الکترونیک 98 آموزش الکترونیک-رباتیک-برق-برنامه نویسی میکروکنترلرها، رسپبری پای و آردوینو
بیشتر مدارهای دیجیتال، اعم از مدارهای معمولی، میکروپرسسوری و کامپیوترها به تغذیه 5% ±5 (4/75V تا 5/25V) نیاز دارند. از طرف دیگر تراشه های دیجیتال جریان نسبتا بالایی چه در حالت پایدار و چه به هنگام کلیدزنی ترانزیستورهای داخلی مصرف می کنند. تراشه های پیچیده، مانند حافظه ها حتی جریان بیشتری مصرف می نمایند.
منبع تغذیه معرفی شده در این بخش دارای ظرفیت نامی خروجی 5A، 5V است که می تواند برای تغذیه مدارهای دیجیتال به خصوص مدارهای میکروپرسسوری مورد استفاده قرار گیرد. این منبع تغذیه از نوع تثبیت کننده کنترل شده سری می باشد و دارای ویژگی های حفاظتی بسیار مناسبی برای مدارهای دیجیتال می باشد. این ویژگی ها عبارتند از محدود کننده جریان پشتیبان ( Back – up current limit)، قطع کننده اضافه ولتاژ، قطع کننده اضافه بار قابل تنظیم که دو مورد آخر را می توان به صورت دستی reset نمود. مدار حتی به ازای ولتاژهای ورودی این شهر زیر 200V می تواند یک بار 5A، 5V را به صورت مانا تغذیه نماید. نقشه شماتیک منبع تغذیه در شکل 1 داده شده است.
شکل 1 نقشه شماتیک منبع تغذیه 5V با جریان 5A
بررسی مدار
ولتاژ برق شهر پس از کاهش توسط ترانسفورماتور کاهنده X1، به وسیله پل یکسوساز متشکل از دیودهای D1 تا D4 یکسو می شود و سپس به فیلتر خازنی شامل C1 و C2 از طریق مقاومت R1 اعمال می گردد. مقاومت R1 جریان ناگهانی شارژ خازن ها را در ابتدای شارژ محدود می کند. ولتاژ صاف شده به وسیله فیلتر از طریق دو عدد کلید به تثبیت کننده (رگولاتور) اعمال می شود:
:: کلید در حالت عادی بسته S2 بر روی خط مثبت تغذیه و کلید ترانزیستوری T2 بر روی خط زمین.
:: کلید S2 و T2 به ترتیب برای قطع حفاظتی و عمل reset به کار رفته اند.
اگر کلید S2 بسته و SCR1 خاموش باشد، یک جریان تحریک مبنا از طریق D7 ، R6 ، R3 و T1 به بیس ترانزیستور T2 اعمال می شود که باعث به اشباع رفتن ترانزیستور T2 می گردد. بنابراین یک ولتاژ تثبیت نشده به تراشه تثبیت کننده (723) IC1 از طریق پایه های 11، 12 و 7 آن اعمال می شود. ولتاژ مبنای تولید شده در داخل تثبیت کننده که در پایه 6 قابل دسترس است، از طریق شبکه تقسیم ولتاژ R7 و VR1 به ورودی غیر معکوس تراشه (پایه 5) اعمال می شود. خروجی تثبیت کننده (پایه 10) برای تحریک دو ترانزیستور قدرت T5 و T6 (که دارای اتصال دارلینگتون هستند) از طریق مقاومت های R8 و VR2 مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین جریان اصلی بار به وسیله T6 تامین شده و ترانزیستور T5 جریان بیس لازم برای ترانزیستور T6 را از طریق خروجی تثبیت کننده تامین می نماید.
مقاومت های R11 و R12 مسیری را برای جریان نشتی ترانزیستورها تشکیل می دهند که سبب بهبود پایداری تراشه تثبیت کننده می شود. مقاومت R15 که بین پایه های 2 و 3 (پایه limit و sense) تراشه وصل گردیده است، برای محدود کردن جریان تراشه به کار می رود. بنابراین اگر جریان مقاومت بیش از مقدار معینی گردد به طوری که افت ولتاژ دو سر آن فراتر از 0/65 ولت شود، ولتاژ خروجی تراشه (پایه 10) کاهش می یابد تا جریان به زیر مقدار حداکثر مجاز برسد. این کار با روشن شدن یک ترانزیستور داخلی که برای تشخیص اضافه بار در نظر گرفته شده است، انجام می گیرد.
ولتاژ خروجی از طریق مقاومت R9 به ورودی معکوس کننده تراشه (پایه 4) فیدبک شده است. خازن های C5 و C6 برای جبران سازی فرکانسی تقویت کننده خطای داخلی تراشه در مقابل نوسان به کار رفته اند. ولتاژ تثبیت شده در سر های خروجی مدار جایی که دیود D10 به طور معکوس بسته شده است در دسترس خواهد بود. دیود D10 مدار را در برابر ولتاژ معکوس اعمالی خارجی محافظت می کند و خازن C8 برای کاهش ریپل خروجی به کار رفته است. خازن C9 فرکانس های بالای فیدبک شده از مدار بار را زمین می نماید تا وارد تثبیت کننده نشوند. زیرا ممکن است تثبیت کنندگی آن را دچار اشکال نمایند. LED11 برای نشان دادن درستی و سلامت کار مدار به کار رفته است.
لیست قطعات پروژه منبع تغذیه 5V با جریان 5A
بررسی مدار محافظ تثبیت کننده
در حالت کار عادی، اگر SCR1 خاموش باشد، افت ولتاژ روی R3 بزرگتر از ولتاژ زنر D5 نخواهد بود و LED D6 روشن نمی گردد. همچنین اگر ولتاژ خروجی در محدوده مجاز باشد، افت ولتاژ روی R13 از شبکه تقسیم ولتاژ R13 و R14 برای روشن کردن ترانزیستور T7 کافی نخواهد بود. از آن جا که مدار تثبیت کننده به عنوان یک نوع تقویت کننده حلقه بسته کار می نماید، جریان تحریک بیس T5 از پایه 10 تراشه، با تغییر جریان کلکتور T6 تغییر خواهد کرد.
بنابراین اگر جریان بار در محدوده مجاز باشد (حد مجاز جریان از افت ولتاژ روی R8 و2۲ تعیین می شود)، جریان بیس برای ایجاد افت ولتاژی در دو سر R8 و VR2 که بتواند ترانزیستور T4 را روشن کند، کافی نخواهد بود. خازن C7 از روشن شدن ترانزیستور T4 در اثر جریان های گذرای بار جلوگیری می نماید. بنابراین در حالت عادی، هر دو ترانزیستور T4 و T7 خاموش خواهند بود و در نتیجه جریان گیت کافی برای روشن شدن SCR1 تامین نخواهد شد. مقاومت R4 و خازن C4 از روشن شدن کاذب SCR1 جلوگیری می نمایند.
اما اگر ولتاژ خروجی تا حدی افزایش یابد که افت ولتاژ روی R13 ترانزیستور T7 را روشن نماید، ولتاژ اعمالی به گیت SCR1 از طریق D9، تریستور SCR1 را روشن خواهد نمود و این باعث اتصال کوتاه شدن سر بالایی R6 به زمین می شود و در نتیجه ترانزیستورهای T1 و T2 خاموش می گردند و در واقع کلید ترانزیستوری T2 باز می شود. بنابراین در حالت اضافه ولتاژ، دیگر توانی از مدار به بار منتقل نخواهد شد. از آنجا که در این حالت از طریق مقاومت R3 ، ولتاژ ورودی تثبیت نشده به SCR اعمال می شود، SCR خاموش نخواهد شد. همچنین از ترکیب D5 ، R2 و D6 جریان عبور خواهد کرد. بنابراین LED D6 در حالت قطع مدار روشن خواهد شد و LED D11 در اثر قطع T2 خاموش می گردد.
SCR در حالت روشن باقی خواهد ماند تا این که کلید S2 فشار داده شود و آن را در اثر قطع جریان خاموش نماید. با رها شادن کلید S2، تغذیه دوباره به مدار تثبیت کننده وصل می شود. اگر عیب برطرف شده باشد مدار کار خواهد کرد، در غیر این صورت دوباره قطع می گردد. همین حالت در اثر اضافه جریان نیز رخ خواهد داد. اگر ولتاژ دو سر R8 و VR2 از ولتاژ وصل T4 بیشتر شود (با افزایش جریان بیس T5 در اثر اضافه بار)، T4 و در نتیجه T3 روشن خواهد شد.
با روشن شدن T3 جریان گیت SCR از طریق D8 تامین می گردد و در نتیجه SCR روشن خواهد شد و مانند حالت قبل مدار قطع می شود. دیودهای D8 و D9 مانند یک دریچه OR عمل می کنند و در صورت اضافه جریان یا اضافه ولتاژ SCR را روشن خواهند نمود. حد جریان مجاز به وسیله VR2 تعیین می شود. حد ولتاژ مجاز برابر 5/25۷ است که در عین حال می توان آن را به وسیله مقاومت R13 تغییر داد.
ساخت مدار
از آنجا که از ترانزیستور T6 جریان بار عبور می کند و ولتاژ تثبیت نشده دو سر آن قرار می گیرد، حتما نیاز به گرمابر مناسب (heat sink) دارد. در نمونه ساخته شده از گرمابر نوع 2-AFCO 132 AF با 75mm طول استفاده شده است که ترانزیستور T5 نیز به خاطر اتصال کلکتور آن به کلکتور T6 روی آن قرار می گیرد. گرمابر را می توان به وسیله ورقه میکا از بدنه ترانزیستورها عایق نمود. گرمابر را باید به گونه ای انتخاب نمود که دمای ترانزیستور از حد مجاز بیشتر نشود. ترانزیستور T2 اگرچه در حالت اشباع دارای افت ولتاژی حدود 1 ولت است، نیاز به یک گرمابر کوچک دارد. گرمابر پیشنهادی برای آن نوع 2-AFCO 60 NI باطول 60mm می باشد.
ترانزیستور T1 و SCR1 مانند ترانزیستورهای دیگر و تراشه نیازی به گرمابر ندارند. یکسوساز ورودی نیز نیاز به گرمابر دارد. به گونه ای که اگر از نوع پل بسته بندی شده باشد به آسانی درون محفظه گرمابر قرار می گیرد. اگر دیودهای مجزا و یا دیگر انواع یکسوسازها مورد استفاده قرار گیرد گرمابر متناسب با آن باید انتخاب شود. برای همه اتصالاتی که جریان بار از آنها عبور می کند، از سیم های ضخیم (مانند سیم های به کار رفته در اتومبیل ها) استفاده کنید تا افت ولتاژ کمتری در سیم بندی مدار ایجاد شود.
سیم های نازک تر برای قسمت های دیگر مدار قابل استفاده خواهد بود. خازن های C8 و C9 را برای کنترل مؤثرتر ریپل به طور مستقیم به پایه های خروجی مدار وصل کنید. انشعاب sense در خروجی به پایه 3 (و پایه 2) و در زمین به پایه 7 تراشه وصل شده است. این باعث می شود که ولتاژ ظاهر شده در پایه های خروجی مدار بهتر تثبیت شود. در غیر این صورت ولتاژ پایه های خروجی به خاطر افت ولتاژ سیم بندی دارای خطا خواهد شد که قابل جبران نخواهد بود.
اگر ورودی دستگاهی که به وسیله این مدار تثبیت کننده، تغذیه می شود دور از پایه های خروجی مدار باشد، دو انشعاب sense باید از ورودی دستگاه گرفته شود تا تثبیت صحیح ولتاژ در ورودی دستگاه مورد تغذیه تضمین شود. چنانچه انشعاب های sense قطع گردند، ولتاژ خروجی ممکن است به یک مقدار بالایی افزایش یابد. نقشه مدار چاپی و قطعات آن در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. یادآور می شود که عناصر قدرت در خارج صفحه مدار چاپی به طرز مناسب نصب می گردند (شکل 3).
شکل ۲ نقشه مدار چاپی منبع تغذیه
شکل ۳ نقشه قطعات مدار چاپی منبع تغذیه
تنظیم مدار
پیش از وصل تغذیه به مدار برای اولین بار، تمام سیم بندی ها را به دقت بررسی کنید. دیود D8 و D9 را قطع کرده و مقاومتی قابل تنظیم در حدود 10 اهم، 6 آمپر (که در حداکثر مقدار تنظیم شده باشد) را از طریق یک آمپر متر 10 آمپری به خروجی وصل کنید.
یک ولت متر 10V را نیز به دو سر خروجی متصل نمایید. پس از وصل برق به مدار، ولتاژ خروجی را خوانده و پتانسیومتر VR1 را برای 5V تنظیم نمایید. اگر تنظیم غیر ممکن بود مدار را خاموش و به دنبال ایراد در مدار بگردید. زمانی که خروجی با بار 10 اهم در 5 ولت تنظیم شده، جریان بار را با کاهش مقدار مقاومت به آرامی افزایش دهید و جریان باری را که در آن محدود کننده جریان عمل می کند و منجر به کاهش چشم گیر ولتاژ خروجی می شود مشاهده نمایید. حد مجاز جریان را می توان با تغییر مقاومت R5 یا افزودن مقاومت های موازی تنظیم نمود. در هر حالت نباید از 6 آمپر بیشتر شود زیرا که ظرفیت نامی بار تنها 5A است.
اکنون جریان بار می تواند از طریق تغییر مقاومت آن از 0/5 تا 5 آمپر تغییر نماید و درصد تنظیم ولتاژ مدار (تثبیت کنندگی آن) مشاهده گردد. برای مشاهده در صد تنظیم ولتاژ خط، هنگامی که جریان بار در مقدار نامی است، ولتاژ ورودی مدار را تغییر داده، تغییرات ولتاژ خروجی تثبیت شده را بررسی کنید. حال دستگاه را خاموش کرده و دیود D9 را وصل نمایید. پس از وصل برق به مدار، خروجی باید در حدود 5V باقی مانده و مدار نباید قطع نماید. اگر مدار قطع نمود، اتصال های T7، R14، R13 و D9 را بررسی نمایید.
حد مجاز ولتاژ خروجی 5/25V است. اگر مقدار دیگری لازم باشد، از یک پتانسیومتر 1K اهم برای R13 استفاده نمایید و آن را برای ولتاژ قطع دلخواه تنظیم کنید. برای بررسی مدار قطع اضافه ولتاژ، VR1 را تغییر دهید تا مدار در اثر اضافه ولتاژ، قطع نماید و به وسیله یک ولت متر ولتاژ قطع را بخوانید. پس از آزمایش مزبور، حتما VR1 را در مقدار مناسب اولیه دوباره تنظیم نمایید.
دوباره برق را قطع و پتانسیومتر VR2 را در کمترین مقدارش تنظیم کنید. دیود D8 را وارد و مقاومت بار را در مقدار حداکثر تنظیم نمایید. مدار را روشن کرده و بررسی کنید که قطع ننماید. چنانچه این اتفاق بیفتد در مدار قطع اضافه جریان اشکالی وجود دارد. حال جریان بار را به آرامی تا 5 آمپر افزایش دهید و بررسی کنید که مدار قطع ننماید. چنانچه پیش از رسیدن به جریان 5A، مدار قطع کند، مقدار مقاومت R8 را کاهش دهید. هنگامی که جریان بار 5 آمپر است، مقاومت VR2 را افزایش دهید تا مدار قطع نماید، در این حالت صفحه درجه بندی مقاومت VR2 را علامت گذاری نمایید تا نقطه قطع 5A مشخص باشد.
مدار را reset کرده، جریان بار را در 4/5 آمپر تنظیم نمایید. اکنون VR2 را دوباره افزایش دهید تا مدار قطع نماید. این نقطه را به عنوان قطع 4/5A روی صفحه درجه بندی VR2 مشخص نمایید. به همین ترتیب برای سایر جریان ها می توان VR2 را درجه بندی نمود. یادآور می شود که مقیاس غیر خطی بوده و ممکن است درجه بندی چندان دقیق نباشد.