تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

پس از ورود به دنیای الکترونیک و آشنایی با قطعاتی مانند مقاومت، دیود و… که قطعات پایه هستند، لازم است شما با قطعات پرکاربردی مانند رگولاتور آشنا شوید و بدانید که رگولاتور ولتاژ چیست و چه کاربردی هایی دارد؟  تا بتوانید از آن طراحی مدارهایتان استفاده کنید.

 

رگولاتور ولتاژ چیست

 

رگولاتور ولتاژ که اغلب شما آن را از طریق قطعاتی مانند7805،7808،7812 و… میشناسید در اصل مداری است که برای حفظ سطح ولتاژ در یک مقدار ثابت طراحی شده است. بنابراین اگر شما نیاز به یک ولتاژ ثابت بدون نوسان در ورودی مدارتان دارید، باید از رگولاتوری که خروجی آن متناسب با نیاز شما است استفاده کنید تا به المان های مدارتان آسیبی نرسد!

 

علاوه بر این اگر شما در مدارتان قطعاتی با ولتاژ های مختلف دارید، میتوانید با قرار دادن رگولاتور مناسب در مسیر تغذیه این قطعات، ولتاژ مورد نیاز هر کدام از آنها را تامین کنید.برای درک بهتر این موضوع فرض کنید که ما مداری با ورودی 15 ولت داریم ، اما در این مدار به یک ولتاژ 12 ولت برای موتور، یک ولتاژ 5 ولت برای میکروکنترلر و یک ولتاژ 3.3 ولت برای راه اندازی سنسور داریم.

در چنین شرایطی ما میتوانیم به راحتی با کمک یک رگولاتور 7812، ولتاژ 15 ولت را به یک ولتاژ 12 ولتی برای راه اندازی موتور تبدیل کنیم و در ادامه با کمک رگولاتور هایی مانند 7805 و asm 1117 3.3v ولتاژ مورد نیاز برای راه اندازی میکروکنترلر و سنسور را به دست آوریم.

با استفاده از این روش برای تغذیه قطعاتمون به چند تا منبع تغذیه احتیاج نداریم و می تونیم با چند تا رگولاتور کل منابع تغذیه مدارمون رو تامین کنیم.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

رگولاتور ولتاژ خطی به دلیل قیمت پایین، ابعاد کوچک و خروجی مشخصی که دارد اغلب نسبت به مدارهای تنظیم کننده ی ولتاژ ساخته شده با قطعات گسسته ای مانند دیود زنر، مقاومت، ترانزیستور و آپ امپ کاربرد بیشتری دارد.

 

کاربرد رگولاتور ولتاژ

  • منبع تغذیه خطی
  • منبع تغذیه سوئچینگ
  • کنترل ولتاژ
  • کنترل جریان
  • ساخت منبع جریان

 

منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئچینگ

شمای کلی منابع تغذیه dc که اغلب از یک ترانسفورماتور کاهنده ، یک یکسوساز دیودی نیم موج یا تمام موج، یک فیلتر ( برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی ) و تعدادی تنظیم کننده ولتاژ خطی یا سوئیچینگ برای تنظیم صحیح ولتاژ خروجی در شرایط تغییر بار تشکیل می‌شوند، به شکل زیر است:

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

وظیفه هر کدام از بلوک های منابع تغذیه dc را بعدا به طور مفصل در مطلب آموزشی با عنوان ” منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ” براتون توضیح میدیم اما اگر به تصویر بالا کمی دقت کنید خواهید دید که رگولاتور های ولتاژ خطی یا سوئیچینگ اغلب، آخرین بلوک منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ را تشکیل میدهند!

 

انواع رگولاتور ولتاژ

میدانیم که منابع تغذیهdc  موجود در اغلب دستگاه ها و مدارات الکترونیکی ولتاژ DC مورد نیاز خود را از برق شهری تامین میکنند، با این حساب اگر جریان بار و یا ولتاژ برق شهری تغییر کند، با ولتاژ خروجی منبع تغذیه نیز تغییر میکنند. بروز چنین مشکلی ممکن است باعث خرابی وسایل ما بشود. بنابراین برای رفع این اشکال باید ولتاژ خروجی را تثبیت کنیم. ما این کار را از طریق مدل های مختلف رگولاتور های ولتاژ انجام میدهیم .این مدل ها به دو دسته کلی تقسیم میشوند و این دسته ها  عبارتند از :

  • رگولاتور های خطی
  • رگولاتور های سوئیچینگ

 

در هر دو نوع این رگولاتور ها سه کلاس اصلی وجود دارد : 1.گولاتور های مثبت که مربوط به ولتاژ ورودی مثبت هستند 2. رگولاتور های منفی که مربوط به ولتاژ ورودی منفی هستند و 3. رگولاتور های ولتاژ دوگانه که مربوط به تنظیم هر دو (ولتاژ منفی و مثبت) هستند.

علاوه بر مدل های گفته شده که بر حسب علامت ولتاژ ورودی از هم تفکیک میشوند، رگولاتور های قابل تنظیمی نیز وجود دارند که در آن هر یک از موارد بالا ممکن است وجود داشته باشد.

 

رگولاتور های خطی

زمانی که نیاز به یک  ولتاژ ثابت و مشخص داریم استفاده از رگولاتور های خطی یکی از اولین راه ها است، زیرا رگولاتور های خطی برای استفاده در توان های پایین و مدارات کم هزینه و در شرایطی که اختلاف بین ورودی و خروجی کم می باشد، بهترین گزینه می باشد.

 

 رگولاتور زنری

دیود زنر قطعه ای پر کاربرد در محصولات الکترونیکی است که اصلی ترین کاربرد آن تثبیت ولتاژ است، بنابراین میتوان با تکیه بر این کاربرد دیود زنر از آن برای ساخت تنظیم کننده ولتاژ زنری کمک گرفت. اما نباید فراموش کنید که این دیود ها در معمولا در توان های پایین در بازار عرضه میشوند، بنابراین جریان آنها نیز کم است و  شما میتوانید حداکثر جریان عبوری از این دیود ها را از تقسیم توان آنها بر ولتاژ تثبیت آنها به دست آورید.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

کنترل جریان و ولتاژ :

میدانیم که دیود زنر هم مانند مابقی انواع دیود یک قطعه فعال است پس برای فعال شدن نیاز به یک ولتاژ مشخص دارد ( این ولتاژ  همان ولتاژ نوشته شده در دیتاشیت دیود است ) پس زمانی که در مدار بالا ولتاژی به مدار اعمال شود، مقدار مشخصی از آن صرف فعال کردن دیود زنر میشود!

 

تا زمانی که Vin(ولتاژ ورودی) از) Vzولتاژ مصرفی دیود) بزرگتر باشد، جریان در مدار رگولاتور زنری برقرار میشود، در غیر این صورت دیود اصلا فعال نمیشود!

 

از آنجایی که مقاومت یک قطعه پسیو است، مابقی ولتاژ    (  ولتاژ لازم برای فعال شدن دیود – ولتاژی ورودی ) روی دوسر مقاومت سری شده با دیود زنر می افتد! پس شما میتوانید با تغییر مقدار مقاومت محدود کننده سری شده با زنر، از افزایش جریان زنر به بیش از حد اکثر مجاز Iz max جلوگیری کنید.

علاوه بر این با انتخاب مقدار بار مناسب ما میتوانیم جریان بار را کنترل کنیم و از همین طریق ولتاژ دوسر بار را ثابت نگه داریم.
در این نوع از رگلاتور ها ولتاژ خروجی در این رگلاتور برابر ولتاژ زینر است!
عیب رگلاتور های ولتاژ زنری این است که در جریانهای زیاد نمی توان از آن استفاده نمود، مگر این که بار موازی شده با دیود زنر جریان بیشتری از خود عبور بدهد و از سوختن دیود جلوگیری کند ( جریانی بیشتر از i_(z max)از دیود عبور نکند ) .
ولتاژ خروجی رگولاتور ولتاژ زنری همواره کمتر از ولتاژ ورودی آن است. علاوه بر این، این نوع رگولاتور نیاز به فضای زیادی هم دارد.

 

رگولاتور ترانزیستوری

همانطور که پیش تر گفتیم زنر و مقاومت سری ( رگولاتور زنری ) برای توان های بسیار کم کاربرد دارد، زیرا در این رگولاتور ها هر چه مقدار مقاومت سری شده با زنر بیشتر باشد، تثبیت ولتاژ بهتر انجام می شود، اما به دلیل تلفات مقاومت، جریان کمتری از این نوع رگولاتور ها عبور میکند!

بنابراین اگر برای توان های بالاتر نیاز به یک رگولاتور دارید میتوانید از ولتاژ تثبیت شده زنر و مقاومت بزرگ سری شده با دیود زنر، به منظور تحریک بیس ترانزیستور استفاده کنید، با این کار میتوانید توان بیشتری از ترانزیستور عبور بدهید!

 

زیرا وظیفه ترانزیستور در حالت امیتر مشترک تقویت سیگنال است، بنابراین شما می توانید با اعمال یک جریان کوچک، جریان بیشتری را از ترانزیستور عبور بدهید!

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

همانطور که قبلا گفتیم، در این نوع رگلاتور از ترانزیستور برای تقویت جریان بار استفاده می شود.
عیب این رگلاتور این است که در جریانهای زیاد نمی توان از آن استفاده کرد، زیرا وقتی ولتاژ خروجی افزایش پیدا کند، ولتاژ بیس امیتر کاهش پیدا می کند و به همین دلیل ترانزیستور جریان کمتری عبور می دهد.
شما می توانید از رابطه زیر برای محاسبه حداقل مقاومت Rs از رابطه زیر استفاده کنید.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

رگولاتور ترانزیستوری با زوج دارلینگتون

بعضی اوقات جریان عبوری از ترازیستور رگولاتوری زیاد است و نیاز به ترانزیستوری با پکیج های بزرگ مثل TO220 و To247 می باشد. این ترانزیستور ها جریان بیشتر نسبت به ترانزیستور های سیگنال مصرف می کنند و تلفات بیشتری بر روی RS ایجاد می کند، برای رفع این مشکل می توان از زوج دارلینگتون استفاده کرد!

همانطور که در زوج دارلینگتون شکل زیر میبینید، کاتد دیود زنر به بیس ترانزیستور کوچک اول متصل می شود و این امیتر ترانزیستور کوچک، جریان لازم برای برای بیس ترانزیستور قدرت بزرگ که جریان عبوری از کلکتور و امیتر اش زیاد است را فراهم می کند.

با زوج دارلینگتون می توان مقاومت توان پایین به صورت سری با دیود زنر استفاده کرد.

 

توجه داشته باشید که دو بار افت ولتاژ ۰.۷ ولت از زنر کم می شود و بر روی امیتر ترانزیستور قدرت ظاهر می شود. برای رفع این عیب 2راه داریم:

  • می توانیم مقاومت سری را کمتر انتخاب کنیم تا ولتاژ بیس به Vs نزدیکتر شود
  • یا از زنر با ولتاژ بالاتر استفاده کنیم.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

هم در مدار رگولاتور زنری هم در مدار رگولاتور ترانزیستوری، لازم است برای حذف نویز و اعوجاج های زنر یک خازن الکترولیت با ظرفیت بالاتر از ۱۰ میکرو فاراد را با زنر موازی کنیم.

 

رگلاتورهای ترانزیستوری با مدارفیدبک

در این ر رگولاتور ولتاژ توسط مدار نمونه گیر از خروجی نمونه ای گرفته می شود این نمونه در مدار مقایسه کننده با ولتاژ منبع مقایسه می شود در صورتی که ولتاژ خروجی تغییر کرده باشد. از مقایسه ولتاژ خروجی و ولتاژ منبع ولتاژ خطایی به تقویت کننده جریان اصلی داده می شود و باعث می شود خروجی اصلاح گردد.

 

هر گاه ولتاژ خروجی کم شود ولتاژ مدار نمونه گیر کم می شود بنابراین ولتاژ B ترانزیستور مقایسه کننده کاهش می یابد در نتیجه ولتاژ C آن زیاد می شود تا ولتاژB افزایش یابد، همین مسئله نیز باعث افزایش خروجی می شود!

زمانی که ولتاژ خروجی زیاد می شود عکس مراحل فوق اتفاق می افتد، یعنی برای تنظیم ولتاژ خروجی باید یکی از مقاومتهای مدار نمونه گیر را متغیر انتخاب کنیم.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

رگولاتور آیسی

رگولاتور ولتاژ آیسی در اصل مدارمجتمعی هستند که با کمک عناصری مانند دیودهای زنر، ولتاژ را تثبیت می کنند. این رگولاتور های دارای دو نوع ولتاژ خروجی ثابت و متغیر می باشند:
یک مدار رگولاتور سری اپ امپی در تصویر زیر نشان داده شده است.

رگولاتور ولتاژ ثابت : اگر با تغییر ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی تغییری نکند به آن رگولاتور ولتاژ ثابت می گویند

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

انواع سری رگولاتور

• رگولاتور های مثبت : این رگولاتور های مانند رگولاتور های سری 78xx دارای ولتاژ خروجی مثبت هستند. برخی از رنج های متداول آی سی های رگولاتور سری 78xx عبارتند از : 7805 , 7806 , 7808 , 7809 , 7810 , 7812 , 7815 , 7818

• رگولاتور های منفی : این رگولاتور های مانند رگولاتور های سری 79xx دارای ولتاژ خروجی منفی هستند. برخی از رنج های متداول آی سی های رگولاتور سری 79xx عبارتند از : 7905 , 7906 , 7908 , 7912 , 7915 , 7924

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

هر دو رقم بعد از اعداد 78 و 79 در رگولاتور ولتاژ نشان دهنده ولتاژ آی سی می باشد. به عنوان مثال 7808 یک رگولاتور با ولتاژ خروجی ثابت 8 ولت مثبت می باشد.
هر ورودی رگولاتور های سری منفی حتما منفی هست یعنی شما نمیتونید به یه رگولاتور 7915 یه ولتاژ ورودی 18+ ولت بدید.

 

فراموش نکنید که ولتاژ ورودی ر رگولاتور ولتاژ ا باید در حد مشخصی از ولتاژ خروجی آنها بیشتر باید باشد. یعنی به عنوان مثال اگر به یک رگولاتور 7805 ولتاژ 3 ولت بدهید طبیعی است که خروجی به شما 5 ولت نمیدهد ولی اگر حتی 5 یا 6 ولت هم به آن بدهید باز به شما 5 ولت نمیدهد و خروجی آن چیزی حدود 4 تا 4.5 ولت است که علت آن هم تلفات ترانزیستوری است که در رگولاتور اتفاق میفتد. در جدول زیر ولتاژ حداقلی لازم برای خروجی مطلوب رگولاتور های پر مصرفی مانند 7805 برای شما آورده شده است.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

رگولاتور ولتاژ دوگانه : این رگولاتور ها هم دارای ولتاژ خروجی مثبت هستند هم دارای ولتاژ خروجی منفی.

 

رگولاتور ولتاژ متغیر

دسته از رگولاتور ها هستن که خروجیشون  ( بسته به مدار واسطی که توی دیتاشیتشون اومده ) تغییر میکنه. برای مثال اگر شما یه مقاومت 10 کیلو با یه خازن 100 نانو بذارید سر راهش، توی خروجی یه ولتاژ ثابت مشخص به شما میده و اگه یه مقاوت 2.2 کیلو و یه خازن 10 پیکو بذارید سر راهش، توی خروجی یه ولتاژ ثابت دیگه به شما میده.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

باید توجه داشت که حداکثر جریانی که از یک آیسی رگولاتور معمولی میتوان دریافت کرد در حدود یک آمپر است و در صورت کشیدن جریانی بیشتر آی سی گرم میکند و باید برای آن رادیاتور خنک کننده قرار داد تا از سوختن آیسی جلوگیری شود. ( رادیاتور میتواند از ورقه آلومینیوم به ضخامت یک میلیمتر و ابعاد ۵*۱۰ ساخته شود و سپس بوسیله پیچ و مهره بر روی آیسی نصب گردد ) .

 

رگولاتور های سوئیچینگ

 اساساً سه نوع رگولاتور سوئیچینگ وجود دارد و عواملی که باید در نظر گرفته شوند بستگی به این دارد که کدام یک برای کاربرد شما استفاده شود. این سه نوع عبارتند از:

 

رگولاتور های باک

  • مبدل باک نوعی منبع تغذیه سوئیچینگ است که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ مشخص به سطح ولتاژی پایین‌تر تبدیل می‌کند.
  • در مبدل باک یک ترانزیستور به صورت سری با منبع ورودی قرار گرفته است.
  • ولتاژ‌ خروجی مبدل باک همیشه کمتر از ولتاژ‌ ورودی آن است.
  • پلاریته ولتاژ در این مبدل تغیر نمیکند.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

در مبدل باک، ترانزیستور سریTR1  وظیفه کنترل ولتاژ خروجی را بر عهده دارد. بنابراین مبدل باک بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 روشن یا خاموش باشد، دو وضعیت عملکرد دارد:

  • وقتی ترانزیستور هدایت کند، جریان از منبع کشیده می‌شود
  • هنگامی که هدایت نکند، جریان توسط سلف تأمین خواهد شد.

توجه کنید که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت باشد.

 

از آنجایی که ترانزیستور به طور مداوم خاموش و روشن می‌شود، مقدار ولتاژ‌ خروجی میانگین آن را می‌توان با استفاده از پارامتری به نام سیکل وظیفه (Duty Cycle) تعیین کرد. سیکل وظیفه برابر است با نسبت زمان هدایت ترانزیستور به مجموع زمان هدایت و قطع آن.

اگر VIN ولتاژ ورودی باشد و مدت زمان روشن (tON) و خاموش بودن ترانزیستور (tOFF) باشد، ولتاژ‌ خروجی مبدل باک به صورت زیر قابل بیان است:

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

در مبدل باک ولتاژ خروجی همواره از ولتاژ ورودی کوچکتر است، زیرا همواره در مقداری کوچکتر از 1 قرار دارد.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

هرچه سیکل کاری زیاد شود، ولتاژ خروجی DC میانگین منبع تغذیه سوئیچینگ نیز افزایش می‌یابد.
یکی از مزایای مبدل باک این است که ترکیب سلف و خازن آن سبب فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد.
در حالت ایده‌آل، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ پیوسته کار کند و جریان سلف هیچ‌گاه صفر نشود. بنابراین اگر عناصر مدار ایده‌آل باشند، در وضعیت ON سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد است.

 

رگولاتور های بوست

  • مبدل بوست یک منبع تغذیه سوئیچینگ است و به گونه‌ای طراحی شده که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ‌ معین به سطح ولتاژ بالاتری تبدیل می‌کند.
  • در مبدل بوست یک ترانزیستور وجود دارد که به صورت موازی با ورودی در مدار قرار می‌گیرد.
  • در مبدل بوست، ولتاژ خروجی همواره بزرگتر از ولتاژ ورودی است.
  • پلاریته ولتاژ در این مبدل تغیر نمیکند.

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

  • در مدار مبدل بوست وقتی ترانزیستور ON باشد، هیچ بخشی از جریان به بار منتقل نمی‌شود؛ زیرا در این حالت ترانزیستور اشباع شده و مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند. بنابراین، جریان گذرنده از سلف زیاد می‌شود و خازن در بار تخلیه می‌شود.
  • در مدار مبدل بوست وقتی ترانزیستور OFF‌ شود، میدان سلف کاهش می‌یابد و انرژی ذخیره شده آن از طریق دیودی که اکنون بایاس مستقیم است و هدایت می‌کند به خروجی انتقال می‌یابد. در نتیجه، ولتاژ‌ القایی سلف L1 معکوس شده و با ولتاژ ورودی جمع می‌شود. در نتیجه، ولتاژ خروجی برابر با VIN +VL خواهد بود.

 

از آن‌جایی که وضعیت دیود همواره بین بایاس معکوس و مستقیم تغییر می‌کند، جریانی تغذیه کننده خازن همواره قطع و وصل می‌شود. در نتیجه، خازن خروجی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند ولتاژ خروجی را هموار کند.ولتاژی که از طریق رابطه زیر محاسبه می‌شود:

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

ولتاژ خروجی مبدل بوست هم مانند مبدل باک به ولتاژ ورودی و سیکل وظیفه بستگی دارد. بنابراین، با کنترل سیکل وظیفه تنظیم خروجی امکان پذیر خواهد بود.
اندازه ولتاژ خروجی مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی است.
مبدل‌های بوست اغلب در مدارهای خازنی مانند شارژ باتری، فلاش دوربین و… به کار می‌روند تا وقتی سوئیج بسته است، خازن همه جریان بار را تأمین کند.

 

رگولاتور های باک بوست

  • رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل باک و بوست است .
  • پلاریته ولتاژ‌ خروجی این نوع رگولاتور معکوس (منفی) ولتاژ ورودی است
  • اندازه ولتاژ خرجی هم می‌تواند بزرگتر از ولتاژ ورودی باشد هم کوچکتر .

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

در مبدل های باک بوست وقتی ترانزیستور ON باشد، انرژی از منبع DC به بار منتقل می‌شود و وقتی OFF شود انرژی سلف به بار منتقل خواهد شد. بنابراین، در حالتی که ترانزیستور OFF است، ولتاژ بار برابر با ولتاژ سلف خواهد بود. در نتیجه، ولتاژ‌ خروجی معکوس می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر و یا مساوی با اندازه ولتاژ‌ منبع DC ورودی باشد!

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

پکیج رگولاتور ولتاژ

در پایان برای شما تصویری از پکیج های مختلف رگولاتور های ولتاژ آماده کرده ام، زیرا در زمان طراحی مدار و تهیه قطعات حتما شما باید با این پکیج ها آشنا باشید تا بتوانید بهترین قطعه را انتخاب و تهیه کنید!

 

تنظیم کننده های ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ

 

امیدواریم که از این آموزش و مطالب گفته شده درباره ” رگولاتور ولتاژ و انواع ” آن لذت برده باشید  ?

مقالات مرتبط

مقالات مرتبط

سلف

سلف

دقیقه
مطالعه

16
مشاهده

24419 

اگر می‌خواهید از آخرین و محبوب‌ترین مقالات ما در ایمیل خود مطلع شوید، همین الان ایمیل و شماره موبایل خود را در کادر زیر وارد کنید:
این فیلد برای اعتبار سنجی است و باید بدون تغییر باقی بماند .
تعداد علاقه مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده اند: 3,594 نفر

17 − یک =