در میان منبع تغذیه ها، چشم همه ی دوستداران الکترونیک به دنبال آن دستگاهی
است که ولتاژ تثبیت شده ی خروجی اش به طور پیوسته، مثلاً بین 2 تا 30 ولت قابل
تنظیم باشد و همزمان بتوان حد جریان خروجی آن را نیز، هر بار بر حسب نیاز، از پیش
انتخاب و تنظیم کرد.
چنین مداری را می توان به عنوان مثال به وسیله ی یک رگولاتور یا «تثبیت کننده
با ولتاژ ثابت» مانند LM317 ساخت. به این آی.سی. فقط دو مقاومت اضافه می شود که
نسبتِ بین مقدار اهمی آنها، ولتاژ خروجی مدار تثبیت کننده را تعیین می کند. حال
اگر یکی از این مقاومت ها را با یک پتانسیومتر عوض کنیم، یک «مدار تثبیت کننده
با ولتاژ متغیر» خواهیم داشت. اطلاعات بیش تر در این مورد را می توانید در داده-برگ
آی.سی. LM317 به دست آورید.
اما من خودم یک منبع تغذیه ی متغیر دارم که در ساخت آن آی.سی. رگولاتور استاندارد
LM723 استفاده شده است و علاوه بر تنظیم ولتاژ خروجی، «مدار محدودکننده ی جریان»
نیز دارد که به راستی در کار و عمل بسیار سودمند می باشد.
آشنایی با مدار یکپارچه LM723
LM723 یک آی.سی. استاندارد ویژه ی مدارهای منبع تغذیه است. این آی.سی. یکی از
قدیمی ترین مدارهای یکپارچه ی سیلیکونی است که هنوز به کار گرفته می شود و از زمان
اولین حضور آن در بازار بیش از 40 سال می گذرد. بسیاری معتقدند که چه بسا این مدار
یکپارچه به راستی قدیمی ترین آی.سی. همچنان فعال در جهان باشد.
با مدارهای بیرونی که به این آی.سی. وصل می شوند، می توان ولتاژهای تثبیت شده
ی ثابت (مثلاً 12 ولت رگوله) یا ولتاژهای تثبیت شده ی متغیر تولید کرد. کیفیت و
دقت کارکرد این منبع تغذیه ها به کیفیت افزاره های بیرونی بستگی دارد.
در داخل LM723 یک دیود زینر با «خطای گرماییِ جبران شده»، به کار رفته است.
از این زینر جریان ثابتی عبور داده می شود و ولتاژ مرجعی به بزرگی 7/15 ولت ایجاد
می گردد. ولتاژ خروجی منبع تغذیه با این «ولتاژ مرجع» مقایسه می شود. اگر تفاوتی
بین این دو باشد، توسط یک مدار تنظیم کننده (تقویت کننده ی خطا و ترانزیستور) جبران
می شود.
علاوه بر این، ترانزیستور دیگری هم برای محدودکردن جریان در داخل این مدار یکپارچه
پیش بینی شده است. به محض این که ولتاژ بیس-امیتر این ترانزیستور (میان پایه های
2 و 3 آی.سی.) به 0/6 ولت برسد یا از این مقدار تجاوز کند، ترانزیستور ولتاژ خروجی
را پایین می کشد و به این وسیله جریان خروجی را محدود می کند.
.
.
.
آی.سی. LM723 توان تحمل بیشینه 40 ولت در ورودی را دارد. جریان خروجی این آی.سی.
نباید از 150 میلی آمپر فراتر رود. البته می توان با افزودن یک ترانزیستور با توان
بالا، جریان خروجی آی.سی. را بالا برد.
.
یک مدار منبع تغذیه با LM723
من از نیمه ی دهه 1360 صاحب یک منبع تغذیه ی دوبل شدم که در آن آی.سی. مورد
بحث این مقاله به کار گرفته شده است. ولتاژ آن از 1/2 ولت تا حدود 35 ولت به طور
پیوسته قابل تنظیم و انتخاب است. به علاوه، دارای یک محدود کننده ی جریان قابل
تنظیم بین صفر تا 3 آمپر نیز هست. از این مدار در بسیاری از کیت های تجارتی هم
استفاده شده است. به عقیده ی من حتی تا امروز هم این تنها مدار منبع تغذیه ی تثبیت
شده با گام وسیعی از ولتاژ و جریان قابل تنظیم است که در سطح آماتوری به سادگی
قابل ساخت باشد. به این دلیل نگاه نزدیک تری به این مدار می اندازیم.
.
.
ولتاژ مرجع 7/15 ولتی با ولتاژ روی مدار «تقسیم کننده ی ولتاژ» شامل R5 / R6
بر عدد 1/2 تقسیم می شود و حاصل تقسیم ولتاژ به «ورودی ناوارونگر» (پایه 5) آی.سی.
داده می شود. همزمان، همین 1/2 ولت کمینه ی ولتاژی است که این مدار قادر به تامین
آن در خروجی خود می باشد.
مقاومت های R1، R2 و P1 در خدمت "محدودکردن جریان" هستند. این تیم یک مدار «تقسیم
کننده ی ولتاژ قابل تنظیم» را شکل داده که میان ولتاژ مرجع در پایه ی 6 (همان 7/15
ولت) و زمین مدار قرار دارد. ولتاژی که از روی سر لغزان پتانسیومتر P1 برداشته
شده و به پایه ی 2 آی.سی. فرستاده می شود (محدودکننده ی جریان) در خدمت تنظیم و
تحدید جریان خروجی قرار دارد. کمینه ی جریان وقتی حاصل می شود که سر لغزان P1 به
آخرین موقعیت خود به سمت مقاومت R2 چرخانده شده باشد. در این وضعیت، ولتاژ سر لغزان
این پتانسیومتر و ولتاژ روی پایه ی 2 آی.سی. برابر است با:
.
.
بیشینه ی جریان هنگامی به دست می آید که سر لغزان P1 در نزدیک ترین مکان به
R1 قرار داشته باشد. بنابراین، ولتاژ روی سر لغزان P1 و پایه ی 2 از آی.سی. در
این حالت برابر خواهد بود با:
.
.
مقاومت R7 در مدار «بار» (سیم زمین) قرار دارد و به عنوان «مقاومت جریان سنج»
عمل می کند. هر قدر جریانی که از R7 می گذرد بزرگ تر باشد، افت ولتاژ دو سر آن
هم بیش تر خواهد بود. این ولتاژ بر روی پایه ی اندازه گیر (پایه 7) آی.سی. قرار
داده شده و هر ولتاژ اولیه ای که روی این پایه وجود داشته باشد، با مقدار افت ولتاژ
روی R7 جمع می شود. سمت دیگر R7 همراه با دیگر پایه ی حسگر آی.سی. (پایه 3) به
زمین تغذیه ی ورودی مرتبط است. به عبارت دیگر، ولتاژ روی پایه 3 به اندازه ی افت
ولتاژ روی R7 پایین تر از نقطه ی زمین LM723 قرار دارد. به محض این که اختلاف ولتاژ
بین پایه های 2 و 3 آی.سی. به 0/6 ولت برسد و یا از این مقدار بیش تر شود، آی.سی.
ولتاژ خروجی را به سمت پایین هدایت می کند و به این وسیله جریان خروجی را محدود
می سازد.
ولتاژ خروجی از طریق مدار تقسیم کننده ی ولتاژ شامل P2 / P3 / R4 به ورودی ناوارونگر
LM723 (پایه 4) بازگشت داده می شود. اگر سر لغزان پتانسیومترهای P2 و P3 روی صفر
اهم قرار داشته باشند، ولتاژ خروجی در بالاترین مقدار خود (در اینجا 35 ولت) به
ورودی ناوارونگر (پایه 4) می رسد و به وسیله ی آن ولتاژ خروجی تا حد ولتاژ مرجع
در پایه 5 (در اینجا 1/2 ولت) پایین آورده می شود.
با چرخاندن P2 و بالا رفتن مقدار اهمی آن، ولتاژ روی پایه 4 آی.سی. به زیر 1/2
ولت کاهش می یابد و ولتاژ خروجی را آنقدر بالا می برد تا روی پایه 4 دوباره 1/2
ولت ایجاد شود! با قرار گرفتن P2 و P3 روی بیشینه ی مقدار اهمی، ولتاژ روی پایه
4 آی.سی. به مقدار زیر می رسد:
.
.
در این حالت، ولتاژ کار 35 ولت دیگر برای رسیدن پایه ی 4 آی.سی. به 1/2 ولت
کفاف نمی دهد و آی.سی. ولتاژ خروجی را روی بیشینه ی ولتاژ که برابر 35 ولت است
تنظیم می کند. پتانسیومتر P3 برای تنظیم دقیق ولتاژ خروجی پیش بینی شده است. برای
این که از به نوسان درآمدن مدار مصون باشیم، خازن C2 به مدار افزوده شده است. این
خازن باید در عمل خیلی نزدیک به آی.سی. مونتاژ شود.
اگر ولتاژ کار کوچک تری، مثلاً 24 ولت، مورد نظر باشد،بایستی مدار تقسیم کننده
ی ولتاژ P2 / P3 / R4 از نو محاسبه شود، و این کار باید چنان انجام گیرد که در
بیشینه ی ولتاژ کار (مثلاً 24 ولت) در خروجی (که به پایه ی 4 وصل است) ولتاژ 1/2
ولت قابل دستیابی باشد. در هر صورت، باید به خاطر سپرد که مقاومت ها همواره مقداری
خطا دارند (تولرانس). در صورتی که تنظیم ولتاژ به خوبی عمل نکند، بایستی رفع عیب
را با اندازه گیری ولتاژ روی پایه ی 4 آغاز کرد.
نظر به این که LM723 فقط قادر به تامین 150 میلی آمپر جریان خروجی است، برای
تقویت جریان منبع تغذیه بایستی از کمک ترانزیستورهای قدرت بهره برد. در اینجا یک
طبقه ی «دارلینگتون» با یک زوج مکمل شامل یک ترانزیستور مثبت (PNP) از نوع BD138
یا BD140 که در مدار با T1 نامگذاری شده، و یک ترانزیستور منفی (NPN) از نوع 2N3055
که در شماتیک T2 نامیده شده است، این وظیفه را به خوبی به عهده می گیرد.
نکته ی مهم این است که ترانزیستور T2 باید حتماً روی یک گرماگیر (رادیاتور)
بزرگ نصب شود. همچنین، ترانزیستور T1 نیز باید به گرماگیر کوچکی مجهز شود.
.
.
با مداری که در اینجا ارایه شده است بیشینه ی جریان خروجی، از منظر محاسباتی
صرف، چیزی در حدود 4 آمپر است (کمی پایین تر را ببینید). اما تحت این جریان، بسته
به این که چه مقدار ولتاژی در خروجی داریم، اتلاف توان خیلی زیادی به صورت گرما
خواهیم داشت. کمی دقیق تر به مساله نگاه کنیم: اگر ولتاژ خروجی روی مقدار بالایی،
مثلاً 30 ولت، تنظیم شده باشد، بدون هیچ نگرانی می توانیم 4 آمپر جریان از منبع
تغذیه بکشیم زیرا 5 ولت باقی مانده در دستگاه تحت جریان 4 آمپر، 20 وات توان تلفاتی
تولید می کند که توسط ترانزیستورهای قدرت به گرما تبدیل می شوند و به راحتی توسط
گرماگیر بزرگ آنها، به هوای پیرامون منتقل می شود. وضعیت بحرانی وقتی به وجود می
آید که بخواهیم 3 یا 4 آمپر جریان را در حالی که خروجی دستگاه روی ولتاژ کم، مثلاً
2 ولت یا 4 ولت، از آن بگیریم. در این حالت است که ترانزیستورها باید بیش از 100
وات توان الکتریکی را "در دل خود" به گرما تبدیل کنند، توانی که اثر ویرانگری روی
ترانزیستورهای قدرت مدار خواهد داشت و به سوختن آنها منجر خواهد شد.
.
این تصویر گرماگیر ترانزیستور 2N3055 را نشان می دهد
.
من در آزمایش هایم با این منبع تغذیه مشاهده کردم که کشیدن 3 یا 4 آمپر از دستگاه
در ولتاژهای خروجی پایین در مدت زمان کوتاهی سبب گرمایش بسیار زیاد گرماگیر می
شود. بنابراین پیشنهاد می کنم که مرز جریان دهی این منبع تغذیه را 1/5 تا 2 آمپر
در نظر بگیرید. این مقدار جریان البته برای تغذیه ی اغلب مدارهای الکترونیکی به
خوبی کفایت می کند. علاوه بر این، استفاده از ترانس های کوچک تر هم در ساخت این
مدار میسر خواهد شد.
.
ساختن منبع تغذیه
مدار دستگاه همان طور که در شماتیک آن آمده ساخته می شود. تنها پرسش باقی مانده،
واتآز صحیح ورودی مدار است. پیش از همه باید توجه داشت که بیشینه ی ولتاژ مجاز
ورودی LM723 نباید از 40 ولت تجاوز کند. اما ولتاژ متناوب ورودی دستگاه باید
کمتر از این مقدار باشد، زیرا مدار یکسوساز و فیلتر شامل D1 تا D4 و خازن الکترولیت
بزرگ C1 آن را به اندازه ی ولتاژ قله به قله ی ولتاژ متناوب ورودی بالا می برند.
بنابراین، اگر ولتاژ متناوب ورودی بین 24 تا 26 ولت انتخاب شود، ولتاژ مستقیم روی
دو سر خازن C1 تقریباً 34 تا 36 ولت خواهد شد. در نتیجه، ترانس قابل استفاده در
این دستگاه باید در حالت بی باری بین 24 تا بیشینه 26 ولت متناوب داشته باشد. روشن
است که به کار بردن یک ترانسفورمر با ولتاژ پایین تر از این مقدارها ممکن است و
تنها سبب می شود که بیشینه ی ولتاژ خروجی منبه تغذیه نیز متناسباً کم تر شود.
.
.
کاهش دادن بیشینه ی جریان خروجی
بیشینه ی جریان را در بهترین حالت می توان با تغییردادن R7 تحت تاثیر قرار داد.
همان گونه که پیش تر گفته شد، ولتاژ روی سرلغزان P1 (و روی پایه ی 2 آی.سی.) در
چرخش کامل خود برابر 0/09 ولت خواهد بود. روی پایه ی 3 آی.سی. به خاطر افت ولتاژ
روی R7 ولتاژی پدید می آید که مقدار آن به اندازه ی مقدار افت ولتاژ روی R7 از ولتاژ
نقطه ی سنجش (پایه 7 آی.سی.) کم تر است.
به فرض این که در «مدار بار» جریانی معادل 3 آمپر برقرار باشد، افت ولتاژ روی
R7 عبارت خواهد بود از:
.
.
یعنی ولتاژ روی پایه ی 3 آی.سی. در اینجا 0/36 ولت کمتر از ولتاژ روی مقطه ی
سنجش آی.سی. خواهد بود. بنابراین، اختلاف ولتاژ در پایه ی2 ، که حالا 0/09 ولت
روی آن قرار دارد، برابر است با 0/45 = 0/09 + 0/36 ولت. با این ولتاژ ناچیز مدار
محدودکننده ی جریان LM723 هنوز غیرفعال باقی می ماند، زیر این اختلاف ولتاژ کوچک
تر از 6/0 ولت است. نتیجه می گیریم که روی R7 باید 0/45 = 0/099 + 0/36 ولت
افت کند تا مدار محدودکننده ی جریان به کار بیفتد. با دانستن این مقدارها، به آسانی
مقدار اهمی R7 را در یک «بیشینه ی جریان معین» حساب می کنیم. مثلاً اگر بیشینه
ی جریان 2 آمپر فرض شود، خواهیم داشت:
.
.
و برای 1/5 آمپر بیشینه ی جریان، مقدار R7 برابر است با:
.
.
این محاسبه را به صورت وارونه نیز می توان انجام داد. به عنوان مثال "با داشتن
مقدار 0/12 اهم برای R7، بیشینه ی جریان چقدر خواهد بود؟":
.
.
از اینجا می توان گفت که مشخصه ی جریان داده شده برای این منبع تغذیه (3 آمپر)
از نظر محاسباتی درست نیست! زیرا برای بیشینه ی جریان 3 آمپری مقدار R7 باید این
مقاومت را دارا باشد:
.
.
پس از عوض کردن R7 بایستی همواره بیشینه ی جریان را زیر نظر داشت! برای این
کار من از یک چراغ 12 ولتی با توان 25 یا 40 وات خودرو استفاده می کنم.
.
حواس تان به کیفیت پتانسیومترها باشد!
پتانسیومترهای P1 و P2 باید بی برو برگرد کیفیت بسیار خوبی داشته باشند. در
منبع تغذیه ی من تقریباً پس از 20 سال پتانسیومتر محدود کننده ی جریان خراب شد.
هنگلم چرخاندن محور پتانسیومتر به سمت مقاومت کم (بالابردن مقدار جریان مجاز)،
جریان به صورت لحظه ای به بیشینه ی مقدار خود که 3/5 آمپر است، افزایش پیدا می
کند. همچنین، با چرخاندن این پتانسیومتر به آخرین موقعیت سمت چپ (جریان صفر) هم
این اتفاق می افتد. این موضوع تحت هیچ شرایطی نباید اتفاق بیفتد، زیرا مداری که
به منبع تغذیه وصل شده، به خاطر این خطای پتانسیومتر به احتمال زیاد آسیب خواهد
دید. اما در هر صورت برای این که اصولاً ولتاژی قابل تنظیم باشد، در ابتدای هر
بار استفاده کردن از منبع تغذیه، باید پتانسیومتر P1 اندکی بالاتر از موقعیت صفر
آمپر قرار داده شده باشد (در حدود یک سوم زاویه ی چرخش محور پتانسیومتر).
.
مدار کار نمی کند!
گاهی پیش می آید که همه ی کارها را به درستی انجام داده ایم، اما مدارمان کار
نمی کند! من خودم این مدار را نساخته ام، زیرا آن را به صورت دستگاه آماده در اختیار
داشته ام که 30 سال و بیش تر بدون هیچ مشکلی به من خدمت کرده است. من فقط مدار
منبع تغذیه ام را برای بررسی کارکرد آن پیاده کرده ام و هر کس آن را بسازد باید
در بهره برداری از آن نیز موفق باشد.
گاهی برای پایداری بهتر ولتاژ خروجی در برابر اتصال بار به آن، لازم می شود
که به مدار خروجی دستگاه یک یا دو عدد خازن الکترولیت 100 میکروفاراد (50 ولت به
بالا) اضافه شود.
اما اگر دستگاه کار نکرد، باید پیش از هر چیز امتحان کند که ولتاژ روی پایه
ی 5 آی.سی. روی 2 ولت قرار داشته باشد، که اغلب این طور نیست و مقدار پایین تری
دارد. زیرا این ولتاژ معادل کم ترین ولتاژ خروجی قابل تنظیم منبع تغذیه هم هست.
برای رساندن ولتاژ روی پایه ی 5 به 2 ولت، شاید لازم باشد مقدار مقاومت R5 به
8/2 کیلواهم، و مقاومت R6 به 3/3 کیلواهم تغییر داده شود. همچنین، در صورتی که
ولتاژ ورودی 30 ولت باشد، مقاومت R4 باید به 680 اهم تغییر داده شود.
.
تصویری از منبع تغذیه ی دوبل من از دهه ی 1360:
سالمند، اما سالم!
