منبع تغذیه آزمایشگاهی Supply of laboratory چیست؟
یکی از لوازم ضروری برای استفاده در آزمایشگاه الکترونیک صنعتی و راهاندازی مدار الکترونیک، منبع تغذیه آزمایشگاهی میباشد. از منبع تغذیه آزمایشگاهی برای تأمین انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. برای انتخاب منبع تغذیه dcمتغیر آزمایشگاهی باید به ویژگیهایی از قبیل ولتاژ خروجی، حداکثر جریان خروجی، شکل موج خروجی و در عین حال پایداری مشخصات خروجی دقت کرد.
در کار های آزمایشگاهی و مهندسی برق و الکترونیک همیشه نیاز به وجود منبع تغذیه و پاورآنالایزراحساس می شود تا مهندسین بتوانند توسط آن تغذیه مدارات الکتریکی و الکترونیکی را تامین و با تغییر پارامتر های منابع تغذیه مدارات خود را تست نمایند. منابع تغذیه مورد نیاز در چنین محیط هایی، همان منابع تغذیه DC با استفاده از برق شهر است که قابلیت تغییر پارامتر های منبع تغذیه، مانند : ولتاژ و جریان را دارا می باشد. به این منابع، منابع تغذیه DC متغیر گفته می شود. از این منابع در تمامی محیط های آزمایشگاهی و تعمیراتی استفاده می شود. برای مثال یک تعمیر کار موبایل به صورت مداوم از این منابع برای تست و روشن کردن مدارات موبایل استفاده می کند.
اصول عملکرد منابع تغذیه آزمایشگاهی:
خروجی های متغیر منبع تغذیه آزمایشگاهی علاوه بر آنکه باید بتوانند ولتاژ خروجی را تنظیم نمایند، باید قابلیت جریان خروجی را نیز داشته باشند. تنظیم ولتاژ خروجی به منظور استفاده از منبع ولتاژ تثبیت شده و قابلیت محدود کردن جریان خروجی صورت میگیرد به این شکل که با قرار دادن منبع تغذیه در حالت ولتاژ ماکزیمم و محدود کردن جریان خروجی، می‌توان از آن به عنوان منبع جریان استفاده کرد.
از آنجا که خروجی منبع تغذیه تراکینگ آزمایشگاهی گاهی ممکن است در حالت جریان بالا مورد استفاده قرار گیرد، لذا نمیتوان از ترانسفورماتور دو سر، با در نظر گرفتن ولتاژ ماکزیمم منبع تغذیه استفاده نمود. برای مثال برای ساخت یک منبع تغذیه صفر تا ۴۰ ولت، باید ترانسفورماتور ۴۵ ولت به کار برد زیرا استفاده از منبع تغذیه در ولتاژهای پائین و جریان بالا، تلفات ترانزیستورهای قدرت را افزایش می‌دهد که این امر موجب صدمه دیدن آنها می‌شود.
نمایشگر دقیق ولتاژ و جریان خروجی یکی از قابلیت‌های دیگری است که در طراحی منبع تغذیه سوئچینگ و تراکینگ باید مورد توجه متخصصین قرار گیرد. همچنین باید هنگام محدود شدن جریان خروجی، به کاربر اطلاع داده شود که این کار معمولاً توسط یک نمایشگر LED صورت میگیرد.
توجه به میزان توانایی تولید ولتاژهای ثابت نیز در طراحی منبع تغذیه الزامی است. این ولتاژها عموماً در مدارهای کوچک با جریان پائین بکار میروند لذا حداکثر جریان خروجی آنها می‌تواند یک آمپر تلقی شود.
با کمک موازی کردن خروجی های منبع تغذیه دوبل و یا موازی کردن دو منبع تغذیه مشابه می‌توان به ولتاژها و جریانهای بالاتر دست پیدا کرد. برای مثال می‌توان با سری کردن دو منبع تغذیه صفر تا ۴۰ ولت با حداکثر جریان خروجی ۳ آمپر، ولتاژ خروجی صفر تا ۸۰ ولت با حداکثر جریان ۳ آمپر و با موازی کردن آنها ولتاژ خروجی صفر تا ۴۰ ولت با حداکثر جریان ۶ آمپر را ایجاد کرد.
درمنبع تغذیه چه نکاتی مطرح می شود:
مهمترین مشخصه یک منبع تغذیه آزمایشگاهی، تثبیت ولتاژ خروجی آن است. آی سی LM723 به منظور تثبیت ولتاژ منابع تغذیه طراحی می شود و در واقع تثبیت کننده ولتاژ خروجی میباشد.
در قسمت نمایشگر، باید ولتاژ خروجی و مقادیر جریان منبع تغذیه اندازه گیری و برای میکروکنترلر PIC ارسال شوند.
ترانسفورماتور استفاده شده در منبع تغذیه آزمایشگاهی ، باید دارای خروجی‌های مختلف ۰ و ۷ و ۱۵ و ۲۴ و ۳۷ ولت و ۴ آمپرباشد که بر حسب نیاز، هر یک از این ولتاژها به مدار یکسوکننده متصل شوند.
در صورتی که از مقاومت ۲۲/۰ اهمی و ترمینالهای خروجی برای نمونه برداری استفاده شود، باید ترمینال مثبت خروجی منبع تغذیه مبنا قرار داده شود.
در نمونه برداری جریان باید از تقویت کننده عملیاتی در حالت غیرمعکوس و با بهرهای در حدود ۵/۴ استفاده شود چرا که ولتاژ دو سر مقاومت ۲۲/۰ اهمی حدوداً ۵/۴ برابر کوچکتر از جریان خروجی منبع تغذیه میباشد.
انواع منبع تغذیه
انواع منابع تغذیه عبارتند از:
- منبع تغذیه DC
- منبع تغذیه AC
- منبع تغذیه AC به DC
- منبع تغذیه سوییچینگ
- رگولاتور خطی
- منبع تغذیه قابل برنامه ریزی
- منبع تغذیه بدون وقفه یا UPS
- منبع تغذیه ولتاژ بالا
- منبع تغذیه کامپیتور
منبع تغذیه AC-DC
همانطور که می‌دانید ولتاژ موثر برق شهر ۲۲۰ ولت و از نوع متناوب با فرکانس ۵۰ هرتز است. در تبدیل این انرژی به انرژی مورد نظر ما برای کاربردهای آزمایشگاهی یا صنعتی، اگر خروجی منبع تغذیه به‌عنوان تجهیزی که عملیات تبدیل انرژی را برای ما انجام می‌دهد، ولتاژ متناوب باشد، آن منبع تغذیه را AC می‌نامیم. و اگر در خروجی ولتاژ مستقیم ظاهر شود، به آن منبع تغذیه DC می‌گوییم.
گاهی لازم است میزان حساسیت مدار خود را در مقابل تغییرات ناگهانی و شدید برق محک بزنید، یا افت ولتاژهای تحت‌تاثیر کابل‌های بلند یا غیر استاندارد را جبران کنید، در آن‌صورت باید به سراغ منابع تغذیه AC متغیر بروید.
اما در بسیاری از نیازهای خانگی و کاربردهای آزمایشگاهی منابع تغذیه DC جایگزینی مناسب جهت تامین برق تجهیزات پرتابل و یا مداری که نیاز به ولتاژ مستقیم دارد می باشد.
تفاوت منبع تغذیه خطی با منبع تغذیه سوئیچینگ چیست ؟
ایده منبع تغذیه سوئیچینگ در تعویض حالت‌های خاموش و روشن ترانزیستور مدار است. به طوری که این نحوه عملکرد داخلی دستگاه، مزایای عمده‌ای را نسبت به منابع تغذیه خطی به وجود آورده است.
منبع تغذیه سوئیچینگ متغیر به علت عدم استفاده از ترانسفورمر کاهنده یا افزاینده دارای مزیت دقت بالا، اتلاف انرژی کم ،ابعاد کوچکتر و توان بیشتر است. اما از طرفی پیچیدگی مدار یکی از معایب منبع تغذیه سوئیچینگ و بالطبع موجب افزایش قیمت آن شده است. این مدل از دستگاه ها با قابلیت توان بالا در شارژرهای موبایل، رایانه‌های شخصی و تامین برق برخی وسایل نقلیه کاربرد دارند.
در مقابل، منابع تغذیه خطی با بهره‌گیری از المان‌های خطی در مدار خود، سادگی در طراحی و تولید دارند، قیمت آنها پایین‌تر، پاسخ گذرای سریع‌تر و نویز تولیدی دستگاه کمتر است. این منابع را می‌توان در اکثر آزمایشگاه‌های مهندسی برق به‌عنوان بلوک تامین‌کننده‌ی توان مدارات الکترونیکی مشاهده کرد.
فرق بین منبع تغذیه خطی با سوئیچینگ این است که مدار منبع تغذیه خطی بسیار ساده است یکی معایب آن به دلیل استفاده از ترانس تولید گرمای بیشتر و دارای وزن سنگینی می باشد اما مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ تولید توان بالا، وزن کمتر و سایز کوچکتری می باشند. برخی از کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها، شارژر موبایل، درایو موتورهای dc و… باشد.
منبع تغذیه تک‌خروجی ، چندخروجی و قابل برنامه ریزی
منابع تغذیه را بر اساس اینکه چند ترمینال خروجی در اختیار کاربر قرار می‌دهند، تقسیم‌بندی می‌کنند. برخی مدل‌های منبع تغذیه ارزان قیمت، فقط یک خروجی و دو ترمینال مثبت و منفی برای دریافت ولتاژ به ما می‌دهند که در غالب اوقات غیر قابل تغییر است.
اما در مدل‌های پیشرفته‌تر دارای خروجی‌های متعدد می باشند که می‌توانند مقادیر از پیش تعیین‌شده و ثابت یا مقادیر دلخواه کاربر را از ولتاژ و جریان ارائه دهند، تعبیه شده است.
همچنین منابع تغذیه قابل برنامه ریزی به منابعی می‌گویند که از طریق زبان واسط نرم‌افزاری و پروتکل‌های ارتباطی بتواند توسط رایانه‌ها کنترل شود و دستورات متنی جهت کار خود دریافت و خروجی مطلوب را ارائه دهد. این قابلیت پیشرفته مخصوصا در تولید ولتاژ متغیر و در جاهایی که مقادیر ولتاژ لیست شده است، کاربرد دارد.
قیمت منبع تغذیه قابل برنامه ریزی به دلیل ویژگی های خاص آن از جمله دقت بالا و همچنین ریپل و نویز کمتر ،تفاوت قابل ملاحظه ای با انواع منبع تغذیه معمولی دارد.
کاربرد منبع تغذیه
یکی از لوازم ضروری برای استفاده درآزمایشگاه الکترونیک صنعتی و راه اندازی مدار الکترونیک انواع منبع تغذیه آزمایشگاهی میباشد .
این نوع دستگاه یکی از رایج ترین تجهیزات در فرآیند تست و اندازه گیری در آزمایشگاه های الکترونیک، مخابرات محسوب می شود. هر کجا که لازم باشد ولتاژ ورودی را با مقدار تنظیم‌شده و مناسبی به مدار خود اعمال کنید یا قطعات الکترونیکی و الکترومکانیکی را با آن تست کنید.
اهمیت یک منبع تغذیه دقیق و با نویز کم هنگام بررسی مدارات الکترونیک به شدت احساس می‌شود. دانشجویان رشته‌های مرتبط با مهندسی برق و همچنین صنعت‌گران و مهندسان الکترونیک به خوبی از حساسیت منبع تغذیه به عنوان ورودی و اولین بلوک اساسی مدار خود اطلاع دارند.
این بلوک می‌تواند با تولید یک ولتاژ با نوسانات کم و بدون تغییرات ناگهانی، نقش یک ورودی مناسب و منطبق با تحلیل‌های مداری را ایفا کند و یا با تولید نویز، تقویت آن و نیز نوسان ولتاژ و جریان بیش از حد انتظار، نتایج یک پروژه دانشگاهی یا صنعتی را تحت تاثیر قرار داده و به مدار آسیب جدی وارد کند.
طرز کار منبع تغذیه
سهولت استفاده از منابع تغذیه در کنار کاربرد فراوان و مهمی که در آزمایشگاه‌های الکترونیک دارند، آنها را به یکی از تجهیزات محبوب تبدیل کرده است.
گاهی همین محبوبیت موجب غفلت از کارکرد صحیح دستگاه می‌شود. با وجود ولتاژ کم، مدارات کنترل‌کننده و فیوزهای الکترونیکی، ممکن است عدم اطلاع صحیح از نحوه کار منبع تغذیه موجب آسیب رسانی به مدار شود.
یکی از قابلیت‌های منابع تعذیه که بسیار حائز اهمیت است، حالت ولتاژ ثابت و جریان ثابت، و در مدل‌های پیشرفته‌تر حالت‌های مقاومت ثابت و توان ثابت است.
همانطور که می‌دانید بر اساس قانون اهم، جریان و ولتاژ با یکدیگر نسبت معکوس و منحصر به فردی دارند که به آن مقاومت یا بار مدار می‌گویند. اگر هر کدام از مقادیر جریان یا ولتاژ را به مدار اعمال کنید، دیگری بر اساس مقاومت مدار و قانون اهم تعیین می‌شود. بنابراین شما نمی‌توانید همزمان مقدار ولتاژ و جریان را تعیین کنید و منبع تغذیه به‌عنوان یک منبع ولتاژ ثابت یا یک منبع جریان ثابت در اختیار شماست.
در مدل‌های قدیمی‌تر منابع تغذیه که فقط یک خروجی با ولتاژ و جریان ثابت برای دستگاه درنظر‌گرفته شده بود، فقط حالت ولتاژ ثابت در دسترس بود و نمی‌توانستیم از دستگاه به‌عنوان یک منبع جریان ثابت استفاده کنیم.
قابلیت دیگری که در این تجهیزات آزمایشگاهی تعبیه شده است، امکان قرار دادن محدودیت برای جریان خروجی است تا مقدار آن از حدی که کاربر تعیین می‌کند تجاوز نکند.
برای مثال وقتی از حالت ولتاژ ثابت دستگاه استفاده می‌کنید و به جریان مدار اجازه تغییر داده‌اید باید با کمک پیچ تنظیم محدودیت جریان با نام Current Limiter محدوده‌ای از جریان را برای دستگاه مشخص کنید. در صورتی‌که این محدودیت زیاد و پیچ تنظیم جریان روی مقادیر خیلی کم باشد، دستگاه نمی‌تواند تغییرات لازم را روی جریان اعمال کند و به‌صورت خودکار به حالت جریان ثابت می‌رود و ولتاژ غیر ثابت به مدار اعمال می‌کند.
همچنین برخی از مدارات باید به یک میزان حداقلی از جریان برسند تا کار کنند بنابراین انتخاب صحیح محدودیت جریان بسیار اهمیت دارد. بهتر است از انتخاب مقادیر بالای جریان اجتناب کرد تا در صورت بروز خطا و شارش جریان زیاد، مدار آسیب نبیند.
