خلاصه - هدف از انجام اين طرح پژوهشي ، دستيابی به يك منبع تغذيه دوبل با استفاده از ميكروكنترلرهاي PIC با نمايشگر LCD و با قابليتهای بيشتر نسبت به نمونه های موجود در بازار ، جهت صرفه جوئی ارزی و کاهش مبالغ مورد نياز جهت تجهيز آزمايشگاههـای الکترونيک بوده است .
 کلمات کلیدی- منبع تغذیه دوبل ، میکروکنترلر PIC ، تقویت کننده عملیاتی
 
 1- مقدمه
 منبع تغذيه DC ، يكي از دستگاههاي آزمايشگاهي ضروري جهت تجهيز آزمايشگاههاي رشته برق مي باشد . بطوريکه بر روی هر يک از ميزهای آزمايشگاهها ، وجود دو منبع تغذيه الزامی است چراکه منابع تغذيه موجود به تنهائی قادر به توليد ولتاژهای مورد نياز نمی باشند .

2- منابع تغذيه موجود
منابع تغذيه داخلـي موجود در بازار ايران ، از نظر عملکرد ، با نمونه های خارجــی قابل مقايسه نمی باشند . منابع تغذيه خارجي نيز با قيمتهاي بالائي عرضه مي شوند . به عنوان مثال يك سري از منابع تغذيه خارجي مرغوب ساخت شركت SCORT تايوان با قيمت تقريبي سه ميليون و دویست هزار ريال مي باشد كه نماي ظاهري آن در شكل 1 به نمايش درآمده است .
اين دستگاه داراي دو خروجي متغير صفر تا 30 ولت با حداكثر جريان 3 آمپر و يك خروجي ثابت 5 ولت با حداكثر جريان 3 آمپر مي باشد . با اين كه قيمت اين منبع تغذيه بالا مي باشد ، ولي به تنهائي قادر به برآوردن نيازهاي يك ميز كار نمي باشند به عنوان مثال براي بستن مدارات شامل تقويت كننده هاي عملياتي ( OP AMP ) ، كه نياز به ولتاژهاي مثبت و منفي جهت تغذيه دارند ممكن است اين منبع تغذيه به تنهائي ولتاژهاي مورد نظر را توليد نكند .

شکل 1 : نمای ظاهری منبع تغذیه SCORT

در اين طرح ، در نظر است که منبع تغذيه ای طراحی و ساخته شود که دارای دو خروجی صفر تا 30 ولت با حداکثر جريان خروجی 3 آمپر ، با محدوديت ولتاژ و جريان و با ولتاژ ريپل کمتر از 5 ميلی ولت در حالت جريان ماکزيمم باشد . همچنين علاوه بر دو خروجی مذکور ، دارای خروجی هاي ثابت 5 ولت و 5- ولت و 12 ولت و 12- ولت نيز باشد .
با توجه به موارد فوق ، يک دستگاه از اين منبع تغذيه ، به تنهائی مي تواند کليه نيازهای يک آزمايشگاه الکترونيک را برآورده نمايد .

3- اصول عملکرد منابع تغذیه
خروجي هاي متغير منبع تغذيه بايد علاوه بر آنكه قابليت تنظيم ولتاژ خروجي را داشته باشند ، بايد قابليت محدود كردن جريان خروجي را نيز داشته باشند . قابليت تنظيم ولتاژ خروجي جهت استفاده از منبع تغذيه به عنوان منبع ولتاژ تثبیت شده مي باشد و قابليت محدود كردن جريان خروجي منبع تغذيه جهت استفاده از منبع تغذيه به عنوان منبع جريان مي باشد به اين صورت كه با قرار دادن منبع تغذيه در حالت ولتاژ ماكزيمم و محدود كردن جريان خروجي منبع تغذيه به مقدار مورد نظر ، مي توان آن را به عنوان منبع جريان مورد استفاده قرار داد .
از طرفي گاهي اوقات جهت جلوگيري از آسيب رسيدن به مدارات ، مي توان جريان خروجي منبع تغذيه را محدود نمود .
از آنجاكه خروجي اين منابع ممكن است در حالت جريان بالا مورد استفاده قرار گيرند ، نمي توان از ترانسفورماتور دو سر ، با درنظر گرفتن ولتاژ ماكزيمم منبع تغذيه استفاده نمود به عنوان مثال براي ساخت يك منبع تغذيه صفر تا 40 ولت ، از ترانسفورماتور 45 ولت استفاده نمود چراكه در صورت استفاده از منبع تغذيه در ولتاژ هاي پائين و جريان بالا ، ميزان توان تلفاتي ترانزيستورهاي قدرت بسيار زياد بوده و سبب آسيب رسيدن به آنها مي شود و يا آنكه بايد از رادياتور بسيار بزرگ با تعداد ترانزيستورهاي قدرت بيشتري استفاده نمود .
جهت حل اين مشكل بهترين راه استفاده از ترانسفورماتوري با سرهاي ولتاژ مختلف و سوئيچ كردن به موقع آنها براي توليد ولتاژ مورد نظر مي باشد به گونه اي كه جهت توليد هر ولتاژ ، سري از ترانسفورماتور در مدار قرار گيرد كه از ولتاژ مورد نظر بزرگتر ولي در حد امكان نزديكتر به آن باشد تا ميزان توان تلفاتي ترانزيستورهاي قدرت به كمترين مقدار ممكن برسد .
نمايشگر دقيق ولتاژ و جريان خروجي يكي از قابليتهاي ديگري است كه بايد در طراحي منبع تغذيه مورد توجه قرار گيرد . همچنين مي بايست محدود شدن جريان خروجي در صورت وقوع ، به اطلاع كاربر رسانيده شود كه اين عمل معمولاً توسط يك LED انجام مي شود . نمايش اين حالت از آن جهت اهميت دارد كه ولتاژ خروجي از حالت تثبيت خارج شده و افت مي نمايد .
درنظر گرفتن توانائي توليد ولتاژهاي ثابت نيز در طراحي منبع تغذيه ضروري است . اين ولتاژها عموماً در مدارات كوچك با جريان پائين بكار مي روند لذا حداكثر جريان خروجي آنها مي تواند يك آمپر درنظر گرفته شود .
توانائي سري و موازي كردن دو منبع تغذيه مشابه و يا سري و موازي كردن خروجيهاي منبع تغذيه دوبل مي تواند بسيار كاربردي باشد . به كمك اين قابليت مي توان در صورت نياز ، به ولتاژها و جريانهاي بالاتر دست يافت . به عنوان مثال با سري كردن دو منبع تغذيه صفر تا 40 ولت با حداكثر جريان خروجي 3 آمپر ، مي توان ولتاژ خروجی صفر تا 80 ولت با حداکثر جريان 3 آمپر و با موازي كردن آنها ولتاژ خروجی صفر تا 40 ولت با حداکثر جريان 6 آمپر را توليد نمود .

4- طراحی منبع تغذیه
در طراحي منبع تغذيه بايد به برخي از نكات مهم توجه نمود تا منبع طراحي شده داراي شرايط استاندارد بوده و قابليت رقابت با نمونه هاي خارجي را داشته و عمر مفيد آن بالا باشد .
قسمت قدرت منبع تغذيه ، شامل ترانزيستورهاي قدرت ، يكسوكننده جريان بالاي ولتاژ ترانسفورماتور و قسمت سوئيچ كننده بين ولتاژهاي مختلف ترانسفورماتور مي باشد . ترانسفورماتور استفاده شده در منبع تغذيه طراحي شده ، داراي خروجيهاي مختلف 0 و 7 و 15 و 24 و 37 ولت 4 آمپر مي باشد و بر حسب نياز هر يك از اين ولتاژها به مدار يكسوكننده متصل می گردند .
مهم ترين مشخصه يك منبع تغذيه ، تثبيت ولتاژ خروجي آن مي باشد . آي سي LM723 جهت تثبيت ولتاژ منابع تغذيه طراحي گرديده است و در طراحي اين منبع تغذيه نيز عمل تثبيت ولتاژ خروجي منبع تغذيه بر عهده اين آي سي گذاشته شده است .
در قسمت نمايشگر بايد مقادير جريان و ولتاژ خروجی منبع تغذيه به طريقی اندازه گيری شده و برای ميکروکنترلر PIC ارسال شوند . سپس ميکروکنترلر اين مقادير را بر روی نمايشگر LCD به نمايش درآورد .
نمونه برداری از جريان عبوری از خروجی منبع تغذيه می تواند بوسيله مقاومتی کوچک و سری با خروجی منبع تغذيه صورت پذيرد . به عبارت ديگر ولتاژ مقاومت کوچک و سری با خروجی منبع تغذيه ، نسبتی از جريان عبوری از خروجی منبع تغذيه خواهد بود . در اين طراحی برای اين کار از مقاومت 22/0 اهمی 10 وات استفاده گرديده است .
نکته ديگر آنکه اگر از مقاومت 22/0 اهمی و ترمينالهای خروجی برای نمونه برداری استفاده نمائيم ، بايد ترمينال مثبت خروجی منبع تغذيه را به عنوان مبنا درنظر بگيريم . بنابراين ولتاژ خوانده شده از ترمينال منفی منبع تغذيه نسبت به مبنا ، منفی خواهد بود . برای رفع اين مشکل بايد از تقويت کننده عملياتی در حالت معکوس کننده استفاده نمود . همچنين بهره آن بايد در حدود يک دهم باشد تا نمونه برداری از ولتاژ خروجی منبع تغذيه همواره در محدوده صفر تا 5 ولت بوده و میکروکنترلر قادر به خواندن آن باشد .
در نمونه برداری از جريان نيز بايد از تقويت کننده عملياتی در حالت غيرمعکوس کننده و با بهره ای در حدود 5/4 استفاده نمود زيرا ولتاژ دو سر مقاومت 22/0 اهمی حدوداً 5/4 برابر کوچکتر از جريان خروجی منبع تغذيه است .
خروجيهای ثابت منبع تغذيه در اکثر مدارات الکترونيکی کاربرد دارند . در طراحي اين منبع تغذيه توانائي توليد ولتاژهاي ثابت مثبت و منفي 12 ولت و 5 ولت در نظر گرفته شده است . وجود اين ولتاژهای ثابت و ايزوله نسبت به خروجی متغير منبع تغذيه می تواند کارآيی يک منبع تغذيه اضافی را داشته باشد و از اين رو هزينه تجهيز هر ميز آزمايشگاهی را تا حد قابل توجهی پائين آورد . به عنوان مثال برای بستن مدارات شامل تقويت کننده های عملياتی ، ولتاژهای 12+ و 12- ولت مورد نياز می باشد . اگر منبع تغذيه دارای اين ولتاژها نباشد ، مي بايست به کمک خروجی متغير يک منبع تغذيه ديگر ، اين ولتاژها را توليد نمود . بنابر اين برای بستن مدارات جمع کننده و تفريق کننده به وسيله تقويت کننده های عملياتی ، به دو دستگاه منبع تغذيه مجزا نياز خواهد بود .
سری و موازی کردن خروجيهای متغير دو منبع تغذيه به سادگي امکان پذير می باشد ولی اين امکان بايد در زمان طراحی منبع تغذيه درنظر گرفته شده باشد .
در منبع تغذيه طراحی شده ، اين قابليت در نظر گرفته شده است . برای سری يا موازی نمودن دو منبع تغذيه کافيست که اتصال کوتاه ترمينالهای پشت منبع تغذيه يکی از دو منبع تغذيه را جدا نموده و ترمينال قرمز رنگ آن را به ترمينالهای پشت منبع تغذيه 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 ) اين کار موجب می شود که ترانزيستورهای قدرت 2N3055 دو منبع به صورت موازی با يکديگر و تنها با مقاومتهای متغير مربوط به تنظيم ولتاژ و جريان منبع تغذيه اصلی عمل نمايند .
اين کار در منبع تغذيه دوبل به وسيله فشردن يک دکمه و بصورت اتوماتيک به توسط ميکروکنترلر PIC انجام می پذيرد . در شماتيک شکل 2 ، نحوه طراحی انجام شده برای سری و موازی نمودن خروجيهای يک منبع تغذيه دوبل به کمک ميکروکنترلر به نمايش درآمده است .

شکل 2 : شماتیک قسمت فرمان سری و موازی نمودن دو منبع تغذیه توسط ميکروکنترلر PIC

در اين مدار ، وصل بودن رله های شماره 1 و 2 و قطع بودن رله شماره 3 ، موجب موازی شدن دو منبع تغذيه و وصل بودن رله های شماره 1 و 3 و قطع بودن رله های شماره 2 ، موجب سری شدن دو منبع تغذيه و قطع بودن هر سه رله موجب عملکرد مسقل دو منبع تغذيه می شود . درضمن عملکرد ميکروکنترلر بايد به گونه ای باشد که حالتهای سری و موازی شدن بطور همزمان صورت نپذيرد . اين وضعيتها به وسيله يک دکمه فشاری که به ميکروکنترلر وصل گرديده است به ترتيب اتفاق می افتد . به عبارت ديگر با فشردن يک دکمه فشاری ، منبع تغذيه دوبل در حالت موازی رفته و با فشردن دوباره آن به وضعيت سری و با فشردن دوباره آن در وضعيت عادی قرار گيرد . 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

اين کار در يک منبع تغذيه دوبل ، در قسمت نمايشگر منبع تغذيه دوم و به توسط ميکروکنترلر آن صورت می گيرد تا از استفاده از ميکروکنترلر اضافی جلوگيری شود . بنابراين ميکروکنترلر قسمت نمايشگر منبع تغذيه دوم ، علاوه بر انجام مراحل نمونه برداری و نمايش جريان و ولتاژ منبع تغذيه دوم ، فشردن کليد مربوط به تغيير وضعيت منبع تغذيه دوبل (سری ، موازی و مستقل ) را حس نموده و متناسب با وضعيت درخواست شده توسط کاربر ، رله های مربوطه را در وضعيت های خاموش و يا روشن قرار می دهد .

5- مقایسه دو منبع تغذیه معرفی شده
از نظر حداکثر جريان خروجی و حداکثر ريپل خروجی ، دو منبع تغذیه ساخته شده و SCORT یکسان می باشند ولی منبع تغذیه ساخته شده دارای دو خروجی ثابت اضافه تر ( 5- و 12- ولت ) می باشد .
منبع تغذیه ساخته شده دارای ولتاژ خروجی متغیر بین صفر تا 40 ولت می باشد ولی منبع تغذیه SCORT دارای ولتاژ خروجی متغیر بین صفر تا 30 ولت است .
همچنین نمایشگر منبع تغذیه ساخته شده از نوع LCD است . مزیت آخر آن نیز ، تغییر وضعیت خودکار منبع تغذیه بین حالت های عادی ، سری و موازی توسط یک کلید فشاری است که در منبع تغذیه SCORT این کار به توسط دو کلید سلکتوری صورت می گیرد .