ساخت منبع تغذیه‌ی خطی ساده: پل دیود، خازن صافی و 7805

جواب کوتاه: برای ساخت منبع تغذیه‌ی ۵ ولت خطی، خروجی AC یک ترانسفورماتور کاهنده را با پل دیود یکسو کنید. بعد یک خازن الکترولیتی بزرگ بگذارید تا ولتاژ صاف شود و در آخر رگولاتور L7805CV را با خازن ۰٫۳۳µF در ورودی و ۰٫۱µF در خروجی ببندید. این همان مقدارهایی است که ST در شرایط تست دیتاشیت گذاشته است. اندازه‌ی خازن را طوری انتخاب کنید که کف موج ریپل همیشه بالای ۷ ولت بماند. ولتاژ ترانس هم نباید بیشتر از نیاز باشد، چون اضافه‌اش در 7805 به گرما تبدیل می‌شود. با ترانس ۹ ولت، پل KBP310 و خازن 4700µF 25V، برای حدود ۵۰۰ میلی‌آمپر حاشیه‌ی کافی دارید. ادامه‌ی مقاله همه‌ی عددها را با فرمول و دیتاشیت نشان می‌دهد.

این مقاله نسخه‌ی عملی مطالب قبلی است. «دیود چیست» یکسوسازی را تعریف می‌کند و «پین‌اوت رگولاتورها» جای پایه‌های 7805 را نشان می‌دهد. اینجا محاسبه‌ی خازن صافی، ریپل و گرما را می‌بینید. اگر جریان زیادی لازم دارید و گرما مسئله است، مقاله‌ی همراه این پست را بخوانید: انتخاب سلف برای مبدل باک LM2596 و MP1584.

چهار طبقه‌ی منبع خطی و قطعه‌ی هر کدام

قدم ۱: رگولاتور چقدر ولتاژ ورودی می‌خواهد؟ (دیتاشیت ST)

همه‌ی عددهای این جدول از دیتاشیت ST خانواده‌ی L78 (DS0422، ویرایش ۳۶) و جدول‌های L7805C و L7812C آمده است:

نتیجه‌ی عملی: برای 7805، کمترین ولتاژ لحظه‌ای ورودی (یعنی کف موج ریپل روی خازن) را حداقل ۷ ولت نگه دارید. برای 7812 این عدد حدود ۱۴٫۵ ولت است. بیشترین ولتاژ (قله در برق بالا و بی‌باری) هم نباید از ۳۵ ولت بیشتر شود.

قدم ۲: بعد از پل دیود چند ولت DC دارید؟

ولتاژی که روی ترانس می‌نویسند مقدار مؤثر (RMS) است. خازن صافی تا نزدیک قله شارژ می‌شود و در پل تمام‌موج، در هر نیم‌سیکل دو دیود سری هدایت می‌کنند:

V_peak(DC) ≈ V_AC(RMS) × ۱٫۴۱۴ − ۲ × V_F

مثال طراحی کتابچه‌ی کاربرد یکسوساز onsemi (Rectifier Applications Handbook) هم همین رابطه‌ی پیک و RMS را نشان می‌دهد: ثانویه‌ی ۳۵ ولت مؤثر برای قله‌ی ۵۰ ولت. همان مرجع افت مستقیم دیود سیلیکونی معمولی را حدود ۰٫۸ ولت می‌گوید و تأکید می‌کند که در منبع‌های ۱۲ ولت و کمتر نمی‌شود از آن گذشت. صفحه‌ی کالای KBP310 حداکثر VF هر دیود را ۱٫۱ ولت در ۳ آمپر نوشته است. برای محاسبه‌ی محافظه‌کارانه، ۲ × ۱٫۱ = ۲٫۲ ولت افت در نظر می‌گیریم.

دو عامل دیگر هم ولتاژ را جابه‌جا می‌کنند:

• تغییر برق شهر: TI در یادداشت AN-1061 می‌نویسد طراحی‌ها معمولاً تغییر ولتاژ ورودی را ±۱۰ درصد نامی فرض می‌کنند. ثانویه‌ی ترانس هم به همین نسبت بالا و پایین می‌رود.
• تنظیم بار ترانس: طبق همان مرجع TI، ولتاژ خروجی ترانس با بار عوض می‌شود و این تغییر می‌تواند ۱۰ تا ۴۰ درصد باشد. پس ولتاژ ترانس در بی‌باری از عدد روی پلاک بیشتر است. برای انتخاب ولتاژ نامی خازن و چک کردن حد ۳۵ ولت رگولاتور، ولتاژ بی‌باری ترانس را با مولتی‌متر اندازه بگیرید.

قدم ۳: محاسبه‌ی خازن صافی و ریپل

بین دو قله، دیودها خاموش‌اند و فقط خازن به بار جریان می‌دهد، پس ولتاژش پایین می‌آید. از رابطه‌ی پایه‌ی خازن (i = C·dv/dt، که در کتابچه‌ی onsemi هم برای جریان شارژ آمده) و با فرض جریان بار ثابت داریم ΔV = I × Δt ÷ C. در یکسوساز تمام‌موج، فاصله‌ی دو قله نصف دوره‌ی برق است: در برق ۵۰ هرتز، ۱۰ میلی‌ثانیه. اگر کل این فاصله را زمان تخلیه بگیریم، ریپل کمی بیشتر از مقدار واقعی برآورد می‌شود و محاسبه محافظه‌کارانه است:

V_ripple(p-p) ≈ I_LOAD ÷ (۲ × f × C) = I_LOAD ÷ (۱۰۰ × C) (f = ۵۰ Hz، C به فاراد)

و برعکس، برای ریپل مشخص: C ≈ I_LOAD ÷ (۱۰۰ × V_ripple)

این فرمول تقریبی است. کتابچه‌ی onsemi یادآوری می‌کند که رفتار واقعی فیلتر خازنی به مقاومت و اندوکتانس نشتی ترانس و دیود هم بستگی دارد. طراحی دقیق با منحنی‌های Schade انجام می‌شود. برای پروژه‌ی کوچک، همین تخمین به اضافه‌ی کمی حاشیه کافی است.

ولتاژ نامی خازن: باید از قله‌ی بی‌باری در برق بالا بیشتر باشد. برای ترانس ۹ ولت، قله‌ی AC در برق ۱۰٪ بالاتر حدود ۱۴ ولت است و ولتاژ بی‌باری ترانس هم از پلاکش بیشتر است. پس خازن ۱۶ ولتی حاشیه‌ی کمی دارد و ۲۵ ولتی انتخاب امن‌تری است. برای ترانس ۱۵ ولت و 7812، خازن ۳۵ ولتی مثل 2200µF 35V یا 1000µF 35V بگیرید.

جریان ریپل خازن: کتابچه‌ی onsemi می‌گوید فیلتر خازنی جریان RMS بالایی از ترانس و دیودها می‌کشد. پس جریان متناوبی که از خازن می‌گذرد هم کم نیست. صفحه‌ی کالای 1000µF 25V جریان ریپل نامی را ۶۸۰ میلی‌آمپر مؤثر در ۱۲۰ هرتز و ۱۰۵ درجه نوشته است (طبق کاتالوگ سری UVZ). برای جریان بیشتر، ظرفیت بالاتر یا دو خازن موازی بگذارید تا جریان تقسیم شود. نحوه‌ی خواندن این مشخصات در راهنمای خرید خازن آمده است.

مثال کامل: منبع ۵ ولت ۵۰۰ میلی‌آمپر

1. ترانس ۹ ولت AC: قله‌ی DC نامی ≈ ۹ × ۱٫۴۱۴ − ۲٫۲ ≈ ۱۰٫۵ V. در برق ۱۰٪ کمتر ≈ ۹٫۳ V.
2. ریپل با 2200µF: ۰٫۵ ÷ (۱۰۰ × ۰٫۰۰۲۲) ≈ ۲٫۳ V. کف موج در برق کم ≈ ۹٫۳ − ۲٫۳ ≈ ۷٫۰ V. این درست روی مرز ۷ ولت است و حاشیه ندارد.
3. ریپل با 4700µF: ۰٫۵ ÷ (۱۰۰ × ۰٫۰۰۴۷) ≈ ۱٫۱ V. کف موج در برق کم ≈ ۸٫۲ V. حاشیه کافی است، پس 4700µF 25V را انتخاب می‌کنیم.
4. رگولاتور: L7805CV با خازن پلی‌استر 330nF نزدیک پایه‌ی ورودی و خازن پلی‌استر 100nF در خروجی. ST خازن بای‌پس ورودی ۰٫۳۳µF یا بیشتر (تانتالیوم، مایلار یا هر خازن با امپدانس کم در فرکانس بالا) را با کوتاه‌ترین پایه‌ی ممکن کنار رگولاتور توصیه می‌کند، به‌خصوص اگر رگولاتور با سیم بلند به خازن صافی وصل است. به گفته‌ی ST، خازن خروجی برای پایداری لازم نیست، ولی پاسخ گذرا را بهتر می‌کند.
5. پل دیود: KBP310 (۳ آمپر، IFSM ۵۵ آمپر طبق صفحه‌ی کالا) برای ۵۰۰ میلی‌آمپر حاشیه‌ی زیادی دارد. این حاشیه لازم است، چون جریان شارژ خازن در لحظه‌ی روشن شدن و در هر قله چند برابر جریان متوسط است (بخش پل دیود را ببینید).
6. ریپل خروجی: SVR حداقل ۶۲ دسی‌بل یعنی حدود ۱۲۶۰ برابر تضعیف در ۱۲۰ هرتز. ریپل ۱٫۱ ولتی ورودی در این شرط به کمتر از یک میلی‌ولت در خروجی می‌رسد. شرط تست دیتاشیت ۱۲۰ هرتز است و برق ایران ریپل ۱۰۰ هرتزی می‌سازد، پس این عدد را تقریبی بدانید.

قدم ۴: گرما و هیت‌سینک 7805

رگولاتور خطی اختلاف ولتاژ را به گرما تبدیل می‌کند:

P ≈ (V_IN(avg) − V_OUT) × I_LOAD + V_IN × I_d

در مثال بالا، ولتاژ متوسط ورودی تقریباً قله منهای نصف ریپل است: ۱۰٫۵ − ۰٫۵ ≈ ۱۰ ولت. پس P ≈ (۱۰ − ۵) × ۰٫۵ + ۱۰ × ۰٫۰۰۸ ≈ ۲٫۶ وات. با ترانس ۱۲ ولت، همین محاسبه حدود ۴٫۷ وات می‌دهد. یعنی ولتاژ اضافه‌ی ترانس مستقیم به گرمای بیشتر تبدیل می‌شود.

دمای پیوند: T_J = T_A + P × R_th. اگر دمای داخل جعبه را ۴۰ درجه فرض کنیم (عدد فرضی؛ برای جعبه‌ی خودتان اندازه بگیرید):

• بدون هیت‌سینک (R_thJA = ۵۰ °C/W): بیشترین توان برای ماندن زیر ۱۲۵ درجه ≈ (۱۲۵ − ۴۰) ÷ ۵۰ ≈ ۱٫۷ وات. پس ۲٫۶ وات بدون هیت‌سینک زیاد است. رگولاتور با حفاظت حرارتی داخلی خاموش می‌شود یا عمرش کم می‌شود.
• با هیت‌سینک: کل مقاومت حرارتی مجاز برای ۲٫۶ وات ≈ ۸۵ ÷ ۲٫۶ ≈ ۳۳ °C/W. چون R_thJC خود قطعه ۵ °C/W است، مجموع «عایق یا خمیر + هیت‌سینک» باید حدود ۲۸ °C/W یا کمتر باشد. مقاومت حرارتی هیت‌سینک و پد عایق را از دیتاشیت خودشان بخوانید.

زبانه‌ی 7805 در TO-220 به پایه‌ی وسط (زمین) وصل است. جزئیات در پین‌اوت رگولاتورها آمده است. اگر هیت‌سینک به بدنه‌ی فلزی جعبه وصل است، عایق را فراموش نکنید. وقتی تلفات به چند وات می‌رسد، رگولاتور سوئیچینگ منطقی‌تر است. مقایسه را در رگولاتور خطی یا سوئیچینگ و راهنمای انتخاب رگولاتور ببینید.

انتخاب پل دیود

چرا پل را بزرگ‌تر از جریان بار می‌گیریم؟ کتابچه‌ی onsemi توضیح می‌دهد که در فیلتر خازنی، دیودها فقط کوتاه‌مدت نزدیک قله هدایت می‌کنند. وقتی مقاومت سری ترانس و سیم‌ها خیلی کم است، نسبت جریان پیک تکراری به جریان متوسط می‌تواند ۱۰ تا ۱۷ برابر شود. در لحظه‌ی روشن شدن هم خازن خالی است و جریان ضربه‌ای فقط با مقاومت سری محدود می‌شود. به همین دلیل IFSM پل مهم است. خازن خیلی بزرگ ریپل را کم می‌کند، ولی این ضربه را بیشتر می‌کند.

جمع‌بندی انتخاب: برای پروژه‌ی ۵ ولت تا حدود یک آمپر، KBP310 کافی است. برای ۱۲ ولت با رله و موتور یا جریان چند آمپری، KBU810 با IFSM بزرگ‌تر مطمئن‌تر است. چهار 1N4007 هم برای جریان‌های کم جواب می‌دهد، ولی جای بیشتری روی برد می‌گیرد. بقیه‌ی مدل‌ها در دسته‌ی پل دیود هستند. پایه‌های + و − پل خروجی DC و دو پایه‌ی ~ ورودی AC هستند و روی بدنه علامت خورده‌اند.

منبع ۱۲ ولت با 7812 و ترکیب ۱۲ و ۵ ولت

برای L7812CV، دیتاشیت ST خروجی ۱۱٫۴ تا ۱۲٫۶ ولت را با ورودی ۱۴٫۵ تا ۲۵ ولت تضمین می‌کند. با ترانس ۱۵ ولت، قله در برق کم حدود ۱۶٫۹ ولت است. با ۵۰۰ میلی‌آمپر و 2200µF، کف موج ≈ ۱۶٫۹ − ۲٫۳ ≈ ۱۴٫۶ ولت می‌شود که روی مرز است. با 4700µF به حدود ۱۵٫۸ ولت می‌رسد. خازن صافی در این مدار باید ۳۵ ولتی باشد.

دو نکته برای 7812:

• دیود حفاظتی (طبق ST): در خروجی‌های بالاتر از ۶ ولت با بار خازنی بزرگ، اگر ورودی ناگهان اتصال کوتاه شود، ورودی سریع افت می‌کند ولی خروجی آهسته. خازن خروجی از پیوند بیس-امیتر ترانزیستور داخلی تخلیه می‌شود و اگر انرژی زیاد باشد، ترانزیستور می‌سوزد. ST برای این حالت یک دیود خارجی لازم می‌داند (شکل ۲۸ دیتاشیت). روش رایج یک 1N4007 به‌صورت معکوس دو سر رگولاتور است: آند به خروجی، کاتد به ورودی.
• ۱۲ و ۵ ولت با هم (روش رایج، نه از دیتاشیت): می‌توانید ورودی 7805 را از خروجی 7812 بگیرید تا گرما بین دو قطعه تقسیم شود. فقط یادتان باشد جمع جریان هر دو خروجی از 7812 می‌گذرد و تلفات هر دو را جداگانه حساب کنید.

اگر ترانس ندارید: آداپتور DC و 7805

ساده‌ترین و ایمن‌ترین راه برای مبتدی‌ها حذف بخش ۲۲۰ ولت است. یک آداپتور DC استاندارد ۹ یا ۱۲ ولت (یکسو و صاف‌شده) را مستقیم به 7805 بدهید و یک خازن 1000µF 25V در ورودی و خازن‌های ۰٫۳۳ و ۰٫۱ میکروفاراد را کنار رگولاتور بگذارید. محاسبه‌ی گرما همان است. برای انتخاب آداپتور و باتری، راهنمای انتخاب منبع تغذیه را ببینید. اگر از ۱۲ ولت، ۵ ولت با بیش از چند صد میلی‌آمپر می‌خواهید، تلفات 7805 زیاد می‌شود. در این حالت مبدل باک با LM2596 یا MP1584 بهتر است و انتخاب سلفش را در مقاله‌ی سلف مبدل باک توضیح داده‌ایم.

تست و عیب‌یابی

روش اندازه‌گیری ولتاژ DC، ولتاژ AC و تست دیود پل در آموزش کار با مولتی‌متر آمده است. ریپل را با اسیلوسکوپ بهتر می‌بینید. بخش خازن صافی و ریپل در مقاومت و خازن هم از زاویه‌ی تئوری توضیح داده شده است.

سؤالات متداول

برای 7805 حداقل چند ولت ورودی لازم است؟

طبق دیتاشیت ST، خروجی L7805C در بازه‌ی ۴٫۷۵ تا ۵٫۲۵ ولت برای ورودی ۷ تا ۱۸ ولت تضمین شده و افت معمول آن ۲ ولت در ۱ آمپر است. پس کف موج ریپل روی خازن صافی، حتی وقتی برق شهر افت کرده، باید بالای ۷ ولت بماند.

خازن صافی را چطور حساب کنم؟

در یکسوساز تمام‌موج با برق ۵۰ هرتز، ریپل تقریبی برابر جریان بار تقسیم بر ۱۰۰ برابر ظرفیت است. مثلاً ۵۰۰ میلی‌آمپر با ۴۷۰۰ میکروفاراد حدود ۱٫۱ ولت ریپل می‌دهد و با ۲۲۰۰ میکروفاراد حدود ۲٫۳ ولت. این تخمین محافظه‌کارانه است؛ ولتاژ نامی خازن را هم بالاتر از قله‌ی بی‌باری بگیرید.

ترانس ۹ ولت بگیرم یا ۱۲ ولت؟

برای 7805 تا حدود ۵۰۰ میلی‌آمپر، ترانس ۹ ولت با خازن ۴۷۰۰ میکروفاراد حاشیه‌ی کافی می‌دهد و حدود ۲٫۶ وات گرما تولید می‌شود. ترانس ۱۲ ولت حاشیه‌ی بیشتری دارد ولی تلفات را به حدود ۴٫۷ وات می‌رساند. ولتاژ اضافه مستقیم به گرما در رگولاتور تبدیل می‌شود.

آیا 7805 هیت‌سینک می‌خواهد؟

با مقاومت حرارتی ۵۰ درجه بر وات بدون هیت‌سینک (طبق ST برای TO-220)، در دمای محیط ۴۰ درجه فقط حدود ۱٫۷ وات تلفات مجاز است. اگر تلفات محاسبه‌شده بیشتر است، هیت‌سینک لازم است؛ زبانه‌ی 7805 به زمین وصل است و روی بدنه‌ی فلزی باید عایق شود.

کار با ترانس و برق ۲۲۰ ولت خطرناک است؟

بله. طرف اولیه‌ی ترانس به برق شهر وصل است و تماس با آن می‌تواند کشنده باشد. اگر تجربه ندارید، از آداپتور DC استاندارد استفاده کنید و مدار را از خروجی آن با 7805 شروع کنید. در هر حال فیوز، عایق‌کاری کامل و جعبه‌ی بسته را فراموش نکنید.

جمع‌بندی

یک منبع ۵ ولت خطی ساده با چهار قطعه ساخته می‌شود: ترانس، پل دیود، خازن صافی و 7805. ولی فقط وقتی درست کار می‌کند که سه عدد را حساب کرده باشید: کف ریپل (حداقل ۷ ولت در برق کم)، ولتاژ نامی خازن (بالاتر از قله‌ی بی‌باری) و توان تلفاتی 7805 با هیت‌سینک مناسب. برای ۵۰۰ میلی‌آمپر، ترانس ۹ ولت + KBP310 + 4700µF 25V + L7805CV انتخاب متعادلی است. برای جریان بیشتر یا وقتی گرما محدودیت است، سراغ مبدل باک و انتخاب سلف بروید. هشدار ایمنی ۲۲۰ ولت را جدی بگیرید.

پل دیود، خازن، رگولاتور و فیوز این مقاله را می‌توانید از ایکانو با ارسال به سراسر کشور بخرید. در اصفهان هم امکان تحویل حضوری دارید.

محصولات مرتبط با این مقاله

رگولاتور +5 ولت مدل L7805CV پکیج TO-220352,300 ریالمشاهده و خریدپل دیود KBP310 1000V 3A193,700 ریالمشاهده و خریدخازن الکترولیتی 4700uF 25V754,100 ریالمشاهده و خریدپایه فیوز پیچی کوچک 5×20384,340 ریالمشاهده و خرید

مقاله‌های مرتبط

پکیج‌های SMD: سایزها از 0402 تا 1206، SOT-23، SOT-223، SOIC و لحیم‌کاری دستی28 مهر 1405راه‌اندازی ترایاک با آردوینو و میکروکنترلر: اپتوترایاک، عبور از صفر و اسنابر28 مهر 1405آپ‌امپ برای مبتدی‌ها: LM358 و LM32427 مهر 1405