انواع رگولاتور خطی و کاربردهای آن

رگولاتور خطی چیست

در پاسخ به سوال رگولاتور چیست و چه کاربردی دارد، باید بگوییم که رگولاتور خطی یک تنظیم کننده ولتاژ است و برای ایجاد یک ولتاژ ثابت در مدار استفاده می‌شود. رگولاتور مانند یک مقاومت متغیر، متناسب با ولتاژ ورودی و جریان بار تغییر می‌کند و در نتیجه ولتاژ خروجی ثابت می‌ماند. مدار رگولاتور به طور مداوم و با توجه به تغییرات جریان بار و ولتاژ ورودی مقاومت خود را تغییر می‌دهد تا ولتاژ خروجی ثابت را حفظ کند و اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی را به عنوان گرما تلف می‌کند.
 
انواع رگولاتور خطی به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی که نیاز به نویز کم، ریپل پایین و تنظیم ولتاژ با دقت بالا نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها در مقایسه با تنظیم کننده‌های سوئیچینگ که از عملیلت سوئیچینگ  برای حفظ مقدار متوسط خروجی استفاده می‌کنند، ساده و ارزان‌تر هستند. تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر نوع عملکرد به این صورت است:
•    رگولاتور خطی از یک منبع جریان با ولتاژ کنترل شده استفاده می کند تا یک ولتاژ ثابت در ترمینال خروجی رگولاتور ایجاد کند. در رگولاتور خطی، مدار کنترل ولتاژ مقدار خروجی را نظارت می‌کند و منبع جریان را مطابق با نیاز بار تنظیم می‌کند تا ولتاژ خروجی را در مقدار دلخواه نگه دارد. رگولاتور خطی یک مسیر پیوسته برای جریان بین ورودی و خروجی فراهم می‌کند. تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی تنظیم شده به طور مداوم به عنوان گرما تلف می‌شود.

•    رگولاتور سوئیچینگ از یک عنصر سوئیچینگ برای تبدیل توان ورودی به یک ولتاژ پالسی استفاده می‌کند و سپس ولتاژ خروجی با استفاده از خازن‌ها، سلف‌ها و سایر عناصر صاف می‌شود. مدار کنترلی، ولتاژ خروجی را نظارت می‌کند و  دیوتی سایکل عنصر سوئیچ را تغییر می‌دهد تا ولتاژ خروجی را تنظیم کند. رگولاتور سوئیچینگ با روشن و خاموش شدن با سرعت بالا، برق را به صورت ناگهانی به بار می‌رساند. رگولاتورهای سوئیچینگ می‌توانند ولتاژهای خروجی بالاتر یا مخالف ولتاژ ورودی تولید کند. رگولاتورهای سوئیچینگ راندمان بالاتر و اتلاف توان کمتری در مقایسه با انواع رگولاتور خطی دارند.
با این حال، رگولاتورهای خطی دارای محدودیت هایی مانند راندمان پایین، اتلاف توان بالا و محدودیت ولتاژ ورودی-خروجی هستند. در این مقاله به انواع رگولاتور خطی، مزایا و معایب آنها و برخی کاربردهای آن می‌پردازیم. این مقاله می‌تواند به مبتدیان در انتخاب و خرید آیسی رگولاتور کمک کند.

انواع رگولاتور خطی

رگولاتورهای خطی را می توان بر اساس عملکرد، ساختار، ولتاژ خروجی، مقدار دراپ ولتاژ و بسته بندی به چند دسته طبقه بندی کرد.

رگولاتور شنت(Shunt Regulators) در مقابل رگولاتور سری(Series Regulators)

 
رگولاتورهای خطی را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: رگلاتورهای شنت و رگولاتورهای سری.
در رگولاتور شنت، رگولاتور به موازات بار قرار می‌گیرد. دستگاه تنظیم کننده به عنوان یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که جریان اضافی را از بار دور می‌کند و از خود عبور می‌دهد تا ولتاژ خروجی ثابتی را برای بار به وجود آورد. رگولاتور شنت به یک مقاومت محدود کننده جریان یا یک منبع جریان ثابت در ورودی برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد  بر روی رگولاتور نیاز دارد.

 
در مقابل در رگولاتور سری، تنظیم کننده بین منبع و بار قرار می‌گیرد. در این مدار رگولاتور به عنوان یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که مقدار جریان عبوری به بار را برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت کنترل می‌کند. یک رگولاتور سری نیازی به مقاومت محدود کننده جریان یا منبع جریان ثابت در ورودی ندارد.
 

مزایای تنظیم کننده های شنت عبارتند از:

•    پیاده سازی آسان
•    پاسخ گذرا سریع و امپدانس خروجی کم
•    آنها می‌توانند با کلمپ کردن ولتاژ خروجی، حفاظت در برابر اضافه ولتاژ را فراهم کنند.

معایب رگلاتورهای شنت عبارتند از:

•    راندمان پایین و اتلاف توان بالایی دارند.
•    آنها به جریان ورودی بالاتری، نسبت به جریان بار نیاز دارند.
•    آنها تنظیم بار ضعیف (load regulation) و حساسیت بالایی به تغییرات بار دارند.

مزایای رگولاتورهای سری عبارتند از:

•    دارای راندمان بالاتر و اتلاف توان کمتری هستند.
•    آنها به جریان ورودی مساوی با جریان بار نیاز دارند.
•    آنها تنظیم بار (load regulation) خوب و حساسیت کمی به تغییرات بار دارند.

معایب رگولاتورهای سری عبارتند از:

•    پیاده سازی پیچیده‌تر و گران‌تر.
•    آنها پاسخ گذرای کندتر و امپدانس خروجی بالاتری دارند.
•    اگر رگولاتور از کار بیفتد، می‌توانند باعث اتصال کوتاه یا اضافه جریان در مدار شوند.

رگولاتورهای ثابت در مقابل رگولاتورهای قابل تنظیم

رگولاتورهای خطی را می‌توان به دو دسته رگولاتورهای با خروجی ثابت و رگولاتورهای با خروجی قابل تنظیم تقسیم کرد.
یک رگولاتور ثابت دارای یک سطح ولتاژ خروجی از پیش تعیین شده است که نمی‌توان آن را به صورت خارجی تغییر داد. سطح ولتاژ خروجی توسط مقاومت‌های داخلی یا دیودهای زنر تنظیم می‌شود که یک شبکه تقسیم کننده ولتاژ را تشکیل می‌دهند. یک رگولاتور خروجی ثابت معمولاً دارای سه پایانه است: ورودی، خروجی و زمین.

 
در مقابل یک رگولاتور قابل تنظیم دارای سطح ولتاژ خروجی متغیری است که می‌توان آن را با استفاده از مقاومت‌های خارجی یا پتانسیومترهایی که یک شبکه فیدبک را تشکیل می‌دهند، به صورت خارجی تغییر داد. یک رگولاتور خروجی قابل تنظیم معمولاً دارای سه پایانه است: ورودی، خروجی و فیدبک.
 
مزایای تنظیم کننده های خروجی ثابت عبارتند از:

•    استفاده ساده‌تر و نیاز به قطعات کمتر.
•    نویز و دریفت بسیار کمی دارند.
•    دقت و پایداری بالایی دارند.

معایب رگولاتورهای خروجی ثابت عبارتند از:

•    آنها محدوده ولتاژ خروجی و انعطاف پذیری محدودی دارند.
•    آنها ممکن است به اجزای اضافی برای تیونینگ یا محافظت نیاز داشته باشند.
•    آنها ممکن است ولتاژ دراپ بالاتری نسبت به رگولاتورهای قابل تنظیم داشته باشند.

مزایای تنظیم کننده های خروجی قابل تنظیم عبارتند از:

•    آنها دارای محدوده ولتاژ خروجی گسترده و انعطاف پذیری هستند.
•    آنها را می‌توان برای کاربردها و نیازهای مختلف سفارشی کرد.
•    آنها ممکن است ولتاژ دراپ کمتری نسبت به رگولاتورهای خروجی ثابت داشته باشند.

معایب رگولاتورهای خروجی قابل تنظیم عبارتند از:

•    نیاز به طراحی پیچیده‌تر و قطعات اضافه تری دارند.
•    نویز و دریفت بیشتری دارند.
•    ممکن است دقت و ثبات کمتری داشته باشند.

رگولاتورهای معمولی در مقابل رگولاتورهای لُو دراپ (LDO)

 
رگولاتورهای خطی را می‌توان بر اساس دراپ ولتاژ خروجی به دو نوع معمولی و نوع افت کم (LDO) تقسیم کرد.
مقدار ولتاژ دراپ، حداقل اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی مورد نیاز برای عملکرد صحیح رگولاتور است. اگر ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ خروجی باشد، رگولاتور نمی‌تواند ولتاژ خروجی را ثابت نگه دارد و ممکن است وارد حالت اشباع یا خاموشی شود.
یک رگولاتور معمولی بسته به جریان خروجی و نوع ترانزیستور خروجی، افت ولتاژ خروجی بالایی در حدود 2 تا 3 ولت دارد. یک رگولاتور معمولی معمولاً از یک ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) به عنوان ترانزیستور خروجی استفاده می‌کند که دارای افت ولتاژ بیس-امیتر بالایی است.
در مقابل یک رگولاتور LDO بسته به جریان خروجی و نوع ترانزیستور خروجی، افت ولتاژی کمتر از 1 ولت دارد. یک رگولاتور LDO معمولاً از یک ترانزیستور ماسفت (MOSFET) به عنوان ترانزیستور خروجی استفاده می‌کند که افت ولتاژ گیت-سورس کمی دارد.

مزایای رگولاتورهای معمولی عبارتند از:

•    آنها قوی و قابل اعتماد هستند.
•    آنها می‌توانند ولتاژهای ورودی بالا و جریان‌های خروجی بالا را مدیریت کنند.
•    آنها تنظیم خط (line regulation) و رد نویز خوبی دارند.

معایب رگولاتورهای معمولی عبارتند از:

•    راندمان پایین و اتلاف توان بالایی دارند.
•    آنها به اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی زیادی نیاز دارند.
•    آنها ممکن است گرمای بیش از حد تولید کنند و نیاز به هیت سینک داشته باشند.

مزایای تنظیم کننده های LDO عبارتند از:

•    دارای راندمان بالا و اتلاف توان کمتری هستند.
•    آنها به اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی کوچکتری نیاز دارند.
•    آنها می توانند با ولتاژ ورودی پایین و ولتاژ خروجی پایین کار کنند.

معایب تنظیم کننده های LDO عبارتند از:

•    آنها حساس و ظریف هستند.
•    آنها ممکن است تنظیم خط (line regulation)  و عملکرد رد نویز ضعیفی داشته باشند.
•    ممکن است برای پایداری و پاسخ گذرا به خازن‌های خارجی نیاز داشته باشند.

رگولاتورهای Through-hole در مقابل رگولاتورهای SMD

رگولاتورهای خطی را می‌توان بر اساس نوع پکیج طبقه بندی کرد: رگولاتورهای دیپ و رگولاتورهای SMD.

 
یک رگولاتور دیپ دارای پایه‌هایی است که در سوراخ‌های روی برد مدار چاپی (PCB) وارد شده و در طرف دیگر لحیم می‌شود. رگولاتورهای دیپ معمولاً دارای یک زبانه فلزی است که به عنوان یک هیت سینک برای دفع گرما عمل می‌کند و همچنین می‌توان آن را توسط پیچ به هیت‌سینک خارجی متصل نمود.
در مقابل یک رگولاتور SMD دارای پایه‌هایی است که مستقیماً روی پد‌های PCB لحیم می‌شود. یک رگولاتور SMD معمولا یک کیس پلاستیکی یا یک قاب سرامیکی دارد و برای دفع گرما نیازی به هیت سینک خارجی ندارد. این رگولاتورها معمولا گرمایشان را توسط پایه‌ها به برد مدارچاپی منتقل می‌کنند.

مزایای رگولاتورهای دیپ (Through-hole) عبارتند از:

•    آنها بادوام و سرسخت‌تر هستند.
•    آنها می‌توانند توان و دمای بالا را تحمل کنند.
•    آنها به راحتی قابل تعویض و تعمیر هستند.

معایب رگولاتورهای دیپ (Through-hole) عبارتند از:

•    آنها حجیم و سنگین هستند.
•    آنها فضای بیشتری را اشغال می‌کنند و اندازه و هزینه PCB را افزایش می‌دهند.
•    به دلیل وجود پایه دارای ارتفاع ممکن است دارای اندوکتانس و ظرفیت خازنی کاذب شوند.

مزایای رگولاتورهای روی سطح عبارتند از:

•    آنها جمع و جور و سبک وزن هستند.
•    آنها در فضا صرفه جویی می‌کنند و اندازه PCB و هزینه را کاهش می دهند.
•    آنها اندوکتانس و ظرفیت خازنی کاذب پایینی دارند.

معایب رگولاتورهای نصب سطحی عبارتند از:

•    آنها حساس و ظریف هستند.
•    معمولا ًرتبه بندی دفع دمای محدودی دارند.
•    تعویض و تعمیر آنها دشوار است.

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : ساخت رگولاتور ولتاژ

 

کاربردهای رگولاتور خطی

انواع رگولاتور خطی کاربردهای مختلفی در مدارهای الکترونیکی دارند. از جمله موارد مصرف این رگولاتورها مواردی است که نیاز به تنظیم ولتاژ پایدار، دقیق و کم نویز دارند. چند نمونه عبارتند از:
•    منابع تغذیه مدارهای آنالوگ مانند تقویت کننده ها، فیلترها، سنسورها و غیره.
•    منابع تغذیه مدارهای دیجیتال مانند میکروکنترلرها، گیت های منطقی، تراشه های حافظه و غیره.
•    منابع تغذیه مدارهای سیگنال مختلط مانند مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ و غیره.
•    منابع تغذیه برای دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند، مانند رادیوهای قابل حمل، دوربین‌ها، تلفن ها و غیره.
•    منابع تغذیه برای وسایل الکترونیکی خودرو، مانند مجموعه نشانگر و کیلومتر، سیستم‌های صوتی، سیستم های ناوبری و غیره.

نتیجه

 در این مقاله به معرفی انواع رگولاتور خطی، مزایا و معایب و برخی کاربردهای آن پرداختیم و سعی کردیم به کاملترین حالت به سوال رگولاتور خطی چیست ، پاسخ دهیم. 
رگولاتورهای خطی رگولاتورهای ولتاژ ساده و ارزانی هستند که نویز کم، ریپل کم و تنظیم ولتاژ با دقت بالا را ارائه می‌دهند. با این حال، رگولاتورهای خطی دارای محدودیت‌هایی مانند راندمان پایین، اتلاف توان بالا و محدودیت ولتاژ ورودی-خروجی هستند. بنابراین، رگولاتورهای خطی را باید بر اساس الزامات و نیازهای مدار و با دقت انتخاب نمود.

شما می‌توانید برای خرید قطعات الکترونیک به فروشگاه آنلاین ما سر بزنید. تمامی اجناس موجود در فروشگاه اورجینال بوده و دارای مهلت تست هستند. همچنین در صورت نیاز به قطعاتی که در بازار نیستند، می‌توانید استعلام سفارش خارجی خود را به صورت آنلاین در وبسایت ما ثبت کنید. لیون الکترونیک به عنوان وارد کننده قطعات الکترونیکی از چین و اروپا می‌تواند نیازهای شما در این زمینه را رفع کند.