رگولاتور ولتاژ یک قطعه الکترونیکی است که ولتاژ خروجی منبع تغذیه را تثبیت می‌کند. رگولاتورهای ولتاژ برای بسیاری از مدارهای الکترونیکی و کاربردهایی که نیاز به منبع ولتاژ ثابت و قابل اعتماد دارند ضروری هستند.
دو نوع اصلی رگولاتور ولتاژ وجود دارد: رگولاتورهای خطی و رگولاتورهای سوئیچینگ. هر دو نوع رگولاتور بسته به الزامات و محدودیت‌های طراحی، مزایا و معایب خود را دارند. در این مقاله به بررسی تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر اصول کار، کارایی، پیچیدگی، اندازه، هزینه، نویز و محدوده ولتاژ ورودی می‌پردازیم.
تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ
در نظر داشته باشید، دو نوع کلی منبع تغذیه وجود دارد. منابع تغذیه خطی از یک ترانس با یک نسبت تبدیل مشخص برای کاهش سطح ولتاژ AC استفاده می‌کنند و سپس با استفاده از مدارات یکسوساز و فیلتر و رگولاتورهای خطی ولتاژ DC مورد نظر را می‌سازند.
در حالیکه منابع تغذیه سوئیچینگ، ابتدا ولتاژ AC ورودی را با استفاده از مدارات یکسوساز و فیلتر به DC تبدیل می‌کنند و سپس اقدام به کاهش یا افزایش سطح ولتاژ می‌نمایند. در این مقاله تمرکز ما بر روی آیسی‌های رگولاتور خطی و سوئیچینگ خواهد بود و به بررسی منابع تغذیه نخواهیم پرداخت.
مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک: خرید آیسی رگولاتور
تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر اصول کار
برای اینکه تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ را از نظر اصول کار متوجه شوید، در ادامه اصول کار هر کدام از این رگولاتورها را به طور کامل توضیح می‌دهیم.
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی یک تنظیم‌کننده ساده است که با استفاده از یک جزء خطی مانند بار مقاومتی یا ترانزیستور، ولتاژ ورودی را به یک ولتاژ خروجی خاص کاهش می‌دهد. رگولاتور خطی در حالت پیوسته عمل می‌کند، به این معنی که همیشه یک مسیر جریان بین ورودی و خروجی وجود دارد. ولتاژ خروجی با تغییر مقاومت جزء خطی بر اساس جریان بار و ولتاژ ورودی تنظیم می‌شود. تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی به صورت گرما توسط جزء خطی تلف می‌شود.
رگولاتور سوئیچینگ
رگولاتور سوئیچینگ رگولاتور پیچیده‌تری است که از یک عنصر سوئیچینگ مانند ماسفت برای تبدیل ولتاژ ورودی به ولتاژ پالسی استفاده می‌کند. رگولاتور سوئیچینگ در حالت ناپیوسته عمل می‌کند، به این معنی که همیشه یک مسیر جریان بین ورودی و خروجی وجود ندارد.
ولتاژ خروجی با کنترلDuty Cycle عنصر سوئیچینگ تنظیم می‌شود که تعیین می‌کند چه مدت ولتاژ ورودی به خروجی اعمال می‌شود. سپس ولتاژ پالسی با استفاده از خازن‌ها، سلف‌ها و سایر اجزاء صاف می‌شود تا یک ولتاژ خروجی پایدار به دست آید.
مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک: وارد کننده قطعات الکترونیکی
تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ از نظر راندمان
دیگر تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ، راندمان است. راندمان از مهمترین فاکتورهایی که در انتخاب رگولاتور ولتاژ باید در نظر گرفته شود، راندمان است که به عنوان نسبت توان خروجی به توان ورودی تعریف می‌شود. راندمان تعیین می‌کند که چه مقدار توان به عنوان گرما توسط رگولاتور هدر می‌رود و چه مقدار نیرو به بار تحویل داده می‌شود.
رگولاتور خطی
کارایی یک رگولاتور خطی به تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی و همچنین جریان بار بستگی دارد. معادله راندمان یک رگولاتور خطی به صورت زیر است:
همانطور که در این معادله مشاهده می‌کنیم، با افزایش اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی، بازده یک رگولاتور خطی کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی 12 ولت و ولتاژ خروجی 5 ولت باشد، بازده رگولاتور خطی برابر است با:
این بدان معنی است که بیش از نیمی از توان ورودی به عنوان گرما توسط رگولاتورخطی تلف می‌شود. همچنین راندمان با افزایش جریان بار کاهش پیدا می‌کند، زیرا توان بیشتری توسط عنصر خطی تلف می‌شود.
رگولاتور سوئیچینگ
کارایی رگولاتور سوئیچینگ به عوامل مختلفی مانند فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و نوع تبدیل (باک، بوست یا باک بوست) بستگی دارد. با این حال، به طور کلی، رگولاتورهای سوئیچینگ دارای راندمان بسیار بالاتری نسبت به رگولاتورهای خطی هستند، به خصوص زمانی که تفاوت زیادی بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی وجود داشته باشد. معادله راندمان رگولاتور سوئیچینگ به صورت زیر است:
همانطور که در این معادله می‌بینیم، کارایی یک رگولاتور سوئیچینگ مستقیماً به تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی بستگی ندارد. در عوض، به نسبت توان خروجی به توان ورودی بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی 12 ولت و ولتاژ خروجی 5 ولت با جریان خروجی 1 آمپر داشته باشیم، بازده رگولاتور سوئیچینگ برابر است با:
اگر فرض کنیم جریان خروجی Iout برابر با جریان ورودی Iin باشد (که همیشه درست نیست)، آنگاه به دست می‌آید:
این همان راندمان رگولاتور خطی در شرایط مشابه است. با این حال، اگر جریان خروجی به 2 آمپر افزایش یابد، آنگاه به دست می آید:
اگر فرض کنیم که جریان خروجی دو برابر جریان ورودی باشد، به دست می‌آید:
در این حالت راندمان بسیار بالاتر از رگولاتور خطی است. کارایی رگولاتور سوئیچینگ را می‌توان با استفاده از قطعات با کیفیت بالا و بهینه سازی فرکانس سوئیچینگ بهبود داد.
مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک: ساخت رگولاتور ولتاژ
تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر پیچیدگی طراحی و ساخت
یکی دیگر از عواملی که در انتخاب یک رگولاتور ولتاژ باید در نظر گرفته شود، پیچیدگی است که بر سهولت طراحی، تعداد اجزای خارجی و رفع عیب مدار تأثیر می‌گذارد.
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی یک رگولاتور ساده و کاربردی آسان است که به اجزای خارجی کمی، مانند خازن برای پایداری و هیت سینک برای تلف کردن حرارت نیاز دارد. رگولاتور خطی پیچیدگی طراحی کمی دارد و به راحتی در یک مدار پیاده سازی می‌شود. رگولاتور خطی همچنین نویز کمی تولید می‌کند، زیرا هیچ گونه نویز سوئیچینگ یا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد نمی‌کند.
رگولاتور سوئیچینگ
رگولاتور سوئیچینگ رگولاتور پیچیده‌تری است که به اجزای خارجی بیشتری مانند خازن‌ها، سلف‌ها، دیودها، مقاومت‌ها و مدارهای فیدبک نیاز دارد. رگولاتور سوئیچینگ پیچیدگی طراحی بالایی دارد و نیاز به انتخاب دقیق قطعات دارد. رگولاتور سوئیچینگ همچنین نویز بالاتری دارد، زیرا نویز سوئیچینگ و EMI تولید می‌کند که می‌تواند بر کیفیت ولتاژ خروجی و سایر مدارهای حساس تأثیر بگذارد.
تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر اندازه
یکی دیگر از عواملی که در انتخاب رگولاتور ولتاژ باید در نظر گرفت اندازه است که بر فضا و وزن مدار تأثیر می‌گذارد.
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی یک رگولاتور کوچک و جمع و جور است که می‌تواند در یک بسته بندی کوچک قرار گیرد. با این حال، رگولاتور خطی ممکن است نیاز به یک هیت سینک بزرگ داشته باشد تا گرمای تولید شده در اثر اتلاف نیرو را دفع کند. اندازه رگولاتور خطی به توان و اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی بستگی دارد.
رگولاتور سوئیچینگ
رگولاتور سوئیچینگ رگولاتور کوچکتر و سبک‌تری است که می‌تواند چگالی توان بالاتری نسبت به رگولاتورهای خطی بدست آورد. رگولاتور سوئیچینگ نیازی به هیت سینکهای بزرگ ندارد، زیرا اتلاف توان کمتری دارند. اندازه رگولاتور سوئیچینگ نیز به فرکانس سوئیچینگ و کیفیت قطعات بستگی دارد. فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر، اجازه استفاده از اجزای کوچکتر را مهیا می‌کند، اما فرکانس بالاتر معمولا به معنای نویز و EMI بیشتر است.
تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ از نظر هزینه
یکی دیگر از عواملی که در انتخاب رگولاتور ولتاژ باید در نظر گرفت هزینه است که بر مقدار بودجه و سود پروژه تاثیر می‌گذارد.
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی یک رگولاتور کم هزینه و در دسترس است که به راحتی در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی یافت می‌شود. رگولاتور خطی دارای اجزای جانبی کمی است که هزینه قطعات را کاهش می‌دهد. رگولاتور خطی همچنین هزینه تولید کمتری دارد، زیرا مدار آن بسیار ساده است و نیاز به تست‌های کمی دارد.
رگولاتور سوئیچینگ
رگولاتور سوئیچینگ رگولاتور گران‌تر و تخصصی‌تری است که ممکن است در برخی بازارها به راحتی در دسترس نباشد. رگولاتور سوئیچینگ دارای اجزای خارجی بیشتری است که هزینه قطعات مدار را افزایش می‌دهد. رگولاتور سوئیچینگ همچنین هزینه ساخت بالاتری دارد، زیرا مدار پیچیده‌تر و الزامات تست بالاتری دارد.
مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : آی سی رگولاتور چیست
تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ از نظر محدوده ولتاژ ورودی
دیگر تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ، محدوده ولتاژ ورودی است. این پارامتر بر سازگاری و انعطاف پذیری رگولاتور تأثیر می‌گذارد.
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی دارای محدوده ولتاژ ورودی باریکی است که به ولتاژ خروج و اتلاف توان بستگی دارد. ولتاژ افت یا دراپ حداقل تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی مورد نیاز برای تنظیم مناسب خروجی است. اتلاف توان حاصلضرب اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی در مقدار جریان بار است. محدوده ولتاژ ورودی یک رگولاتور خطی را می توان به صورت زیر بیان کرد:
که در آن Vdropout ولتاژ افت، Pmax حداکثر اتلاف توان قابل تحمل و Iload جریان بار است. همانطور که در این معادله مشاهده می‌کنیم، محدوده ولتاژ ورودی یک رگولاتور خطی وابسته به ولتاژ خروجی، ولتاژ دراپ و اتلاف توان است. به عنوان مثال، اگر ما یک ولتاژ خروجی 5 ولتی، ولتاژ دراپ 0.5 ولت، حداکثر اتلاف توان1وات، و یک جریان بار 0.5 آمپری داشته باشیم، معادله زیر برقرار می‌گردد:
این بدان معناست که محدوده ولتاژ ورودی این رگولاتور خطی تنها بین 5.5 ولت و 7 ولت است که بسیار کوچک است.
رگولاتور سوئیچینگ
رگولاتور سوئیچینگ دارای محدوده ولتاژ ورودی وسیعی است که به نوع تبدیل و مشخصات رگولاتور سوئیچینگ بستگی دارد. رگولاتور سوئیچینگ می‌تواند با ولتاژهای ورودی بالاتر یا کمتر از ولتاژ خروجی کار کند و این موضوع بسته به توپولوژی مبدل دارد.
مبدل‌های باک فقط می‌توانند ولتاژ ورودی را کاهش دهند و مبدل‌های بوست ولتاژ ورودی را افزایش می‌دهند، همچنین مبدل‌های باک بوست می‌توانند خروجی کمتر یا بیشتر از مقدار ورودی داشته باشند.
علاوه بر این رگولاتورهای سوئیچینگ می‌توانند تغییرات زیادی در ولتاژ ورودی را بدون تأثیر بر تنظیم ولتاژ خروجی کنترل کند. محدوده ولتاژ ورودی یک رگولاتور سوئیچینگ را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
که در آن Vmin حداقل ولتاژ ورودی و Vmax حداکثر ولتاژ ورودی است که رگولاتور سوئیچینگ می‌تواند تحمل کند، این مقادیر در برگه مشخصه رگولاتور سوئیچینگ قید می‌گردد. در این معادله، محدوده ولتاژ ورودی یک رگولاتور سوئیچینگ با حداقل و حداکثر ولتاژ ورودی که رگولاتور سوئیچینگ می تواند تحمل کند، نمایش داده شده است. برای این چنین رگولاتوری می‌توان ولتاژ خروجی 5 ولت را به ازای ولتاژ ورودی 7.4 ولت تا 60 ولت ایجاد کرد.
یعنی محدوده ولتاژ ورودی این رگولاتور سوئیچینگ بین 7.4 ولت تا 60 ولت است که بسیار وسیع است.
نتیجه
رگولاتورهای خطی و رگولاتورهای سوئیچینگ دو نوع مختلف از رگولاتورهای ولتاژ هستند که مزایا و معایب خاص خود را دارند. در بیان تفاوت رگولاتور خطی و سوئیچینگ باید بگوییم که رگولاتورهای خطی ساده‌تر، ارزان‌تر، کوچکتر و کم نویزتر از رگولاتورهای سوئیچینگ هستند، اما در عوض راندمان کمتری دارند، گرمای بیشتری تولید می‌کنند و دامنه ولتاژ ورودی باریک‌تری نسبت به رگولاتورهای سوئیچینگ دارند.
رگولاتورهای سوئیچینگ پیچیده‌تر، گران‌تر، بزرگ‌تر و پر نویزتر از رگولاتورهای خطی هستند، اما نسبت به رگولاتورهای خطی کارآمدترهستند، کمتر گرما تولید می‌کنند و دامنه ولتاژ ورودی وسیع‌تری دارند. انتخاب یک رگولاتور ولتاژ به الزامات طراحی و محدودیت‌های هر مدار الکترونیکی بستگی دارد.
یکی از مهمترین عوامل برای ساخت رگولاتور ولتاژ با کیفیت و مناسب، انتخاب آیسی رگولاتور مناسب است. شما می‌توانید برای مشاهده و خرید انواع رگولاتور خطی و سوئیچینگ اورجینال به وبسایت فروشگاه لیون الکترونیک مراجعه کنید و پس از بررسی، مدل مورد نیاز خود را انتخاب کنید. لیون الکترونیک در جهت فروش قطعات الکترونیکی در تهران فعالیت می‌کند و دارای وبسایت اینترنتی است و از هر کجای ایران می‌توانید از آن خرید انجام دهید.
نظرات کاربران