رگولاتور ولتاژ چیست؟

رگولاتور ولتاژ یا رگولاتور اتوماتیک ولتاژ قطعه‌ای است که ولتاژ خروجی ثابت با مقدار از پیش تعیین شده تولید می‌کند، مقدار ولتاژ این خروجی بدون توجه به تغییرات ولتاژ ورودی یا شرایط بار ثابت همیشه ثابت است. دو نوع رگولاتور ولتاژ وجود دارد: رگولاتورخطی و رگولاتور سوئیچینگ.

در رگولاتورهای خطی از یک ترانزیستور (BJT یا MOSFET) به صورت سری یا شنت برای تثبیت ولتاژ خروجی استفاده می‌شود، این ترانزیستور توسط یک مدار تقویت کننده دیفرانسیلی با بهره بالا کنترل می‌گردد. مدار کنترلی، ولتاژ خروجی را با یک ولتاژ مرجع دقیق مقایسه می‌کند و سیستم عبور جریان را برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت تنظیم می کند.

 

خرید رگولاتور از فروشگاه قطعات الکترونیک لیون 

در رگولاتورهای سوئیچینگ ولتاژ ورودی DC از طریق یک ترانزیستور BJT یا ماسفت، با سرعت بالا سوئیچ یا قطع و وصل می‌کند. خروجی المان سوئیچ که یک موج مربعی است با استفاده از سلف و خازن تبدیل به یک سطح DC نسبتا صاف می‌گردد.

در این رگولاتورها از ولتاژ خروجی سوئیچ بعد از مرحله فیلتر نمونه برداری می‌گردد و به مداری باز می گردد که زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ را کنترل می‌کند تا ولتاژ خروجی بدون توجه به تغییر ولتاژ ورودی یا جریان بار ثابت بماند. در ادامه این مقاله با مفاهیم: رگولاتور ولتاژ چیست؟ رگولاتور اتوماتیک ولتاژ چیست؟ و انواع آن ها آشنا خواهید شد.

 

بیشتر بخوانید: ساخت رگولاتور ولتاژ با ترانزیستور 

انواع رگولاتور خطی

سه کلاس یا نوع اصلی رگولاتور خطی وجود دارد: رگولاتورهای ولتاژ مثبت که در آن ولتاژ ورودی نسبت به زمین مدار مثبت است، رگولاتورهای منفی که در آن ولتاژ ورودی نسبت به زمین مدار منفی است، رگولاتورهای ولتاژ دوگانه، که از یک تغذیه دوبل استفاده می‌کنند، به عنوان مثال، یک مدار اپ آمپی و در نهایت، رگولاتورهای ولتاژ قابل تنظیم.

این رگولاتورهایی دارای یک بازه ولتاژ خروجی قابل تنظیم هستند ودارای یک پتانسیومتر و یا مکانیزمی برای تغییر ولتاژ خروجی در صورت نیاز هستند.

 

بیشتر بخوانید: معرفی رگولاتورها و کاربرد آن‌ها 

مدار رگولاتور ولتاژ

برای ساخت یک مدار رگولاتور ولتاژ خطی از روش‌های زیادی می‌توان بهره برد که در زیر به چند مورد آن اشاره می‌کنیم.

 

دیود زنر نوعی از دیود است و هنگامی که در پیکربندی بایاس معکوس خود به یک ولتاژ متصل ‌شود، در صورتی که ولتاژ معکوس ورودی از مقدار ولتاژ شکست بیشتر گردد، شروع به شکستن و هدایت جریان در یک ولتاژ خاص می‌کند که به آن ولتاژ زنر می‌گویند.

هنگامی که این دیود شروع به هدایت می کند، باید یک المان محدود کننده جریان در مسیر قرار داشته باشد تا جریان را در محدوده مطمئن محدود کند، بنابراین یک مقاومت (R1 نشان داده شده در زیر) به صورت سری در مدار قرار می‌گیرد.

 

رگولاتور ترانزیستوری با ولتاژ مرجع زنری

 در این مدار ما از دیود زنر به عنوان ولتاژ مرجع و ترانزیستور Q1 به عنوان رگولاتور سری برای انجام کار تثبیت و تلفات توان استفاده کرده‌ایم. مقاومت R2 جریان بایاس را برای روشن کردن Q1 و تامین جریان زنر D2 فراهم می کند. اگر مقدار ولتاژ خروجی را برابر 5 ولت در نظر بگیریم، افت ولتاژ بیس-امیتر 0.6 ولت به آن اضافه می شود، بنابراین زنر D2 باید یک زنر 5.6 ولتی باشد و R2 اکنون باید جریان کلکتور تقسیم بر مقدار بتای ترانزیستور را تامین کند (مثلاً 1000).

برای محاسبه مقدار مقاومت R2 با فرض جریان 1 آمپری، می‌توان اینگونه نوشت که 12 ولت ورودی منهای 5.6 ولت تقسیم بر هزار که به مقدار مقاومت 640 اهم می‌رسیم. ما باید مقداری جریان هم برای روشن ماندن زنر به این مقدار اضافه کنیم پس به طور مثال مقدار مقاومت R2 را 560 اهم تعیین می‌کنیم.

اما در این مدار هنوز مقدار زیادی جریان در صورت قطع خروجی و یا جریان کمتر به صورت گرما در دیود زنر تلف می‌شود. بنابراین اکنون، ترانزیستور Q5 و یک شبکه فیدبک به مدار اضافه می‌کنیم تا مدار کارآمدتری برای زمان‌های قطع خروجی و جریان کم خروجی داشته باشیم.

آیسی رگولاتور ولتاژ ثابت

در اینجا، ما به سادگی از یک رگولاتور سه ترمینالی ولتاژ ثابت استفاده. آیسی های رگولاتور ولتاژ سری LM78xx در چندین ولتاژ مختلف عرضه می شوند. به عنوان مثال، LM7812 خروجی 12 ولت، LM7809 خروجی 9 ولت و LM7805 خروجی 5 ولت دارد.

C4 و C10 را نباید با خازن های صاف کننده اشتباه گرفت. وظیفه آنها رفع نویز و ایجاد پایداری هست و باید ESR پایینی (مقاومت سری معادل) داشته باشند. ظرفیت خازن C4 معمولاً 10 میکروفاراد است و ظرفیت خازن C10 1 میکروفاراد است. توجه داشته باشید که دیود D9 برای تخلیه ظرفیت بزرگ در بار به سمت ورودی است تا از بایاس معکوس رگولاتور در هنگام پایین آمدن ولتاژ ورودی جلوگیری کند.

انواع آیسی رگولاتور سوئیچینگ

رگولاتورهای ولتاژ سوئیچینگ از یک سوئیچ سری با بار تشکیل شده است که به طور مکرر با فرکانس بالا خاموش و روشن می شود. در این رگولاتورها از تغییر چرخه وظیفه یا Duty Cycle برای کنترل مقدار توان عرضه شده به بار استفاده می شود.

چرخه وظیفه توسط یک سیستم فیدبک کنترل می شود که بسیار شبیه به سیستم فیدبک در رگولاتورهای خطی است. رگولاتورهای سوئیچینگ دارای راندمان بالایی هستند زیرا یا سوئیچ روشن است یا خاموش، و به این معنی است که وقتی سوئیچ خاموش است هیچ انرژی اتلاف نمی‌کند.

رگولاتور سوئیچینگ در مورد بازه ولتاژ خروجی نسبت به رگولاتور خطی برتری دارند. زیرا می تواند ولتاژ خروجی بیشتر از مقدار ورودی را ایجاد کنند و علاوه بر این، حتی می تواند ولتاژ خروجی با پلاریته معکوس ورودی تولید کنند.

بیشتر بخوانید: نحوه تست رگولاتور در مدار 

انواع رگولاتور سوئیچینگ

رگولاتورهای سوئیچینگ در سه نوع کاهنده ولتاژ، افزاینده ولتاژ و کاهنده/افزاینده ولتاژ در دسترس هستند. رگولاتورهای کاهنده (که مبدل‌های باک نیز نامیده می‌شوند) ولتاژ ورودی بزرگ‌تری می‌گیرند و ولتاژ خروجی کمتری تولید می‌کنند. برعکس، مبدل های افزایش دهنده (که مبدل‌های بوست نیز نامیده می شوند) ولتاژ ورودی کمتری می گیرند و ولتاژ خروجی بالاتری تولید می کنند.

همچنین مبدل باک بوست یک مبدل تک مرحله‌ای است که عملکردهای باک و مبدل بوست را ترکیب می‌کند تا خروجی را در محدوده وسیعی از ولتاژهای ورودی که می‌تواند بیشتر یا کمتر از ولتاژ خروجی باشد تنظیم کند.

مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ

اتلاف توان در رگولاتورهای خطی به طور مستقیم با مقدار جریان خروجی آن نسبت دارد، در این رگولاتورها مقدار جریان ورودی و خروجی برابر است و عدد تلفات در این رگولاتورها از کسر مقدار ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی ضربدر جریان خروجی بدست می‌آید. به صورت معمول این رگولاتورها دارای راندمان حدود 50٪ یا حتی کمتر هستند. تمامی این تلفات به صورت گرما در المان ترانزیستور توان دفع می‌گردد.

در مقابل با استفاده از اجزای بهینه در یک رگولاتور سوئیچینگ می‌توان به راندمانی در حدود 90% رسید. با این حال، نویز خروجی در یک رگولاتور خطی بسیار کمتر از یک رگولاتور سوئیچینگ با ولتاژ خروجی و جریان برابر است. به صورت جنرال، رگولاتورهای سوئیچینگ می‌تواند بارهای جریان بیشتری را نسبت به یک رگولاتور خطی هدایت کنند.

از مزایای دیگر برخی رگولاتورهای سوئیچینگ می‌توان به امکان تقویت ولتاژ خروجی نام برد، زیرا این امکان در رگولاتورهای خطی میسر نیست.

 

چگونه یک رگولاتور سوئیچینگ مقدار خروجی خود را کنترل می کند؟

رگولاتورهای سوئیچینگ به مکانیسمی برای تغییر ولتاژ خروجی خود در پاسخ به تغییرات ولتاژ ورودی و جریان بار نیاز دارند. یک روش استفاده از کنترل PWM است که زمان قطع و وصل یا چرخه کاری سوئیچ قدرت را کنترل می‌کند.

در حین کار، از ولتاژ خروجی فیلتر شده رگولاتور برای کنترل Duty Cycle فیدبک گرفته می‌شود و این فیدبک به مدار کنترل کننده PWM بازگردانده می‌شود. اگر سطح ولتاژ خروجی فیلتر شده تمایل به تغییر داشته باشد، بازخورد اعمال شده به کنترل کننده PWM چرخه کار را برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت تغییر می‌دهد. در اکثر رگولاتورهای سوئیچینگ در هر چرخه یک فیدبک گرفته و به واحد کنترل PWM ارسال می‌گردد.

مشخصات و پارامترهای مهم برای انتخاب آیسی رگولاتور ولتاژ

از جمله پارامترهای اصلی و مهم می‌توان به مقدار حداکثر ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی و مقدار جریان خروجی اشاره کرد. بسته به کاربرد، پارامترهای دیگری مانند مقدار ریپل ولتاژ خروجی، اندازه پاسخ گذرای بار، مقدار نویز خروجی و راندمان ممکن است مهم باشند. پارامترهای مهم برای انتخاب رگولاتورهای خطی عبارتند از: اندازه دراپ ولتاژ، PSRR (نسبت رد نویز منبع تغذیه) و نویز خروجی. همچنین باید به اصل و اورجینال بودن قطعه نیز توجه کنید؛ ما در مطلب «تفاوت ظاهری بین آی سی رگولاتور AMS1117 تقلبی و اورجینال» مواردی را توضیح دادیم که با کمک آن بتوانید یک قطعه اصل را از فیک تشخیص دهید.

 

نحوه انتخاب نوع رگولاتور ولتاژ

رگولاتورهای خطی اغلب در کاربردهایی استفاده می‌شوند که به نویز حساس هستند و همچنین دارای جریان کم یا دارای فضای محدودی هستند. برای برخی از نمونه‌های کاربرد رگولاتور خطی می‌توان از لوازم الکترونیکی مصرفی مانند هدفون، پوشیدنی‌ها و دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) نام برد. به عنوان مثال، وسایلی مانند سمعک می‌توانند از یک رگولاتور خطی استفاده کنند، زیرا عنصر سوئیچینگی ندارند که باعث ایجاد صدای ناخواسته و نویز شوند و در عملکرد دستگاه اختلال ایجاد کند.

علاوه بر این، اگر طراحان عمدتاً علاقه مند به ایجاد یک وسیله کاربردی کم هزینه باشند، نیازی نیست که نگران اتلاف توان باشند و می توانند به یک رگولاتور خطی تکیه کنند. تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ برای کاربردهای عمومی‌تر مفید هستند و به‌ویژه در برنامه‌هایی که به کارایی و عملکرد نیاز دارند، مانند کاربردهای صنعتی، سازمانی و خودروسازی. به عنوان مثال، اگر وسیله‌ای به یک افت ولتاژ بزرگ نیاز دارد، یک تنظیم کننده سوئیچینگ مناسب تر است، زیرا یک تنظیم کننده خطی می تواند اتلاف توان بالایی ایجاد کند که به سایر اجزای الکتریکی آسیب می‌رساند.