منبع تغذیه خطی (Linear Power Supply) یکی از روش‌های رایج تأمین انرژی الکتریکی برای مدارهای الکترونیکی است. این منابع نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ ساده تر هستند و نویز کمتری دارند، اما معمولاً راندمان پایین و تلفات گرمایی بالا دارند. تفاوت منبع تغذیه خطی با منبع تغذیه سوئیچینگ و مزایا و معایب هر یک، به طور کامل در مقاله “تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ؛ کدام بهتر است؟” بررسی شده است.

در این مقاله با انواع منابع تغذیه خطی آشنا می شویم و اجزای اصلی هر یک را معرفی و بررسی خواهیم کرد.

انواع منابع تغذیه خطی

منابع تغذیه خطی به دو دسته کلی منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس (Transform based Linear Power Supply) و منبع تغذیه خطی بدون ترانس(Transformer less Linear Power Supply)  تقسیم می شوند.

در منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس از ترانسفورماتور برای افزایش، کاهش یا ایزولاسیون ولتاژ AC ورودی استفاده می شود. سپس این ولتاژ توسط یکسوساز و فیلتر به ولتاژ DC تبدیل شده و در نهایت توسط رگولاتور خطی تثبیت می شود.

منبع تغذیه خطی بدون ترانس مستقیماً از برق شهر (۲۲۰ ولت AC) استفاده می کند و بدون استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را به سطح موردنیاز کاهش می دهد. این کاهش ولتاژ معمولاً با استفاده از خازن های افت ولتاژ، مقاومت ها و دیودهای زنر انجام می شود. منبع تغذیه خطی بدون ترانس که به آن منبع تغذیه خازنی هم گفته می شود، معمولاً برای جریان‌های زیر ۱۰۰ میلی‌آمپر مناسب است.

مزایا و معایب انواع منابع تغذیه خطی

مزیت منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس این است که از برق شهر ایزوله شده است؛ اما در منبع تغذیه خطی بدون ترانس، ایزولاسیون وجود ندارد و به دلیل اتصال مستقیم به برق شهر، خطر برق‌گرفتگی وجود دارد. لذا ایمنی منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس بالاتر است.

همچنین خروجی منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس، پایدار و بدون نویز است. لذا برای مدارهای حساس، انتخاب بهتری است.

در مقابل، منبع تغذیه خطی بدون ترانس به دلیل هزینه کمتر، ابعاد کوچکتر و وزن پایین تر، برای مدارهای کوچک مانند آداپتورهای LED، محافظ برق لوازم خانگی و برخی وسایل خانگی کم مصرف انتخاب مناسب تری است. جدول ۱ به درک بهتر تفاوت و مزایا و معایب انواع منابع تغذیه خطی کمک می کند.

جدول۱. مقایسه منبع تغذیه مبتنی بر ترانس با منبع تغذیه خازنی

اجزای اصلی منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس

منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس از چندین بخش تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر، ولتاژ متناوب (AC) را به ولتاژ مستقیم (DC) پایدار و بدون نویز تبدیل می کنند. شکل ۱ نمونه ای از یک منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس را نشان می دهد.

شکل۱. نمونه ای از منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس

۱.ترانسفورماتور (Transformer): بخش کاهنده یا افزاینده ولتاژ

ترانسفورماتور اولین و مهم‌ترین بخش یک منبع تغذیه خطی مبتنی بر ترانس است. این قطعه وظیفه دارد ولتاژ ورودی AC را به سطح مناسب تبدیل کند.

شکل۲. ترانسفورماتور به عنوان تبدیل کننده سطح ولتاژ

در بیشتر منابع تغذیه خطی، معمولاً از ترانس کاهنده استفاده می شود. در این صورت وظایف ترانسفورماتور عبارت است از کاهش ولتاژ AC از برق شهر (مثلاً ۲۲۰ ولت) به مقدار مورد نیاز (مثلاً ۱۲ ولت یا ۲۴ ولت) و ایزوله کردن مدار از برق شهر برای افزایش ایمنی.

در برخی منابع تغذیه خاص، ممکن است نیاز به افزایش ولتاژ AC ورودی داشته باشیم. در این موارد از ترانس افزاینده استفاده می شود. به عنوان مثال برای تامین تغذیه لامپ‌های تخلیه گاز (مانند فلورسنت و نئون) که به ولتاژ بالاتر نیاز دارند، یا برای ساخت منابع تغذیه ولتاژ بالا برای تست عایقی یا تغذیه‌ تقویت‌کننده‌های RF و مایکروویو.

همچنین در برخی منابع تغذیه، ترانس فقط برای ایزوله کردن مدار از برق شهر استفاده می‌شود.  در این صورت از ترانس ایزوله با نسبت سیم‌پیچ ۱:۱ استفاده می شود. این نوع ترانس در تغذیه‌ ی ابزارهای اندازه گیری، آزمایشگاهی و پزشکی رایج است، زیرا از خطرات اتصال مستقیم به برق شهر جلوگیری می کند.

۲. یکسوکننده (Rectifier): مرحله تبدیل AC به  DC

پس از ترانسفورماتور، ولتاژ خروجی همچنان به‌صورت متناوب (AC) است که در این مرحله، با عبور از یکسوساز (Rectifier) به یک ولتاژ DC با ریپل زیاد تبدیل می شود.

شکل۳. نمونه ای از یکسوکننده مورد استفاده در منبع تغذیه

انواع یکسوسازها:
✔ یکسوساز نیم موج: از یک دیود استفاده می کند و بازده کمتری دارد.
✔ یکسوساز تمام موج: از پل دیودی استفاده می کند و بازده بالاتری دارد.

۳. فیلتر (Filter): کاهش نوسانات و ریپل

پس از عبور از مرحله یکسوسازی، هنوز مقداری ریپل (نوسانات ولتاژ) در خروجی وجود دارد. برای ایجاد یک ولتاژ DC صاف و پایدار، از فیلترهایی متشکل از خازن و سلف استفاده می شود.

شکل۴. فیلتر خازنی مورد استفاده در منابع تغذیه

به عنوان مثال، فیلترخازنی رایج ترین روش برای صاف کردن ولتاژ DC است. همچنین از فیلتر LC (سلف + خازن) برای کاهش ریپل ولتاژ در منابع تغذیه پیشرفته تر استفاده می شود.

۴. رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator): مرحله تثبیت ولتاژ خروجی

حتی پس از فیلتر شدن، ممکن است ولتاژ خروجی به دلایل مختلف (تغییرات در ولتاژ ورودی یا تغییر بار) دچار نوسان شود. رگولاتور ولتاژ این مشکل را حل می کند و یک ولتاژ ثابت را ارائه می دهد.

در این مرحله با توجه به کاربرد می توانیم از دونوع رگولاتور خطی استفاده کنیم. یک نوع رگولاتور خطی ثابت است که ساده و ارزان قیمت هستند. به عنوان مثال سری ۷۸XX و ۷۹XX از جمله این رگولاتورها هستند. نوع دوم  رگولاتور خطی متغیر است که امکان تنظیم ولتاژ خروجی را فراهم می کنند. به عنوان نمونه از رگولاتور خطی متغیر می توان LM317 را نام برد.

💡 نکته: رگولاتورهای خطی انرژی اضافی را به گرما تبدیل می‌کنند، بنابراین نیاز به هیت‌سینک (Heatsink) دارند.

اجزای اصلی منبع تغذیه خطی بدون ترانس

منابع تغذیه خطی بدون ترانس معمولاً شامل اجزایی مانند خازن محدودکننده ولتاژ، دیود یکسوساز، خازن فیلتر، دیود زنر، مقاومت و در بعضی موارد ترانزیستور هستند که با همکاری یکدیگر ولتاژ AC ورودی را به ولتاژ DC پایدار و مناسب برای مدارهای کوچک و کم‌مصرف تبدیل می‌کنند. شکل ۵ نمونه ای از منبع تغذیه خطی بدون ترانس را نشان می دهد.

شکل۵. نمونه ای از منبع تغذیه خطی بدون ترانس

در ادامه این مقاله، اجزای اصلی آن را بررسی می کنیم.

۱. خازن محدودکننده ولتاژ (Dropping Capacitor)

این خازن که به صورت سری در ورودی مدار قرار می گیرد، برای کاهش ولتاژ ورودی AC به سطح مورد نیاز استفاده می شود. با توجه به ظرفیت و ولتاژ آن، می تواند به‌عنوان یک مقاومت متغیر در مدار عمل کند. این خازن در واقع افت ولتاژ را به صورت غیرخطی ایجاد می کند و باعث می شود که ولتاژ ورودی به مقدار مورد نیاز برسد.

۲. دیود یکسوساز  (Rectifier Diode)

در منبع تغذیه خطی بدون ترانس، دیود یکسوساز مسئول تبدیل ولتاژ AC به DC است. این دیود در مرحله اول جریان AC را یکسوسازی کرده و باعث می شود ولتاژ DC با یک قطبیت واحد ایجاد شود. در این  مرحله  معمولاً از دیودهای سیلیکونی استفاده می‌شود که به‌طور کارآمد جریان AC را به DC تبدیل می کنند.

۳. خازن فیلتر  (Filter Capacitor)

این خازن وظیفه صاف کردن سیگنال DC را بر عهده دارد. بعد از یکسوسازی، سیگنال DC هنوز دارای ریپل است. خازن فیلتر این نوسانات را کاهش داده و ولتاژ DC صاف ‌تری ایجاد می‌ کند. این خازن معمولاً پس از یکسوسازی و پیش از تثبیت ولتاژ قرار می ‌گیرد.

۴. دیود زنر  (Zener Diode)

دیود زنر برای تثبیت ولتاژ خروجی به‌کار می‌ رود. وقتی ولتاژ به مقدار معین (ولتاژ زنر) برسد، دیود زنر جریان اضافی را به زمین هدایت می کند و ولتاژ را در سطح ثابت نگه می دارد.

امیدواریم این آموزش اطلاعات مناسبی را در اختیار شما قرار داده باشد. با ارائه نظرات، پیشنهادات و انتقادات خود ما را در هرچه بهتر شدن ارائه مطالب یاری کنید.