منبع تغذیه آزمایشگاهی

منبع تغذیه چیست ؟

منبع تغذیه یا Power Supply به عنوان تامین کننده انرژی الکتریکی مورد نیاز یک مدار مورد استفاده قرار می گیرد . البته باید توجه کنیم که منبع تغذیه انرژی الکتریکی را با ولتاژ مشخص در اختیار بار قرار می‌دهد و جریان عبوری را، متناسب با نیاز بار و محدودیت تنظیم‌شده، کنترل می‌کند.

 برای این منظور می توانیم از خروجی منبع تغذیه به عنوان ورودی و تامین کننده انرژی مورد نیاز مدار استفاده کنیم . منبع تغذیه دارای انواع مختلفی می باشد و نکته ای که بسیار اهمیت دارد این هست که  AC و DC بودن ورودی و خروجی و نحوه کارکرد این منابع تغذیه باهم فرق دارد و رفتار هر کدام را باید جداگانه بررسی کنیم .

همچنین باید بدانیم که ما اساسا به چه دلیل نیاز به استفاده از منبع تغذیه پیدا می کنیم . هر مدار الکترونیکی برای کار کردن به شرایط مشخص نیاز دارد . به طور مثال ممکن است یک مدار الکتریکی به ولتاژ 12VDC احتیاج داشته باشد و قطعا در این حالت برق 220VAC نمی تواند ورودی مناسبی برای تامین انرژی الکتریکی آن مدار باشد . در نتیجه می توانیم منبع تغذیه را بین برق شهری ورودی و مدار الکتریکی مربوطه قرار دهیم تا انرژی مورد نیاز مدار را به شکل و مقدار درست تنظیم کند .

انواع منبع تغذیه

منبع تغذیه را با توجه به ساختار داخلی و نحوه تولید ولتاژ خروجی مورد نیاز مدارهای الکترونیکی به 2 دسته منبع تغذیه سوییچینگ و Linear تقسیم بندی کنیم . هر دو روش می توانند ولتاژ DC تنظیم شده در خروجی تولید کنند و به مدار مورد نظر تحویل بدهند, اما روش تولید آنها متفاوت می باشد .

1. منبع تغذیه سوییچینگ : منبع تغذیه سوییچینگ از برق شهری AC به عنوان ورودی تغذیه می کند و در نهایت آن را به ولتاژ DC تنظیم شده در خروجی تبدیل می کند .

 نکته ای که از همین ابتدای بحث مقایسه منبع تغذیه سوییچینگ و منبع تغذیه Linear باید به آن توجه کنیم این هست که اگرچه هر دو منبع از برق شهری AC تغذیه می کنند و در نهایت ولتاژ DC تنظیم شده تحویل مدار الکتریکی که آنها را می خواهند تغذیه کنند می دهند , اما روش تولید این ولتاژ DC و کیفیت کار دو دستگاه در قسمت های مختلف با هم فرق دارد.

در منبع تغذیه سوییچینگ برای تولید ولتاژ DC تنظیم شده در خروجی , از ترانزیستور داخلی استفاده می شود . این ترانزیستور به روش سوییچینگ فرکانس بالا و قطع و وصل بسیار سریع ( در حد میلیون ها بار در ثانیه ) مسیر جریان عبوری از آن عمل می کند .

مزیت این روش این هست که در این روش ترانزیستور در بیشتر اوقات در حالت کاملا روشن یا کاملا خاموش می باشد و توان کمتری را به صورت گرما تلف می کند . این موضوع عامل افزایش راندمان در منبع تغذیه سوییچینگ می شود و در نهایت منجر به تولید منابع تغذیه سوییچینگ با ابعاد کوچک تر و سبک تری می شود .

اما در کنار همه این مزایا , یکی از مهم ترین معایب روش سوییچینگ فرکانس بالا ایجاد ریپل و نویز بیشتر می باشد.

2. منبع تغذیه Linear : منبع تغذیه خطی یا همان Linear , از برق شهری AC تغذیه می کند و بدون نیاز به سوییچینگ فرکانس بالا جریان , ولتاژ DC تنظیم شده متناسب بار مدار را تحویل می دهد و به دلیل استفاده از این نوع منبع تغذیه در دانشگاه ها از آنها به عنوان منبع تغذیه آزمایشگاهی هم نام برده می شود .

در اینجا می خواهیم عملکرد داخلی یک منبع تغذیه آزمایشگاهی را جزیی تر بررسی کنیم تا ببینیم که این منبع یک برق شهری AC را چه طور به ولتاژ DC تنظیم شده تبدیل می کند. 

به طور خلاصه مراحل تبدیل برق شهری AC به خروجی قابل تنظیم DC به صورت زیر می باشد.

خروجی DC قابل تنظیم→ رگولاتور خطی → فیلتر خازنی → یکسوساز → ترانسفورماتور → برق شهر AC

1. ترانسفورماتور فقط سطح ولتاژ ورودی به منبع تغذیه را تغییر می دهد و برق 220VAC را به ولتاژ AC پایین تر متناسب با مدار داخلی منبع تغذیه می کند . 

2. در یکسوساز AC به DC تبدیل می شود . اما معمولا یکسوسازها خروجی ترانس ها را به DCپالسی تبدیل می کنند و هنوز کاملا صاف و مناسب برای تغذیه دقیق مدار نیست

3. در خازن های فیلتر این نوسانات کاهش پیدا می کند و ولتاژ DC خروجی از یکسوساز را به مقدار DC صاف تر تبدیل می کند . اما هنوز مقداری ریپل وجود دارد

4. در مرحله رگولاتور خطی  خروجی را کنترل می کند تا شما بتوانید منبع تغذیه را روی ولتاژ مدنظر مدار تنظیم کنید و با تغییرات بار , تا حد امکان ولتاژ روی عدد مورد نظر ثابت بماند . 

در منبع تغذیه آزمایشگاهی، همین بخش در کنار مدار کنترل، امکان تنظیم ولتاژ و محدودسازی جریان را فراهم می‌کند.

همچنین فرض کنیم که مثلا منبع تغذیه از برق شهری ورودی 24 ولت ایجاد می کند اما ولتاژی که مدار نیاز دارد 12 ولت می باشد در نتیجه با توجه به اینکه رگولاتور خطی اختلاف ولتاژ 12 ولت را به گرما تبدیل می کند , منبع تغذیه Linear نسبت به منبع تغذیه سوییچینگ گرمای بیشتری تلف کرده و البته راندمان پایین تری دارد . 

مقدار گرمای تلف شده در منبع Linear ( قسمت رگولاتور ) از رابطه زیر به دست می آید .

توان تلفاتی = (ولتاژ ورودی − ولتاژ خروجی) × جریان

پس هر چه قدر اختلاف ولتاژ یا مقدار خود جریان بیشتر شود گرمای تلف شده بیشتر می شود . به همین دلیل برای دفع گرمای بیش از حد ایجاد شده در منبع تغذیه Linear نیاز به هیت سینک داریم.

اما با توجه خروجی بعد از رگولاتور در منبع Linear ریپیل و نویز کمتری دارد و خروجی پایدارتری وجود دارد و طبیعتا برای استفاده در مدارهای حساس مورد توجه قرار می گیرند . 

مزیت Linear این نیست که «نویز ندارد»؛ مزیتش این است که معمولاً خروجی اش ریپل و نویز کمتری نسبت به Switching دارد

در قسمت بعدی هم به طور خلاصه و مطابق جدول زیر تفاوت های دو منبع تغذیه Linear و سوییچینگ را می توانید مشاهده کنید.

تفاوت منبع تغذیه خطی و سوییچینگ

همان طور که در معرفی اولیه منبع تغذیه خطی و سوییچینگ عنوان کردیم ویژگی مشترک این دو منبع تغذیه از برق شهری و تولید ولتاژ DC تنظیم شده می باشد . اما تفاوت روش تولید آنها و مزایا و معایبی که هر کدام از آنها دارند باعث می شود که استفاده از هر کدام در محیط هایی با شرایط خاص توجیه پذیر می باشد .

در ادامه به بررسی چند مورد از تفاوت های اصلی این دو دستگاه می پردازیم.

1. همان طور که در قسمت های قبلی عنوان شد در منبع تغذیه خطی بر خلاف منبع سوییچینگ نیازی به سوییچینگ در فرکانس های بالا نمی باشد و این باعث کاهش ریپل و نویز در ولتاژ خروجی نهایی DC تنظیم شده که به مدار الکتریکی تحویل می دهد می شود . در نتیجه استفاده از این منبع تغذیه Linear برای مکان هایی که دارای نویز بالا و هارمونیک های مزاحم هستند و  نیاز به طراحی و اندازه گیری دقیق دارند قابل توجیه می باشد .به همین دلیل استفاده از آنها در آزمایشگاه ها رایج می باشد.

نکته : در اینجا ذکر یک نکته قابل توجه می باشد که اگرچه در منبع سوییچینگ , به دلیل سوییچینگ سریع  باعث تولید هارمونیک های فرکانس بالا و در نهایت منجر به ریپل و نویز خروجی بالاتر نسبت به منبع تغذیه خطی می شود اما این موضوع دلیلی بر غیر قابل اسفاده بودن آنها نمی باشد و می توان به کمک فیلتر های مناسب نویزها و مولفه های فرکانسی را کاهش داد.

2. در مورد راندمان و گرمای تولید شده توسط هر کدام از این دو تا منبع هم تفاوت های زیادی بین این دو وجود دارد و قطعا استفاده از آنها در توان های مختلف را می توان به همین ویژگی ها مرتبط دانست .

برای توضیح این قسمت از یک مثال استفاده می کنیم .در یک منبع تغذیه Linear فرض کنیم ولتاژ ورودی رگولاتور خطی 30 ولت و ولتاژی که در نهایت تحویل مدار الکتریکی  می شود 10 ولت باشد . اگر جریان مورد نیاز بار در حد 10 آمپر باشد , توان ورودی به رگولاتور 300 وات و توان خروجی تحویل داده به مدار 100 وات می باشد در نتیجه اینجا حدود 200 وات توان به صورت گرما تلف می شود . اما اگر ولتاژ ورودی رگولاتور 50 ولت باشد , توان ورودی 500 وات و با همان ولتاژ و جریانی که تحویل مدار می دهد این بار 400 وات توان به صورت گرما تلف می شود.

پس می توانیم اعلام کنیم که در توان های بالا در منبع تغذیه خطی به دلیل اتلاف گرمای بیشتر راندمان پایین تر می باشد و البته به دلیل استفاده از هیت سینک های بزرگ تر و حجیم تر , منابع خطی ابعاد بزرگ تری دارند .

اما در منبع سوییچینگ به دلیل اینکه ترانزیستور بیشتر در حالت خاموش یا روشن قرار می گیرند , تلفات گرما پایین تر آمده و راندمان بالاتر می رود و البته نیاز به استفاده از هیت سینک های کوچک تر می باشد و حجم دستگاه کاهش می یابد.

کاربردهای منبع تغذیه آزمایشگاهی

همان طور که گفتیم که از منبع تغذیه آزمایشگاهی برای تبدیل برق شهری به ولتاژ DC با مقدار مشخصی که مورد نیاز هست استفاده می شود . در ادامه به مواردی که می توان از این دستگاه استفاده کرد اشاره خواهیم کرد .

• تست و تعمیر بردهای الکترونیکی 
• تغذیه میکروکنترلرها و بردهای الکترونیکی
• طراحی  مدارهای الکترونیکی برای آزمایش های حساس آزمایشگاهی 
• آزمایش مدارهای آنالوگ و دیجیتال
• تست LED و قطعات الکترونیکی , البته بسته به قطعه و نیاز به محدوده کننده جریان 
• آزمایش موتورهای DC , به‌خصوص برای کنترل و بررسی عملکرد موتور با ولتاژ و جریان مشخص
• تست رله، سنسور و ماژول‌ها
• تولید و کنترل و مونتاژ تجهیزات الکترونیکی , برای تأمین تغذیه کنترل‌شده هنگام تست و کنترل
• تقویت‌کننده‌ها
• برخی مدارات RF
• صنعت نور و لیزر , مخصوصا برای تجهیزات حساس که منبع کم‌نویز اهمیت دارد

مزیت بزرگ منبع تغذیه آزمایشگاهی این است که خروجی صرفاً «برق DC» نیست؛ بلکه قابل تنظیم و کنترل است و دستگاه معمولاً می‌تواند ولتاژ را در حالت CV ثابت نگه دارد و جریان را نیز محدود کند.

همچنین در نظر داشته باشیم که هر منبع تغذیه آزمایشگاهی مشخصات خاص خود را برای تامین ولتاژ و جریان در خروجی دارد و در هنگام انتخاب یک منبع باید توجه کنیم که ولتاژ و جریان موردنیاز بار با مشخصات منبع تغذیه آزمایشگاهی مطابقت داشته باشد

کاربردهای منبع تغذیه سوییچینگ

با توجه به مزایا و معایبی که تا این لحظه برای منبع تغذیه سوییچینگ بررسی کردیم می توانیم در ادامه ببینیم که کجا بهتر است از این منبع استفاده شود

1. سیستم های خورشیدی ( یا فتوولتاییک ) : به دلیل بالا بودن توان و جریان در خروجی سیستم های خورشیدی  و البته راندمان بیشتر و تلفات حرارتی کمتر منبع تغذیه سوییچینگ در توان های بالا , توان تولیدی بیشتری برای مصرف یا ذخیره سازی  باقی می ماند .

2.شارژرهای موبایل

3. منبع تغذیه کامپیوترها و نوت بوک ها 

4. سیستم های PLC و اتوماسیون صنعتی

5. برق وسایل نقلیه

6. منبع تغذیه جوشکاری

آیا منبع تغذیه آزمایشگاهی هم ولتاژ می دهد و هم جریان ؟

فرض کنیم ما قصد استفاده از منبع تغذیه آزمایشگاهی را داریم که مشخصات آن به صورت 30-0 ولت و 5-0 آمپر می باشد . این مشخصات به این معنی نیست که اگر از این منبع تغذیه برای تامین انرژی هر مدار الکتریکی استفاده شود حتما باید 30 ولت و 5 آمپر به آن مدار بدهد . معمولا ولتاژ مورد نظر آن مدار و حداکثر جریان مجاز را می توانید تنظیم کنید . به طور مثال روی 12 ولت و محدود کننده جریان ( Current limit ) 2 آمپر تنظیم انجام می شود . حالا اگر مدار را وصل کنیم و به ازای 12 ولت , 1.5 آمپر عبور کند همان میزان جریان از مدار عبور می کند .

یعنی جریان واقعی را عمدتاً بار تعیین می‌کند، در حالی که منبع تعیین می‌کند چه ولتاژی اعمال شود و تا چه مقدار جریان اجازه عبور دارد.

حالا شاید برای شما سوال پیش بیاید که چرا روی منبع تغذیه Volume Current وجود دارد . در پاسخ به مثال زیر دقت کنیم . فرض کنیم که شما ولتاژ را روی 12 ولت و Current Limit را روی 1 آمپر تنظیم کرده اید . اگر جریان عبوری از مدار مثلا 0.5 آمپر باشد خب همان جریان عبور می کند اما اگر به هر دلیلی جریان بالاتری مثلا 4 آمپر بخواد عبور کند منبع اجازه عبور جریان بیش از حد تعیین شده را نمی دهد و وارد حالت محدود کننده جریان ( 1 آمپر ) می شود. در این حالت ممکن است ولتاژ خروجی کاهش پیدا کند تا جریان در حد همان 1 آمپر باقی بماند .

انواع منبع تغذیه Linear

ما تا اینجا برای تامین ولتاژ مورد نیاز یک مدار و عبور جریان بر اساس جریان واقعی مورد نیاز بار , استفاده از یک منبع تغذیه تک کاناله را بررسی کردیم . 

اما گاهی با 2 مدار یا مدارهای بیشتر روبه رو هستیم یا به هر دلیلی به ولتاژ و جریان بیشتری نسبت به حداکثر ظرفیت منبع تغذیه Linear احتیاج داریم . در این حالت دیگه منبع تغذیه تک کاناله پاسخگوی نیاز مدار برای تامین انرژی الکتریکی نمی باشد .در این موارد راه حل استفاده از منبع تغذیه های دو کاناله یا دوبل , 3 کانال و ... می باشد .

با استفاده از منابع تغذیه بیشتر از یک کانال با سری و موازی کردن کانال های با ولتاژ و جریان قابل تنظیم , می توانیم ولتاژ و جریان بیشتر از ظرفیت نهایی را به دست بیاوریم و محدودیت های استفاده از منبع تغذیه تک کاناله را برطرف کنیم .

در ادامه انواع منابع تغذیه را باهم بررسی می کنیم .

1. منبع تغذیه Linear تک کانال : برای تامین ولتاژ مورد نیاز و جریان واقعی یک مدار الکتریکی می توانیم از منبع تغذیه تک کانال استفاده کنیم که مشخصات آن متناسب با با بار مورد نظر باشد . اگر ولتاژ و جریان مورد نیاز مدار از ظرفیت نهایی منبع تغذیه بالاتر باشد دیگر منبع تک کانال به درد ما نمی خورد و باید از سایر منابع چند کاناله متناسب با نیاز استفاده کنیم .

2. منبع تغذیه Linear دوبل ( 2 کانال ) : منبع تغذیه دوبل دارای دو کانال با ولتاژ و جریان قابل تنظیم می باشد . البته ممکن است در این دسته شما منابع تغذیه ای را مشاهده کنید که علاوه بر دو کانال گفته شده , دارای کانال دیگری با ولتاژ و جریان ثابت باشد . در این حالت منبع تغذیه دارای 3 خروجی می باشد ( 2 کانال با ولتاژ و جریان قابل تنظیم و 1 کانال با ولتاژ و جریان ثابت ) اما باز هم به آن منبع تغذیه 2 کانال یا همان دوبل گفته می شود و نام گذاری بر اساس تعداد کانال های با ولتاژ و جریان قابل تنظیم می باشد . 

حتی در مواردی که ما به ولتاژ و جریان بالاتر از ظرفیت نهایی منبع تغذیه تک کاناله احتیاج داریم , می توانیم از منبع تغذیه دوبل که قابلیت سری و موازی کردن کانال ها در آن وجود داشته باشد استفاده کنیم . برای داشتن ولتاژ بیشتر از سری کردن کانال های قابل تنظیم و برای داشتن جریان بیشتر از موازی کردن آن دو کانال استفاده می کنیم . کانال سوم با مقادیر ثابت بیشتر حالت کمکی دارد .

پس وقتی ولتاژ بیشتر از ظرفیت یک کانال را برای بار یا مدار الکتریکی نیاز داریم از سری کردن 2 کانال قابل تنظیم استفاده می کنیم.همچنین وقتی جریان بیشتری از ظرفیت یک کانال را برای تامین جریان واقعی بار احتیاج داریم می توانیم از قابلیت موازی کردن دو کانال اصلی استفاده کنیم.

همچنین در مورد رابطه دو کانال با مفهومی به نام Tracking هم ممکن است روبه رو شویم . به طور خلاصه منظور از  Tracking این هست که تنظیم یا تغییر دو کانال به هم هماهنگ می شود یعنی تغییر یک کانال باعث می شود که کانال دیگر هم متناسب با آن تغییر کند . 

در ضمن توجه داشته باشیم که هر کدام از این دو کانال اصلی به طور مستقل قابل تنظیم می باشد و در یک قسمت که دارای 2 مدار می باشد هر کدام از این کانال ها می تواند ولتاژ و جریان یک مدار را تامین کند . 

3. منبع تغذیه 3 کاناله و چند کاناله : منابع تغذیه آزمایشگاهی صرفا به دو نوع منبع تغذیه تک کانال و دو کانال تقسیم بندی نمی شوند و ممکن است بر اساس تعداد کانال های قابل تنظیم به انواع 3 کانال و بیشتر هم شناخته شوند .

بررسی مفاهیم مهم در انتخاب منبع تغذیه خطی مورد نیاز

در ادامه به طور خلاصه مفاهیم مهم این قسمت را که می تواند به شما در انتخاب منبع تغذیه مورد نیاز کمک کند با هم بررسی می کنیم.

1. محاسبه توان مورد نیاز : قبل از انتخاب منبع تغذیه مورد نیاز , باید به ولتاژ و جریان مورد نیاز مدار یا تجهیزاتی که منبع تغذیه را به آن ها وصل می کنیم دقت کنیم تا توان تولیدی توسط کل کانال های منبع تغذیه بتواند توان مورد نیاز همه آن تجهیزات را تامین کند .

2. Resolution ( وضوح ) : کوچک‌ترین مقداری که منبع می‌تواند برای تنظیم یا نمایش ولتاژ/جریان تغییر دهد

3. Accuracy ( دقت ) : میزان نزدیک بودن مقدار واقعی به مقدار تنظیم‌شده یا نمایش‌داده‌شده

4. پایداری دما : میزان ثابت ماندن خروجی در تغییرات دما

5. تنظیم بار : میزان تغییر ولتاژ خروجی وقتی بار و جریان مصرفی تغییر می‌کند. هرچه تغییر کمتر باشد، منبع بهتر خروجی را ثابت نگه می‌دارد

همچنین خوب است نکات زیر هم بررسی کنیم تا در انتخاب منبع تغذیه حداکثر دقت را داشته باشیم.

1. حتما دقت کنیم که از منبع تغذیه انتخاب شده برای تامین انرژی الکتریکی یک مدار با چه جریانی استفاده می کنیم . اگر حداکثر جریانی که منبع تغذیه می تواند تامین کند از جریان واقعی مورد نیاز بار کمتر باشد وارد فاز محدود کننده جریان می شود و ولتاژ خروجی هم افت می کند .

2. علی رغم اینکه به دلیل ساختار داخلی منبع تغذیه Linear ,  خروجی آن دارای ریپل و نویز کمتری نسبت به منبع تغذیه سوییچینگ می باشد . اما این به معنی حذف کامل ریپل و نویز نمی باشد و اگر مدار مورد نظر بسیار حساس باشد ممکن است همان مقدار نویز و ریپل هم مشکل ساز شود .پس حتما باید در انتخاب دستگاه دقت کنیم. باید مقدار ریپل مشخصات همان مدل را بررسی کنی و ببینی برای کاربردت مناسب است یا نه.

3. بهتر است تا جای ممکن از منبع تغذیه استفاده کنیم که توانایی حفاظت در برابر اضافه ولتاژ , اضافه جریان , اتصال کوتاه را داشته باشد .این حفاظت‌ها برای جلوگیری از آسیب به منبع تغذیه و مدار تحت آزمایش هستند