آشنایی با منبع تغذیه آزمایشگاهی

آشنایی با منبع تغذیه آزمایشگاهی, منابع تغذیه چگونه کار می‌کنند و اصول آشنایی با منبع تغذیه آزمایشگاهی چیست ؟ منبع تغذیه یا پاور سِپلای (Power supply) دستگاهی برای تأمین انرژی الکتریکی برای یک یا چند مصرف‌کننده است.منابع تغذیه این انرژی را از مولد‌های انرژی الکتریکی دریافت می­‌کنند و وظیفه اصلی آن‌ها تبدیل جریان الکتریکی به ولتاژ، جریان و فرکانس مورد نیاز یک (یا چند) مصرف کنندۀ الکتریکی است.یک منبع تغذیهٔ تنظیم‌شده  (Regulated)، می‌تواند جریان خروجی (ولتاژ) خود را تا حدی (معین) به گونه‌ه­ای تقریبی ثابت نگه دارد. از منبع تغذیه، در مواردی دیگر، مانند : راه­‌اندازی چارچوبی معین برای جریان تنظیم شده توسط بار ، به سطوحی که ایمن هست ؛ همچنین قطع کردن جریان در زمان‌های رخ دادن یک خطای الکتریکی و همین­طورایجاد شرایطی مناسب، برای جلوگیری از ورود نویز الکترونیکی (Electronic Noise) یا نوسان کردن دامنه ولتاژ بر روی ورودی بدست آمده از بار.همچنین منابع تغذیه می­‌توانند ضریب توان را تصحیح کنند و می‌توانند انرژی­‌های که برای انتقال آن در زمان‌هایی که مولد انرژی قطع می‌شود ، ذخیره کنند.

منبع تغذیه جزئی عناصر حیاتی درمحصولات الکترونیکی است. فعالیت دیگر قطعات الکترونیکی به عملکرد صحیح و دقیق منبع تغذیه وابسته است. منبع تغذیه ، تأمین کننده جریان الکتریسیته مورد نیاز هر یک از عناصر سخت‌افزاری است که جعبه‌ای مملو از فلز و پلاستیک خواهد بود . ولتاژهای  ۳/۳ ، 5 و ۱۲ ولتاژهای رایج آن می­‌باشند. ولتاژهای ۳/۳ و  پنج ولت عمدتاً توسط مدارات دیجیتال استفاده شده و ولتاژ دوازده ولت برای حرکت موتورهائی مانند درایو دیسک­‌ها و یا خنک کننده‌­ها استفاده می­‌شود. شاخص اصلی یک پاور تغذیه « وات » است. وات معادل حاصل ضرب ولتاژ (بر حسب ولتv) در جریان (بر حسب آمپرA) است. به زبان فیزیک تعریف وظیفۀ منبع تغذیه این است که (منبع تغذیه) ولتاژ متناوب را به ولتاژ مستقیم تبدیل کند.

منابع تغذیه ، همانطور که ذکر شد یکی از اعضای همیشگی سیستم‌های الکتریکی هستند که دارای انواع متفاوتی است . می‌­توان با شناخت انواع منبع تغذیه و ویژگی‌های هر یک و استفاده صحیح و به موقع از آن ها هزینه‌های یک پروژه را بسیار کاهش داد.

منابع تغذیه انواع مختلفی را شامل می‌­شوند. بر­اساس شکل ظاهری­شان ، می­‌توان به منبع تغذیه آزمایشگاهی (bench power supply) ، منبع تغذیه بدون قاب (Open frame power supply) ، منبع تغذیه مجتمع (integrated power supply) و آداپتور یا منبع تغذیه خارجی (external power supply) تقسیم کرد ، که هر کدام کاربردی خاص دارند.یکی از لوازم ضروری برای استفاده درآزمایشگاه‌­های الکترونیک صنعتی و راه‎اندازی مدار الکترونیک ، انواع منبع تغذیه آزمایشگاهی می‎باشد.

انواع منبع تغذیه :

منابع تغذیه را می‌توان برمبناهای متفاوت و گوناگونی دسته‌بندی کرد. به طور مثال، این تجهیزات بازه وسیعی از کاربردهای آزمایشگاهی، خانگی و صنعتی را پوشش می‌دهند.انواع منبع تغذیه بر اساس ولتاژ خروجی به دو نوع منابع تغذیه DC و AC دسته بندی می‌­شوند. همچنین منابع DC را از نظر اسکلت­‌بندی داخلی به دو دسته منابع تغذیه خطی (Linear regulator)و سوئیچینگ (Switched-mode power supply) تقسیم می‌­شود و با توجه به خروجی دستگاه به انواع تک‌ خروجی، چند‌خروجی و منابع تغذیه برنامه‌پذیر، همینطور از نظر نمایش ولتاژ خروجی، به دو نوع آنالوگ و دیجیتال تقسیم‌بندی می‌کنند. همانطور که می‌دانید ولتاژ موثر برق شهر ۲۲۰ ولت و از نوع متناوب با فرکانس ۵۰ هرتز (hz) است. در تبدیل این انرژی به انرژی مورد نظر ما برای کاربردهای آزمایشگاهی یا صنعتی، اگر خروجی منبع تغذیه به‌عنوان تجهیزاتی که عملیات تبدیل انرژی را برای ما انجام می‌دهند، 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 مورد بررسی قرار دهید، یا افت و کاهش ولتاژهای تحت‌تاثیر کابل‌های بلند یا غیر استاندارد را جبران کنید، در آن‌صورت باید به سراغ منابع تغذیه AC متغیر بروید. اما در بسیاری از کاربردهای آزمایشگاهی و خانگی که وسیله‌ای دارید که با ولتاژ برق باتری کار می‌کند یا مداری­ست که نیاز به ولتاژ مستقیم دارد، منابع تغذیه DC و انواع آن به کمک شما خواهند آمد.ایدۀ منابع تغذیه سوئیچینگ در تعویض حالت‌های خاموش (off) و روشن (on) ترانزیستور مدار است. به‌طوریکه این نحوه عملکرد داخلی دستگاه، مزایای زیادی را نسبت به منابع تغذیه خطی به وجود آورده است.از جمله مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ می‌توان به دقت بالا، اتلاف انرژی کم و ابعاد کوچکتر دستگاه اشاره کرد اما از طرفی ، پیچیدگی مدار و قیمت آن را افزایش می‌دهد. این مدل از دستگاه ها همچنین در شارژرهای موبایل، رایانه‌های شخصی (personal computer) 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 دهی سریع‌تر و همچنین نویز تولیدی دستگاه کمتر است. این منابع را می‌توان در اکثر آزمایشگاه‌های (مهندسی برق) به‌عنوان بلوک تامین‌کننده‌ی توان مدارات الکترونیکی مشاهده کرد.

منابع تغذیه را همچنین 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 به روزتر و پیشرفته تر دارای خروجی‌های متعدد می‌باشند 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 ویژگی‌های خاص آن از جمله دقت بالا و همچنین ریپل و نویز کمتر ،تفاوت قابل ملاحظه‌ای با انواع منبع تغذیه معمولی دارد.

منبع تغذیه ازمایشگاهی Supply of laboratory)) :

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 dc متغیر 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 پاورآنالایزر احساس می­شود 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 می­باشد. به این منابع، منابع تغذیه DC متغیر گفته می­شود. از این منابع در تمامی محیط های آزمایشگاهی و تعمیراتی استفاده می­شود. برای مثال یک تعمیر کار موبایل به صورت مداوم از این منابع برای تست و روشن کردن مدارات موبایل استفاده می­کند .

اصول عملکرد منابع تغذیه آزمایشگاهی :

خروجی‎ها‎ی متغیر منبع تغذیه آزمایشگاهی علاوه بر اینکه باید بتوانند ولتاژ خروجی را تنظیم کنند ، باید توانایی 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، درنتیجه نمی‎توان از ترانسفورماتور (Transformator) دو سر، با در نظر گرفتن ولتاژ ماکزیمم (max) منبع تغذیه استفاده کرد. به عنوان مثال برای تولید یک منبع تغذیه صفر ولت تا ۴۰ ولت، باید از ترانسفورماتور ۴۵ ولت استفاده کرد زیرا استفاده از منبع تغذیه در ولتاژ‎ها‎ی پائین و جریان بالا، تلفات ترانزیستورهای قدرت را زیاد می­کند که این عمل باعث 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 توانائی 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 دسترسی 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.

کاربرد منبع تغذیه ازمایشگاهی :

این نوع دستگاه یکی از رایج ترین و مورد استفاده­ ترین تجهیزات ، در فرآیند تست و اندازه گیری در آزمایشگاه های الکترونیک، مخابرات محسوب می­شود. هر زمان و هرکجا که احتیاج باشد ولتاژ ورودی را با مقداری تنظیم‌شده و مناسب به مدار اعمال می­کند و یا قطعات الکترونیکی و الکترومکانیکی را با آن تست می­کنند.

مطمئنا اهمیت یک منبع تغذیه‌ دقیق و با نویز کم هنگام بررسی مدارات الکترونیک به شدت احساس می‌شود. دانشجویان رشته‌های مربوط به مهندسی الکترونیک و همینطور صنعت‌گران و مهندسان برق به خوبی از حساسیت منبع تغذیه به عنوان ورودی و اولین بلوک اساسی مدار خود مطلع هستند. این بلوک می‌تواند با تولید کردن یک جریان با نوسانات کم و بدون تغییرات ناگهانی، نقش یک ورودی مناسب و منطبق با تحلیل‌های مداری را ایفا کند و یا با تولید کردن نویز  (Noise)، تقویت و قوی کردن آن و نیز نوسان دادن جریان (ولتاژ) و جریان بیش از حد مطلوب، نتایج یک پروژه دانشگاهی یا صنعتی را تحت تاثیر قرار داده و به مدار آسیب جدی وارد کند.

شناخت انواع منابع تغذیه ، نحوه کاربردشان و انتخاب صحیح آن‌ها ، اولین گام برای انجام آزمایش‌های مؤثر و مفید و ورود موفقیت آمیز به دنیای مهندسی برق و الکترونیک است.

طرز کار منبع تغذیه :

به دلیل ساده بودن و سهولت استفاده از منابع تغذیه ، در کنار کاربرد فراوان و مهمی که در آزمایشگاه‌های الکترونیک دارند، آن‌ها را به یکی از تجهیزات رایج و محبوب تبدیل کرده است. گاهی همین محبوبیت موجب غافل شدن از کارکردن  درست و صحیح دستگاه می‌شود. با وجود ولتاژ کم، مدارات کنترل‌کننده و فیوزهای الکترونیکی، ممکن است به علت عدم اطلاع صحیح از نحوه کار آن ، منبع تغذیه موجب آسیب ‎رسانی به مدار شود.

یکی دیگر از قابلیت‌های منابع تغذیه که بسیار دارای اهمیت است، حالت ولتاژ ثابت و جریان ثابت است و در مدل‌های پیشرفته‌تر ، حالت‌های مقاومت ثابت و توان ثابت است.

همان‌طور که مطلع هستید 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 اضافه 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 به‌ صورت 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.