منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply) چیست ؟

انواع منبع تغذیه DC :

در حالت کلی منبع تغذیه DC را از دیدگاه ساختمان داخلی به دو دسته منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ تقسیم می کنند :

محبوب ‌ترین انواع رگولاتورهای ولتاژ ثابت و خطی در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ خروجی منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ مکمل، دقیق و پایدار بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود.

استفاده از تنظیم کننده‌ها یا رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به استفاده از مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شده‌اند عموماً کارامدتر و ساده‌تر است.

طیف گسترده‌ای از این رگولاتورهای ولتاژِ سه ترمیناله وجود دارند که درون آن‌ها مدارهای تنظیم ولتاژ و محدود کننده جریان تعبیه شده است. رگولاتورهای خطی متغیری نیز در دسترس هستند که ولتاژ خروجی آن‌ها از صفر تا یک مقدار ماکزیمم مشخص قابل تغییر است.

اغلب منابع تغذیه جریان مستقیم، از یک ترانسفورماتور بزرگ و سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی نیم موج یا تمام موج، یک فیلتر برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی و تعدادی تنظیم کننده یا پایدارساز خطی یا سوئیچینگ برای تضمین تنظیم صحیح ولتاژ خروجی در شرایط تغییر بار تشکیل می‌شوند. شمای کلی یک منبع تغذیه DC، مطابق شکل زیر است.

در ورودی این منبع تغذیه یک ترانسفورماتور بزرگ بعد از برق ac ورودی وجود دارد. این ترانسفورماتور سبب ایزولاسیون بین ورودی و خروجی می ‌شود.

منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply) :

مدار بخش رگولاتور شکل بالا می ‌تواند فقط یک دیود زنر یا یک رگولاتور خطی سه سر باشد و ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید کند. مزیت رگولاتور خطی این است که در مدار منبع تغذیه فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و تعدادی مقاومت فیدبک برای تنظیم ولتاژ نیاز دارد.

رگولاتورهای ولتاژ خطی یک ترانزیستور سری بین ورودی و خروجی تشکیل می‌شوند. این ترانزیستور به طور پیوسته جریان را هدایت کرده و رگولاتور یک ولتاژ DC تنظیم شده را تولید می‌کند. همان‌ گونه که از نام رگولاتور خطی بر می‌آید در ناحیه خطی مشخصه جریان-ولتاژ کار می‌کند. بنابراین، ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل است که به صورت پیوسته مقاومتش را با توجه به مقدار ولتاژ خروجی مورد نیاز تغییر می‌دهد.

شکل زیر مدار یک رگولاتور امیتر فالوئر ساده را نشان می ‌دهد که از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نظر تشکیل شده است.

از آن‌جایی که مدار یک امیتر فالوئر دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال ولتاژ بایاس DC مناسب به بیس ترانزیستور، یک خروجی پایدار در ترمینال امیتر حاصل می‌شود.

به دلیل آنکه ترانزیستور بهره جریان دارد، جریان بار خروجی بسیار بزرگتر از جریان بیس خواهد بود. اگر از یک زوج دارلینگتون به جای ترانزیستور استفاده کنیم، این مقدار بهره بیشتر نیز خواهد شد.

همچنین، اگر اندازه ولتاژ ورودی به اندازه کافی باشد، می‌توان ولتاژ خروجی را با ولتاژ بیس ترانزیستورها کنترل کرد. برای مثال، در مدار شکل بالا اگر ولتاژ بایاس بیس 5.7 ولت باشد، ولتاژ خروجیِ ۵ ولت به بار اعمال خواهد شد، زیرا تقریباً 0.7 ولت بین پایه‌های بیس و امیتر افت ولتاژ وجود دارد. بسته به مقدار ولتاژ بیس، می‌توان به هر ولتاژ خروجی دلخواهی برای امیتر دست یافت.

وقتی این مدار رگولاتور ساده کار می‌کند که ترانزیستور سری آن به طور پیوسته در ناحیه خطی خود (مصرف توان) بایاس شود. در این حالت، توان به فرم گرما تلف می‌شود. در نتیجه بازدهی آن ضعیف بوده و موجب تولید مداوم گرما خواهد شد.

یکی دیگر از معایب رگولاتورهای خطی ولتاژ این است که حداکثر جریان خروجی پیوسته آن‌ها به چند آمپر محدود است و به همین دلیل در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن‌ها توان کم باشد. وقتی منابع تغذیه‌ای با جریان و توان بیشتر نیاز داشته باشیم، معمولاً از یک رگولاتور سوئیچینگ استفاده می‌کنیم که در این صورت منبع تغذیه سوئیچینگ Switch Mode Power Supply یا SMPS نامیده می ‌شود.

مزایای منابع تغذیه خطی :

استفاده از منبع تغذیه خطی سه مزیت مهمی برای طراح دارد. اولین مزیت مهم، سادگی در طراحی آن می‌باشد. طراح میتواند با تهیه یک رگولاتور خطی و اضافه کردن چند خازن، یک منبع تغذیه خطی طراحی کند. حتی اگر طراح مجبور به ساختن منبع تغذیه با قطعات مجزا باشد (از رگولاتور‌های موجود در بازار استفاده نکند)، می‌تواند با خواندن یک کتاب ساده و سبک، منبع تغذیه خود را طراحی کند.

دومین مزیت منبع تغذیه خطی به عملکرد آن برمیگردد. منبع تغدیه خطی در حالت سکون کار میکند این بدین معناست که بر‌خلاف منبع تغذیه سوئیچینگ مدام قطع و وصل نشده و این مزیت باعث می‌شود نویز الکتریکی خیلی کمی در خروجی ‌شان داشته باشند؛ و همچنین پاسخ زمانی خیلی سریعی نسبت به تغییرات بار دارند (با تغییر بار خروجی، جریان خروجی منبع تغییر می‌کند و پاسخ به این تغییر جریان در منابع تغذیه خطی سریعتر می‌باشد).

سومین مزیت آن در به‌ صرفه بودن هزینه استفاده از منبع تغذیه خطی برای توان‌های زیر ۱۰ وات، نسبت به منبع تغذیه سوئیچینگ است.

طراحی مدارات بسيار ساده صورت می گيرد . ، تولید نویز و تداخل الکترومغناطیسی بسیار پایین ، در كاربردهای توان پايين ارزانتر می باشند. ، قیمت پایین ، سطح پیچیدگی اجزا و تجهیزات آن کمتر است که استفاده از آن را مطمئن ‌تر و قابل اعتماد تر می‌کند. ، به علت استفاده‌ی آنها در ولتاژهای پایین سر و صدای کمتری تولید می‌کنند.

یک شماتیک خیلی ساده از منبع تغذیه خطی را در شکل زیر میتوانید ببینید :

معایب منابع تغذیه خطی :

از عیب‌های منبع تغذیه خطی، میتوان به محدودیت تنوعی آن‌ها اشاره کرد. این بدین معناست که همه منبع تغذیه‌های خطی از نوع Step Down میباشد. یعنی باید حداقل ورودی یک منبع تغذیه خطی ۲ الی ۳ ولت بیشتر از خروجی آن باشد؛ و به خاطر همین مسئله ترانسفورماتور و عمل یکسوسازی و فیلترینگ باید قبل از منبغ تغذیه قرار بگیرند، و این باعث بالا رفتن حجم و هزینه منبع تغذیه خطی میشود. چراکه برق شهری دارای فرکانس ۵۰-۶۰ هرتز بوده و در نتیجه فرکانس کاری و المان‌های قبل از منبع تغذیه، مخصوصاً ترانس ۵۰-۶۰ هرتز بوده و این باعث بزرگتر شدن حجم و سایز ترانس ورودی میشود.

دومین عیب منابع تغذیه خطی این است که هر منبع تغذیه خطی فقط میتواند یک خروجی داشته باشد؛ بنابراین زمانی که به چندین ولتاژ خروجی نیاز داشته باشیم باید چندین منبع تغذیه خطی به طور مستقل طراحی کنیم، و این عمل باعث افزایش هزینه و بهای تمام شده طراحی منبع تغذیه میشود.

یکی دیگر از عیب‌های مهم منبع تغذیه خطی به بازده آن‌ها میتوان اشاره کرد. کاربرد‌های عمومی منابع تغذیه خطی دارای بازده ۳۰ الی ۶۰ درصد بوده و این یعنی به ازای هر ولتی که به بار تحویل داده میشود، بیشتر از یک وات توان در خود منبع تغذیه تلف میشود. همانطور که میدانیم در منبع تغذیه خطی یک ترانزیستور به اسم ترانزیستور مسیر، بین ورودی و خروجی قرار میگیرد و این، تلفات ناشی از ترانزیستور مسیر میباشد. یعنی ترانزیستور مسیر، این توان را به صورت گرما تلف می‌کند و مقدار این تلفات وقتی ورودی رگولاتور بین حداقل و حداکثر مقدار خود تغیر می‌کند، بیشتر نیز میشود. در نتیجه این اتلاف بیشتر توان، حرارت بیشتری در ترانزیستور بوجود می‌آورد و باعث نصب گرما گیر‌های بزرگتری بر روی ترانزیستور مسیر میشود.

وزن و حجم بالا نسبت به سایر منابع تغذیه  ، پایین بودن راندمان و تلفات انرژی بالا به صورت گرما ، در توانهای پایین استفاده می شوند ، كنترل سخت خروجی ، توان تلفاتی در ترانزيستورهای خروجی زياد می باشد. ، تنها بصورت يک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی بايد 2 تا 3 ولت بيشترازورودی باشد .

کاربرد‌های منابع تغذیه خطی :

منابع تغذیه خطی معمولاً در جا‌هایی که توان کمتر مورد نیاز میباشد و همچنین در جا‌هایی که استفاده از منابع تغذیه در حالت سکون ضروری میباشد، مورد استفاده قرار میگیرند. منابع تغذیه خطی از خروجی صافتری (ریپل کمتر) نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ برخوردار هستند بنابراین در جا‌هایی که نیاز به یک ولتاژ خیلی صاف داشته باشیم از منابع تغذیه خطی استفاده می‌کنند.

ورود به دسته بندی محصول منبع تغذیه | Power Supply