شود. بنابراین ولتاژ خروجی پایدار تر از اصلاح نیم موج باقی مانده است. از آنجا که ولتاژ خروجی به فاز یا نول ارجاع داده نمی شود، از این منبع تغذیه نمی توان برای کنترل تریستورها استفاده کرد.

 

بهینه سازی بیشتر تغذیه خازنی:

با اضافه کردن چند قطعه بیشتر، بازده منبع تغذیه را می توان بیشتر افزایش داد. حفاظت ولتاژ گذرا در منبع تغذیه خازنی با اضافه کردن وریستور اکسید فلز (MOV) موازی شده با فاز و نول بدست می ­آید. که در شکل 6 نشان داده شده است.

مقاومت R2 به صورت موازی برای تخلیه C1 در هنگام خاموش شدن انرژی و فیلتر کردن نویز EMI (تداخل الکترومغناطیسی) در خط عمل می کند. نویز EMI در مدارات با ولتاژ و جریان بالا ایجاد می شود مثل مدارات الکترونیک قدرت. وریستور (MOV) متصل به موازات فاز و نول از گذرا در خطوط جلوگیری می­کند.

منبع تغذیه مقاومتی با استفاده از دو  مقاومت سری به جای یک مقاومت (شکل 7) باعث کاهش گذرای ولتاژ بالا و پتانسیل موجود در مقاومت می شود.

خازن C1 و مقاومت R1 متصل در خطوط فاز و نول به عنوان فیلتر برای جلوگیری از جریان نویز EMI در خطوط AC عمل می کنند. وریستور MOV نیز ولتاژ گذرا را کاهش می دهد.

 

ساخت منبع تغذیه بدون ترانس نوع خازنی با بیشترین بهینه سازی:

در شکل 8 یک منبع تغذیه بهینه با ولتاژ 9 ولت DC با ماکزیمم جریان 100 میلی آمپر را نشان می دهد. توسط خازن C1 ولتاژ 230 ولت AC به ولتاژ 24 ولت متناوب کاهش می یابد.

این ولتاژ پایین AC توسط یکسوساز پل دیودی صاف یا تمام موج می شود. سپس خروجی آن برابر با 20 ولت DC می شود. خازن های C2 ، C3 و C4 ریپل را از ولتاژ DC خروجی، از بین می برد. و جریان خروجی کاملا صاف و تثبیت شود. مقاومت R2 نویز EMI در مدار را کاهش می دهد. خازن C1 هنگام خاموش شدن از طریق آن تخلیه می شود. وریستور MOV از حفاظت حالت گذرا برخوردار است.

به جای دیود زنر ، می توان از یک تنظیم کننده سری یا همان رگولاتور 78XX مانند شکل 9 استفاده کرد. دیودهای زنر ZD1 و ZD2 ولتاژ 24 ولت جریان متناوب را به 15 ولت کاهش می دهند، سپس خروجی اصلاح می شود و فیلتر می شود تا 15 ولت بدون ریپل داشته باشد. تنطیم کننده 7812 ولتاژ خروجی را به 12 ولت DC تثبیت و تنظیم می کند.

جریان خروجی در حدود 50 میلی آمپر خواهد بود که برای راه اندازی بیشتر مدارهای کم مصرف کافی است.

 

ملاحظات ایمنی منبع تغذیه بدون ترانس:

منبع تغذیه خازنی و مقاومتی مستقیماً از 230 ولت AC تغذیه می ­شود. بنابراین هنگام ساخت و نصب این مدارها باید اقدامات حفاظتی و احتیاطی کاملا رعایت شود. یک سوئیچ نوع AC باید به صورت سری با خط فاز قرار گیرد تا منبع تغذیه قطع شود. اضافه نمودن یک فیوز ایمنی بیشتری به مدار اضافه می نماید.

قسمت منبع تغذیه و قسمت مدار الکترونیکی در یک باکس یا قاب، باید با فاصله کاملا کافی از یکدیگر و از هم جدا شوند. محافظ و روکش مناسب در سمت AC منبع تغذیه نیز مورد نیاز است.

اگر آی سی ها و قطعات الکترونیکی گران قیمت در مدار وجود دارد، از منبع تغذیه بدون ترانس استفاده نکنید زیرا در صورت اتصال کوتاه ممکن است این قطعات آسیب ببینند. افزایش ناگهانی برق در خطوط، رعد و برق و اتصال کوتاه می تواند باعث آسیب در مدار شود. از باکس های ضد ضربه با ارت مناسب استفاده کنید. در صورت بی احتیاطی مدار می تواند صدمه مهلکی ایجاد کند. بنابراین در هنگام آزمایش و نصب نهایت دقت را داشته باشید. هنگام تغذیه مدار به هیچ بخشی از مدار دست نزنید.