ساخت منبع تغذیه دوبل به کمک میکروکنترلر PIC
خلاصه - هدف از انجام این طرح پژوهشی ، دستیابی به یک منبع تغذیه دوبل با استفاده از میکروکنترلرهای PIC با نمایشگر LCD و با قابلیتهای بیشتر نسبت به نمونه های موجود در بازار ، جهت صرفه جوئی ارزی و کاهش مبالغ مورد نیاز جهت تجهیز آزمایشگاههای الکترونیک بوده است .
کلمات کلیدی- منبع تغذیه دوبل ، میکروکنترلر PIC ، تقویت کننده عملیاتی
1- مقدمه
منبع تغذیه DC ، یکی از دستگاههای آزمایشگاهی ضروری جهت تجهیز آزمایشگاههای رشته برق می باشد . بطوریکه بر روی هر یک از میزهای آزمایشگاهها ، وجود دو منبع تغذیه الزامی است چراکه منابع تغذیه موجود به تنهائی قادر به تولید ولتاژهای مورد نیاز نمی باشند .
2- منابع تغذیه موجود
منابع تغذیه داخلی موجود در بازار ایران ، از نظر عملکرد ، با نمونه های خارجی قابل مقایسه نمی باشند . منابع تغذیه خارجی نیز با قیمتهای بالائی عرضه می شوند . به عنوان مثال یک سری از منابع تغذیه خارجی مرغوب ساخت شرکت SCORT تایوان با قیمت تقریبی سه میلیون و دویست هزار ریال می باشد که نمای ظاهری آن در شکل 1 به نمایش درآمده است .
این دستگاه دارای دو خروجی متغیر صفر تا 30 ولت با حداکثر جریان 3 آمپر و یک خروجی ثابت 5 ولت با حداکثر جریان 3 آمپر می باشد . با این که قیمت این منبع تغذیه بالا می باشد ، ولی به تنهائی قادر به برآوردن نیازهای یک میز کار نمی باشند به عنوان مثال برای بستن مدارات شامل تقویت کننده های عملیاتی ( OP AMP ) ، که نیاز به ولتاژهای مثبت و منفی جهت تغذیه دارند ممکن است این منبع تغذیه به تنهائی ولتاژهای مورد نظر را تولید نکند .
شکل 1 : نمای ظاهری منبع تغذیه SCORT
در این طرح ، در نظر است که منبع تغذیه ای طراحی و ساخته شود که دارای دو خروجی صفر تا 30 ولت با حداکثر جریان خروجی 3 آمپر ، با محدودیت ولتاژ و جریان و با ولتاژ ریپل کمتر از 5 میلی ولت در حالت جریان ماکزیمم باشد . همچنین علاوه بر دو خروجی مذکور ، دارای خروجی های ثابت 5 ولت و 5- ولت و 12 ولت و 12- ولت نیز باشد .
با توجه به موارد فوق ، یک دستگاه از این منبع تغذیه ، به تنهائی می تواند کلیه نیازهای یک آزمایشگاه الکترونیک را برآورده نماید .
3- اصول عملکرد منابع تغذیه
خروجی های متغیر منبع تغذیه باید علاوه بر آنکه قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را داشته باشند ، باید قابلیت محدود کردن جریان خروجی را نیز داشته باشند . قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی جهت استفاده از منبع تغذیه به عنوان منبع ولتاژ تثبیت شده می باشد و قابلیت محدود کردن جریان خروجی منبع تغذیه جهت استفاده از منبع تغذیه به عنوان منبع جریان می باشد به این صورت که با قرار دادن منبع تغذیه در حالت ولتاژ ماکزیمم و محدود کردن جریان خروجی منبع تغذیه به مقدار مورد نظر ، می توان آن را به عنوان منبع جریان مورد استفاده قرار داد .
از طرفی گاهی اوقات جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به مدارات ، می توان جریان خروجی منبع تغذیه را محدود نمود .
از آنجاکه خروجی این منابع ممکن است در حالت جریان بالا مورد استفاده قرار گیرند ، نمی توان از ترانسفورماتور دو سر ، با درنظر گرفتن ولتاژ ماکزیمم منبع تغذیه استفاده نمود به عنوان مثال برای ساخت یک منبع تغذیه صفر تا 40 ولت ، از ترانسفورماتور 45 ولت استفاده نمود چراکه در صورت استفاده از منبع تغذیه در ولتاژ های پائین و جریان بالا ، میزان توان تلفاتی ترانزیستورهای قدرت بسیار زیاد بوده و سبب آسیب رسیدن به آنها می شود و یا آنکه باید از رادیاتور بسیار بزرگ با تعداد ترانزیستورهای قدرت بیشتری استفاده نمود .
جهت حل این مشکل بهترین راه استفاده از ترانسفورماتوری با سرهای ولتاژ مختلف و سوئیچ کردن به موقع آنها برای تولید ولتاژ مورد نظر می باشد به گونه ای که جهت تولید هر ولتاژ ، سری از ترانسفورماتور در مدار قرار گیرد که از ولتاژ مورد نظر بزرگتر ولی در حد امکان نزدیکتر به آن باشد تا میزان توان تلفاتی ترانزیستورهای قدرت به کمترین مقدار ممکن برسد .
نمایشگر دقیق ولتاژ و جریان خروجی یکی از قابلیتهای دیگری است که باید در طراحی منبع تغذیه مورد توجه قرار گیرد . همچنین می بایست محدود شدن جریان خروجی در صورت وقوع ، به اطلاع کاربر رسانیده شود که این عمل معمولاً توسط یک LED انجام می شود . نمایش این حالت از آن جهت اهمیت دارد که ولتاژ خروجی از حالت تثبیت خارج شده و افت می نماید .
درنظر گرفتن توانائی تولید ولتاژهای ثابت نیز در طراحی منبع تغذیه ضروری است . این ولتاژها عموماً در مدارات کوچک با جریان پائین بکار می روند لذا حداکثر جریان خروجی آنها می تواند یک آمپر درنظر گرفته شود .
توانائی سری و موازی کردن دو منبع تغذیه مشابه و یا سری و موازی کردن خروجیهای منبع تغذیه دوبل می تواند بسیار کاربردی باشد . به کمک این قابلیت می توان در صورت نیاز ، به ولتاژها و جریانهای بالاتر دست یافت . به عنوان مثال با سری کردن دو منبع تغذیه صفر تا 40 ولت با حداکثر جریان خروجی 3 آمپر ، می توان ولتاژ خروجی صفر تا 80 ولت با حداکثر جریان 3 آمپر و با موازی کردن آنها ولتاژ خروجی صفر تا 40 ولت با حداکثر جریان 6 آمپر را تولید نمود .
4- طراحی منبع تغذیه
در طراحی منبع تغذیه باید به برخی از نکات مهم توجه نمود تا منبع طراحی شده دارای شرایط استاندارد بوده و قابلیت رقابت با نمونه های خارجی را داشته و عمر مفید آن بالا باشد .
قسمت قدرت منبع تغذیه ، شامل ترانزیستورهای قدرت ، یکسوکننده جریان بالای ولتاژ ترانسفورماتور و قسمت سوئیچ کننده بین ولتاژهای مختلف ترانسفورماتور می باشد . ترانسفورماتور استفاده شده در منبع تغذیه طراحی شده ، دارای خروجیهای مختلف 0 و 7 و 15 و 24 و 37 ولت 4 آمپر می باشد و بر حسب نیاز هر یک از این ولتاژها به مدار یکسوکننده متصل می گردند .
مهم ترین مشخصه یک منبع تغذیه ، تثبیت ولتاژ خروجی آن می باشد . آی سی LM723 جهت تثبیت ولتاژ منابع تغذیه طراحی گردیده است و در طراحی این منبع تغذیه نیز عمل تثبیت ولتاژ خروجی منبع تغذیه بر عهده این آی سی گذاشته شده است .
در قسمت نمایشگر باید مقادیر جریان و ولتاژ خروجی منبع تغذیه به طریقی اندازه گیری شده و برای میکروکنترلر PIC ارسال شوند . سپس میکروکنترلر این مقادیر را بر روی نمایشگر LCD به نمایش درآورد .
نمونه برداری از جریان عبوری از خروجی منبع تغذیه می تواند بوسیله مقاومتی کوچک و سری با خروجی منبع تغذیه صورت پذیرد . به عبارت دیگر ولتاژ مقاومت کوچک و سری با خروجی منبع تغذیه ، نسبتی از جریان عبوری از خروجی منبع تغذیه خواهد بود . در این طراحی برای این کار از مقاومت 22/0 اهمی 10 وات استفاده گردیده است .
نکته دیگر آنکه اگر از مقاومت 22/0 اهمی و ترمینالهای خروجی برای نمونه برداری استفاده نمائیم ، باید ترمینال مثبت خروجی منبع تغذیه را به عنوان مبنا درنظر بگیریم . بنابراین ولتاژ خوانده شده از ترمینال منفی منبع تغذیه نسبت به مبنا ، منفی خواهد بود . برای رفع این مشکل باید از تقویت کننده عملیاتی در حالت معکوس کننده استفاده نمود . همچنین بهره آن باید در حدود یک دهم باشد تا نمونه برداری از ولتاژ خروجی منبع تغذیه همواره در محدوده صفر تا 5 ولت بوده و میکروکنترلر قادر به خواندن آن باشد .
در نمونه برداری از جریان نیز باید از تقویت کننده عملیاتی در حالت غیرمعکوس کننده و با بهره ای در حدود 5/4 استفاده نمود زیرا ولتاژ دو سر مقاومت 22/0 اهمی حدوداً 5/4 برابر کوچکتر از جریان خروجی منبع تغذیه است .
خروجیهای ثابت منبع تغذیه در اکثر مدارات الکترونیکی کاربرد دارند . در طراحی این منبع تغذیه توانائی تولید ولتاژهای ثابت مثبت و منفی 12 ولت و 5 ولت در نظر گرفته شده است . وجود این ولتاژهای ثابت و ایزوله نسبت به خروجی متغیر منبع تغذیه می تواند کارآیی یک منبع تغذیه اضافی را داشته باشد و از این رو هزینه تجهیز هر میز آزمایشگاهی را تا حد قابل توجهی پائین آورد . به عنوان مثال برای بستن مدارات شامل تقویت کننده های عملیاتی ، ولتاژهای 12+ و 12- ولت مورد نیاز می باشد . اگر منبع تغذیه دارای این ولتاژها نباشد ، می بایست به کمک خروجی متغیر یک منبع تغذیه دیگر ، این ولتاژها را تولید نمود . بنابر این برای بستن مدارات جمع کننده و تفریق کننده به وسیله تقویت کننده های عملیاتی ، به دو دستگاه منبع تغذیه مجزا نیاز خواهد بود .
سری و موازی کردن خروجیهای متغیر دو منبع تغذیه به سادگی امکان پذیر می باشد ولی این امکان باید در زمان طراحی منبع تغذیه درنظر گرفته شده باشد .
در منبع تغذیه طراحی شده ، این قابلیت در نظر گرفته شده است . برای سری یا موازی نمودن دو منبع تغذیه کافیست که اتصال کوتاه ترمینالهای پشت منبع تغذیه یکی از دو منبع تغذیه را جدا نموده و ترمینال قرمز رنگ آن را به ترمینالهای پشت منبع تغذیه اصلی متصل نمود . ( لازم به ذکر است که این ترمینالها در منابع تغذیه تک جهت سری یا موازی کردن با منابع تغذیه تک مشابه تعبیه شده اند و در حالت عادی باید این دو ترمینال منبع تک ، اتصال کوتاه شوند ) این کار موجب می شود که ترانزیستورهای قدرت 2N3055 دو منبع به صورت موازی با یکدیگر و تنها با مقاومتهای متغیر مربوط به تنظیم ولتاژ و جریان منبع تغذیه اصلی عمل نمایند .
این کار در منبع تغذیه دوبل به وسیله فشردن یک دکمه و بصورت اتوماتیک به توسط میکروکنترلر PIC انجام می پذیرد . در شماتیک شکل 2 ، نحوه طراحی انجام شده برای سری و موازی نمودن خروجیهای یک منبع تغذیه دوبل به کمک میکروکنترلر به نمایش درآمده است .
شکل 2 : شماتیک قسمت فرمان سری و موازی نمودن دو منبع تغذیه توسط میکروکنترلر PIC
در این مدار ، وصل بودن رله های شماره 1 و 2 و قطع بودن رله شماره 3 ، موجب موازی شدن دو منبع تغذیه و وصل بودن رله های شماره 1 و 3 و قطع بودن رله های شماره 2 ، موجب سری شدن دو منبع تغذیه و قطع بودن هر سه رله موجب عملکرد مسقل دو منبع تغذیه می شود . درضمن عملکرد میکروکنترلر باید به گونه ای باشد که حالتهای سری و موازی شدن بطور همزمان صورت نپذیرد . این وضعیتها به وسیله یک دکمه فشاری که به میکروکنترلر وصل گردیده است به ترتیب اتفاق می افتد . به عبارت دیگر با فشردن یک دکمه فشاری ، منبع تغذیه دوبل در حالت موازی رفته و با فشردن دوباره آن به وضعیت سری و با فشردن دوباره آن در وضعیت عادی قرار گیرد . شکل 3 عملکرد منبع تغذیه ساخته شده را در وضعیت موازی نشان می دهد .
همانطور که در شکل مشاهده می شود ، منبع تغذیه حداکثر جریان 6 آمپر را تولید می نماید .
شکل 3 : عملکرد منبع تغذیه ساخته شده در حالت موازی
این کار در یک منبع تغذیه دوبل ، در قسمت نمایشگر منبع تغذیه دوم و به توسط میکروکنترلر آن صورت می گیرد تا از استفاده از میکروکنترلر اضافی جلوگیری شود . بنابراین میکروکنترلر قسمت نمایشگر منبع تغذیه دوم ، علاوه بر انجام مراحل نمونه برداری و نمایش جریان و ولتاژ منبع تغذیه دوم ، فشردن کلید مربوط به تغییر وضعیت منبع تغذیه دوبل (سری ، موازی و مستقل ) را حس نموده و متناسب با وضعیت درخواست شده توسط کاربر ، رله های مربوطه را در وضعیت های خاموش و یا روشن قرار می دهد .
5- مقایسه دو منبع تغذیه معرفی شده