منبع تغذیه DC بدون ترانسفورماتور

استفاده از برق شهر برای پروژه های مختلف کاربردهای زیادی دارد. در دسترس بودن برق شهر این امکان را می دهد که همه بتوانند از آن به عنوان تغذیه استفاده کنند و ولتاژ dc مورد نیاز خود را از آن تامین کنند. اما برای پروژه هایی که توان کمی دارند و در کل اندازه مدار کوچک است یا قیمت‌ کلی وسیله اجازه نمی دهد تا از ترانس استفاده کنیم نیاز به مداری داریم که بدون ترانس ولتاژ برق شهر را به ولتاژ DC مطلوب ما تبدیل کند. 

مداراتی که بدون استفاده از ترانس ولتاژ برق شهر را به ولتاژ dc تبدیل میکنند یک خصوصیت مشترک دارند و این خصوصیت مشترک آن است که این مدارات جریان نسبتا پایینی دارند. جریان این مدار ها از حدود ۲۰۰ میلی آمپر تجاوز نمی کند. البته می‌توان با بزرگ کردن مدار و تغییر المان ها و جریان های بالاتری نیز به دست آورد ولی هدف ما داشتن یک مدار با اندازه کوچک برای تبدیل ولتاژ برق شهر به ولتاژ dc است و برای جریان بیشتر باید از ساختارهای با ترانس استفاده کرد. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که مدار ساخته شده ما ولتاژ dc ای را خروجی می دهد که از برق شهر ایزوله نیست. به همین خاطر باید در کار با این رو مدارات دقت کرد و جاهایی که ممکن است دست بخورد پوشاند تا کاربر دچار برق گرفتگی نشود.

اصول کلی منبع تغذیه های بدون ترانس به این صورت است که ولتاژ ورودی پس از یک سو شدن با استفاده از دیود زنر به ولتاژ دی سی مطلوب ما تبدیل می شود. از یک امپدانس خازنی مقاومتی برای محدود کردن جریان ورودی استفاده می شود. وقتی جریان ورودی  محدود باشد استفاده از دیود زنر با وجود اینکه ولتاژ زیادی روی آن می افتد اشکال خاصی به وجود نمی آورد. به همین دلیل است که جریان خروجی از حد خاصی نمیتواند بالاتر باشد. شکل زیر یک نمونه ابتدایی از تغذیه بدون ترانس را نشان می دهد.

خازنی که در ورودی گذاشته شده، C1، جریان بالا از برق شهر را به سطح پایین می رساند. برای اینکه به صورت سرانگشتی دستتان باشد که چقدر جریان معادل چه مقدار از این خازن است می توانید این فرمول را داشته باشید که به ازای هر میکرو فاراد از این خازن حدود ۵۰ میلی آمپر جریان برای بار تامین میشود. یعنی مثلا اگر این خازن ۲ میکروفاراد باشد جریان خروجی تقریبا ۱۰۰ میلی آمپر است. مقاومتی که با این خازن موازی شده مسیر دشارژ را برای وقتی که این مدار از ورودی قطع میشود برای خازن تامین می کند. زیرا وقتی این مدار از ورودی برق شهر قطع شد خازن تا ۲۲۰ ولت شارژ دارد و این شارژ باید خالی شود تا خطری نداشته باشد. دیودهای چهارگانه یکسوساز هستند و خروجی آنها حدود ۳۱۰ ولت می باشد. از در خروجی ولتاژ ۳۱۰ ولت با جریان ۵۰ میلی آمپر به فرض آنکه خازن ورودی ما یک میکروفاراد باشد داریم. چون جریان پایین است می‌توانیم از یک دیود زنر برای ولتاژ ۵ یا ۱۲ یا ۲۴ استفاده کنیم. مقاومتی که در قسمت پایین جایی که به نول شهر متصل می شود در مدار تعبیه شده برای محدود کردن جریان است در لحظه اول که خازن ورودی اتصال کوتاه می باشد و از جریان لحظه ای زیاد جلوگیری می کند. نکته دیگری که ذکر آن مفید است آن است که درست است ولتاژ خروجی ما ۳۱۰ ولت می باشد ولی خازنی که در خروج قرار داده ایم به راحتی می تواند تحمل ولتاژ ۵۰ ولت را داشته باشد. یعنی نیاز به خازنی نداریم که ولتاژ حدود ۴۰۰ ولت بخواهد تحمل کند. حتی در لحظه اول نیز چنین ولتاژی روی خازن خروجی نخواهد افتاد. 

همانطور که در شکل های شبیه سازی زیر نشان داده شده است جریان خروجی این مدار پایین است. هرچه خازن خروجی مقدار بیشتری داشته باشد ریپل ولتاژ خروجی کمتر است. همچنین اگر بار خروجی کمتر باشند کیفیت ولتاژ خروجی بیشتر است. 

می توان مدار بالا را به صورت زیر اصلاح کرد. مدار زیر را ببینید:

در این مدار تا قبل از خازن خروجی همان ساختار مدار قبلی را داریم. ولی توجه کنید که در اینجا ولتاژ خازنی که به عنوان خروجی استفاده شده ۴۰۰ ولت است چون برق ورودی مستقیم روی آن می افتد. مقدار خازن ورودی بیشتر شده و بنابراین جریان بیشتری را می‌تواند به ما بدهد. البته فرمول قبلی درست نیست. شکل موجهای شبیه سازی شده برای بار اهمی نشان داده شده RL می باشد که ۱۰۰ اهم است. این مدار برای استفاده جهت روشن کردن LEDهای خطی مناسب است.

در نتایج شبیه سازی نشان داده شده می توان دید که ریپل خروجی بسیار کمتر شده است. از این مدار به همراه ولتاژ رگولاتورهای خطی می توان خروجی مناسبی بدست آورد.

نمونه دیگر از مداری که می‌تواند ولتاژ ۵ ولت را از طریق یک رگولاتور خطی به ما ارائه دهد در زیر آمده است. در اینجا نیز اصول کارکرد مشابه حالت قبل است با این تفاوت که با استفاده از ترانزیستور ولتاژ ورودی به رگولاتوری خطی را تنظیم می‌کنیم.

شکل موج خروجی در زیر نشان داده شده است. با توجه به بار اهمی ۵۰ اهم، این مدار می تواند حدود ۱۰۰ میلی آمپر در خروجی منبع ولتاژ برای ما تأمین کند که برای بسیاری از کاربردهای الکترونیکی کافی است.