منابع تغذیه‌ی خازنی – آشنایی و محاسبات نمونه

مقدمه‌

در بسیاری از مدارهای الکترونیکی کم‌توان – به‌ویژه در تجهیزات خانگی و صنعتی ساده مانند تایمرها، رله‌ها، سنسورها و کنترلرهای کوچک – استفاده از منابع تغذیه خازنی (Capacitive Power Supply) روشی اقتصادی، کم‌حجم و بدون نیاز به ترانسفورماتور برای کاهش ولتاژ برق شهر محسوب می‌شود.

در این نوع منابع، خازن سری نقش اصلی را بر عهده دارد: این خازن با ایجاد یک امپدانس خازنی در فرکانس برق شهر، مقدار جریان قابل‌دسترس مدار را محدود می‌کند و در نتیجه امکان تغذیه بارهای جریان‌کم از ولتاژ ۲۲۰ ولت (یا ۱۱۰ ولت) را فراهم می‌سازد. از آنجا که در این روش هیچ انرژی‌ای به گرما تبدیل نمی‌شود و کاهش ولتاژ از طریق راکتانس انجام می‌گیرد، بازده منبع تغذیه نسبتاً بالا بوده و قطعات کمی نیاز دارد.

با وجود سادگی ظاهری، طراحی صحیح چنین منبعی چالش‌های مهمی دارد. کوچک‌ترین اشتباه در انتخاب مقدار خازن یا مقاومت‌ها می‌تواند باعث جریان‌دهی ناکافی، نوسان ولتاژ، استارت‌نشدن مدار، نویز زیاد یا حتی تخریب قطعات حساس شود. از سوی دیگر، چون این مدارها به‌صورت مستقیم با برق شهر در ارتباط‌اند، انتخاب اشتباه خازن (از نظر نوع، ولتاژ نامی و کلاس ایمنی) خطرات جدی ایمنی نیز ایجاد می‌کند.

به همین دلیل، قبل از طراحی یا تعمیر یک منبع تغذیه خازنی، لازم است بدانیم که:

• خازن سری چگونه جریان را محدود می‌کند؟
• مقدار جریان خروجی دقیقاً تابع چه پارامترهایی است؟
• مقدار صحیح خازن را چگونه و بر اساس چه روابطی انتخاب کنیم؟
• چه مقاومت‌ها و اجزای حفاظتی باید همراه آن استفاده شوند؟

در ادامه، قدم‌به‌قدم از اصول عملکرد این منابع شروع می‌کنیم و سپس به فرمول محاسبه خازن سری، نحوه انتخاب مقاومت‌های تخلیه و محدودکننده، و نکات عملی طراحی خواهیم پرداخت.

بهره‌برداری از راکتانس خازن در کاربردهای عملی

یکی از روش‌های عالی اما ساده و کم‌هزینه برای تغذیه‌ی بارهای کوچک اتصال سری بار و خازن است. این روش از خاصیت ناخواسته‌ی جابجایی فاز استفاده می‌کند که بر اساس آن ولتاژ خازن 90 درجه از جریان آن عقب‌تر است. در این حالت تلفاتی در خازن رخ نمی‌دهد. به همین دلیل استفاده آن به صورت سری با یک مقاومت راه‌حلی ایده‌آل است. شکل زیر مدار به همراه دیاگرام برداری ولتاژ را نشان می‌دهد. بر خلاف طراحی‌های مرسوم منابع تغذیه‌ی خازنی به طور طبیعی نسبت به اتصال کوتاه در خروجی محافظت‌شده هستند.

خازن‌های استفاده‌شده در این نوع منابع تغذیه باید قابلیت بسیار بالایی داشته باشند. به همین دلیل توصیه می‌شود فقط از خازن‌های نوع ‌X2 مطابق با علایم UL و ENEC استفاده شود.

محاسبات منبع تغذیه‌ی خازنی

در عمل بیشتر تقاضا برای منایع تغذیه‌ای است که در خروجی ولتاژ DC تولید می‌کنند. ساده‌ترین شکل آن یک‌سوساز نیم‌موج است که که در شکل زیر نشان داده شده است. فرض بر این است که خروجی مورد انتظاز از مدار شکل زیر 9VDC با حداکثر جریان 15mA است.

در مورد دیود زنر: در نیم‌سیکل مثبت، D1 در بایاس معکوس قرار دارد. برای رسیدن به ولتاژ 9 وبت، ولتاژ دیود زنز باید 9.7V باشد (به دلیل 0.7V افت در دیود D2). در اینجا نزدیک‌ترین مقدار استاندارد دیود زنر، یعنی 10V با توان 1.3W انتخاب می‌شود. در صورتی که منبع تغذیه در پیک ولتاژ ورودی روشن شود، جریان بسیار بالایی از D1 عبود خواهد کرد. یه همین دلیل، برای محدود کردن جریان، مقاومت R1 در ورودی قرار داده شده است. دیود زنر با توان تلفاتی 1.3W می‌تواند جریان لحظه‌ای 1A را تحمل کند. پس مقدار مقاومت R1 به صورت زیر محاسبه می‌شود.

نزدیک‌ترین مقدار استاندارد 330 اهم است. مقاومت R1 به طور دایم، تمام جریان بار را از خود عبور می‌دهد. برای انجام محاسبات، باید نسبت AC_RMS به میانگین مقدار DC را در نظر بگیریم. با توجه به نیم‌موج بودن یک‌سوساز، این ضریب 2.22 خواهد شد. با در نظر گرفتن 15mA به عنوان حداکثر جریان بار، جریان عبوری از مقاومت R1 برابر 33.3mA خواهد بود و در نتیجه توان تلفاتی مقاومت به صورت زیر حاصل می‌شود:

در نتیجه مقاومتی با توان 0.5W انتخاب می‌شود. افت ولتاژ در این مقاومت 11V است.

حال، با توجه به اطلاعاتی که تا اینجا حاصل شده، می‌توان راکتانس خازن C1 را محاسبه کرد. برای اطمینان از تأمین ولتاژ مورد نیاز بار، حتی در شرایط افت ولتاژ ورودی، محاسبات با در نظر گرفتن حداقل 10 درصد افت ولتاژ انجام می‌شود. به‌علاوه، افت ولتاژ ناشی از R1 و D1 نیز باید در نظر گرفته شوند. با این اطلاعات، راکتانس خازن به شرح زیر محاسبه می‌شود:

که از آن می‌توان ظرفیت خازن را محاسبه کرد. ظرفیت خازن برای فرکانس 50Hz محاسبه شده است:

نزدیک‌ترین مقدار استاندارد برای خازن 0.68uF است.

دیود اقتصادی و استاندارد 1N4001 (50V, 1A)، که برای پیک جریان 35A طراحی شده است، برای دیود D2 در یک‌سوساز نیم‌موج کاملاً مناسب است.

خازن صافی ولتاژ خروجی

خازن C2 وظیفه صاف کردن ولتاژ خروجی را به عهده دارد. با توجه به خروجی یک‌سوساز نیم‌موج، این خازن باید بتواند تمام جریان بار را در نیم‌سیکل منفی تأمین کند. مقدار ظرفیت این خازن به مقدار ریپل مورد انتظار بستگی دارد. برای مدار نمونه، ریپل مورد نظر ما 1ٰV است. در حداکثر جریان 15mA در ولتاژ 9V مقاومت بار 600 اهم ایجاد خواهد شد. با توجه به فرکانس 50Hz ورودی (10ms به ازای هر نیم‌سیکل) حداقل ظرفیت خازن به صورت زیر محاسبه می‌شود:

با توجه به محاسبه‌ی بالا، خازن االکترولیت 150uF و ولتاژ 25Vdc کفایت می‌کند. برای افزایش طول عمر، این خازن باید برای حداقل دمای 105 درجه سانتیگراد طراخی شده باشد.

در صورت تمایل می‌توان خازن سرامیکی C3 را موازی با خازن C2 در نظر گرفت. این خازن برای دفع نویزها و حذف پیک‌های ولتاژ استفاده می‌شود. برای مثال می‌توان مقدار آن را 0.1uF با تحمل ولتاژ 25Vdc در نظر گرفت.

حفاظت مدار

در بدترین شرایط وقتی مدار بدون بار خاموش شود، خازن C1 در ولتاژ 325V، شارژشده باقی می‌ماند. دشارژ این خازن به عهده‌ی مقاومت R2 است که به سرعت آن را تخلیه کند. برای انتخاب مقدار این مقاومت با مصالحه‌ای بین توان تلف‌شده و ثابت‌زمانی تخلیه انتخاب می‌شود. در این مورد مقدار مقاومت 470 کیلواهم انتخاب شده است. با این انتخاب توان تلف‌شده 0.1W و زمان تخلیه خازن به ولتاژ امن 50V حدود 0.5s خواهد بود. در صورتی که منبع تغذیه همیشه به برق ورودی متصل است، به این مقاومت نیازی نیست.

در این مدار حفاظت اضافه‌ولتاژ توسط وریستور RV1 انجام می‌شود. بسته به جریان هجومی قابل تحمل و میزان توانایی جذب انرژی می‌توان از وریستوری با قطر مناسب استفاده کرد. برای این مدار وریستور با قطر 5mm کفایت می‌کند.

همچنین حفاظت اضافه‌ولتاژ خروجی مدار نیز می‌تواند توسط وریستور RV2 انجام شود. برای این مورد یک وریستور با ولتاژ 15V کفایت می‌کند.

در نهایت RT1 برای حفاظت مدار از اضافه جریان ورودی در نظر گرفته شده است. برای مثال می‌توان آن را بر اساس حداکثر جریان بار 90mA در نظر گرفت. در صورتی که خطایی در مدار رخ دهد و جریان عبوری از مدار افزایش یابد، PTC گرم شده، مقاومت آن به سرعت افزایش یافته و جریان را به سطح قابل تحمل کاهش خواهد داد.