منبع تغذیه خازنی نیم موج بدون ترانس

مقدمه:

در عصر امروزی برای طراحی مدارات الکترونیک با توجه به عملکرد انها نمی توان از هزینه طراحی نسبت به کاری که باید انجام دهند صرف نظر کرد ، روش های مختلفی برای تبدیل ولتاژ ac به dc  وجود دارد که پر کاربردترین روشها استفاده از ترانسفور ماتور ها و همینطور استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ می باشد ، شاید برای مدراتی که نیاز به جریان مصرفی بالا و همینطور نیاز به ایمنی بالا داشته باشند استفاده از ترانسفور ماتور و منابع تغذیه سوئیچینگ مناسب باشد اما در مواردی که مدار کوچک بوده و جریان مصرفی آن پایین است می توان از این دو روش صرف نظر کرد و دنبال روش دیگری بود تا هزینه را به حداقل برسانیم.

در منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل استفاده از قطعات سلف و خازن و ماسفت ها و … هزینه ها به طور قابل توجهی افزایش میابد علاوه بر این ، هم ترانسفورماتور و هم منابع تغذیه سوئیچینگ فضای بیشتری را اشغال خواهند کرد که در مواردی این یک مشکل خواهد بود استفاده از روش Transformerless Power Supplies که شامل دو عنصر اصلی خازن و مقاومت می باشد به طور قابل توجهی فضای کمتری را خواهد گرفت و نسبت به روش های دیگر به طور چشمگیری مقرون به صرفه خواهد بود.

در این مقاله سعی می شود تا جزئیات طراحی یک منبع تغذیه dc بدون ترانسفورماتور مورد بررسی قرار گیرد به طوری که خواننده بتواند با توجه به ولتاژ ورودی و محدودیت های آن منبع تغذیه خود را طراحی نموده و با در نظر گرفتن ملاحاظات ایمنی ، بدون هیچ مشکلی از آن استفاده کند.

هشدار:

 در هنگام کار با مدارهای بدون ترانسفورمر که مستقیم به برق شهر وصل می شوند ، خطر برق گرفتگی وجود دارد در مدارهایی که در ادامه مشاهده خواهید کرد هیچ عنصری برای جداسازی خط برق وجود ندارد ، بنابراین کاربر باید در طول کار کاملا هوشیار بوده تا از لمس قطعات مدار جلوگیری کند همچنین پس از قطع برق ، ولتاژ همچنان بر روی خازن ها وجود دارد که احتمال برق گرفتی در صورت لمس وجود دارد کافی است بعد از قطع برق به مدت ده دقیقه صبر کنید و در این مدت از لمس عناصر مدار خودداری کنید.

منبع تغذیه خازنی:

منبع تغذیه خازنی در شکل یک نشان داده شده است ، ولتاژ خروجی در شکل زیر ثابت باقی می ماند تا زمانی که جریان بیش از اندازه تعریف شده از مدار در خواست نشود ، جریان توسط خازن C1 و مقاومت R1 محدود شده است.

شکل یک

مقدار I_in از معادله یک بدست خواهد آمد:

که در آن V_HFRMS مقدار ولتاژ نیم موج موثر  برق AC ورودی و X_C1 مقدار راکتانس خازن C1 می باشد.

مقدار V_HFRMS از معادله دو بدست خواهد آمد:

که در آن V_PEAK پیک ولتاژ  ورودی ، و V_Z ولتاژ دیود زنر (D1) می باشد.

مقدار راکتانس خازن C1 از معادله سه بدست خواهد آمد:

که در آن π برابر با ۳٫۱۴۱۶ ، F برابر با فرکانس ولتاژ ورودی و C1 مقدار خازن بر حسب فاراد می باشد.

با جایگزین کردن معادله دو و معادله سه در معادله یک ، معادله چهار را خواهیم داشت:

با توجه به تلورانس خازن و مقاومت و همچنین تلورانس فرکانس ولتاژ ورودی مقدار مینیمم و ماکزیمم جریان باید محاسبه شود ، مقدار جریان مینیمم نشان دهنده بیشترین مقدار تلرانس قطعات می باشد بنابراین جریانی که ما نیاز داریم در بهترین حالت نباید از مقدار مینیمم بیشتر باشد و در خوشبینانه ترین حالت جریان بیشتر از مقدار ماکزیمم باعث کاهش ولتاژ خروجی خواهد شد.

بدست آوردن ولتاژ خروجی با معادله ۵:

که در آن V_Z ولتاژ دیود زنر و V_{D ولتاژ هدایت D2 می باشد.}

اگر ولتاژ دیود زنر را برابر با ۵٫۱ ولت و ولتاژ دیود D2 را ۰٫۶ ولت در نظر بگیریم ولتاژ خروجی کمتر از ۴٫۵ ولت خواهد بود.

محاسبه توان:

توان مقاومت R1

برای اینکه بتوانیم قطعات با توان مناسب را انتخاب کنیم ابتدا باید توان هر قطعه را محاسبه کرده سپس با در نظر گرفتن دو برابر توان بدست آمده قطعات با توان مناسب را انتخاب می کنیم

جریانی که از طریق مقاومت R1 می گذرد یک جریان تمام موج است بنابراین توان از معادله ۶ بدست خواهد آمد:

توان دیود زنر D1:

دیود زنر در معرض جریان بیشتری قرار خوهد گرفت اگر هیچ باری به خروجی وصل نشود، با فرض این شرط که D1 در معرض تقریبا یک جریان تمام موج قرار دارد می توانیم توان دیود را از معادله ۷ بدست آوریم

جریان دیود برابر با جریان R1 می باشد به شرط دانستن جریان R1 خواهیم داشت:

که با دوبل کردن به توان ۰٫۲۷ وات می رسیم

توان دیود معمولی D2:

جداکثر جریانی که ممکن است از دیود عبور کند را در مثال ۲ بدست آوردیم اگر مقدار ولتاژ شکست مستقیم دیود را در حدود ۰٫۷ ولت در نظر بگیریم توان D2 از معادله ۸ بدست خواهد آمد:

که با دوبل کردن مقدار توان ۰٫۰۳۵ وات بدست خواهد آمد.

انتخاب خازن مناسب:

خازن های کلاس X2 mkt که به عنوان خازن های ایمنی شناخته می شوند برای خط ولتاژ AC ساخته شده اند ، استفاده از این خازن ها با تحمل ولتاژ پیک تا پیک ۲۵۰۰ ولت می تواند تا حدودی مدار شما را از خرابی ایمن کند

یک خازن X2 با ولتاژ موئر ۲۷۵ ولت می تواند مناسب کار ما باشد

اما اگر نتوانید خازن ظرفیت مناسب کلاس x2 را پیدا کنید از  خازن های پلی استر با در نظر گرفتن ولتاژ پیک موثر استفاده کنید

ولتاژ پیک ولتاژ ۲۲۰AC برابر با:

V_PAC=220*1.414=311V

بنابراین خازنی با تحمل ولتاژ ۴۰۰ ولت یا بیشتر به نظر برای این کار مناسب می باشد.

مزایای منبع تغذیه خازنی:

۱-به طور قابل توجهی کوچکتر از یک منبع تغذیه ترانسفورماتوری می باشد.

۲-نسبت به منبع تغذیه ترانسفورماتوری یا منبع تغذیه سوئیچینگ مقرون به صرفه می باشد.

۳-منبع تغذیه خازنی کارآمدتر از منبع تغذیه مقاومتی می باشد.

معایب منبع تغذیه خازنی:

۱-از خط تغذیه ولتاژ AC ایزوله نمی باشد.

۲-نسبت به منبع تغذیه مقاومتی دارای هزینه بیشتری می باشد.

۳-بری کاربرد هایی که نیاز به جریان بیش از صد میلی آمپر دارند مناسب نمی باشد.

۴-با توجه به ایزوله نبودن از خط ولتاژ AC در هر لحظه در صورت لمس امکان برق گرفتگی وجود ندارد.

شبیه سازی با نرم افزار پروتیوس

منبع: Microchip Technology Inc.