رگولاتور ولتاژ – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator) یا تنظیم کننده‌ ولتاژ فیدبک، سیستمی است که به منظور حفظ سطح ولتاژ در یک مقدار ثابت طراحی می‌شود. یک رگولاتور ولتاژ ممکن است از یک طراحی ساده پیش‌خور (Feed-forward) بهره ببرد و یا در مدار خود شامل فیدبک منفی باشد. همچنین امکان دارد یک رگولاتور ولتاژ از یک مکانیزم الکترومکانیکی و یا المان‌های الکتریکی استفاده کند. بسته به طراحی، یک رگولاتور ولتاژ می‌تواند یک یا دو ولتاژ DC یا AC را تنظیم کند.

رگولاتورهای ولتاژ الکترونیکی در وسایلی مختلفی از جمله منبع تغذیه کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این حالت توسط رگولاتور، ولتاژهای DC در پردازنده و سایر بخش‌ها تعدیل و تنظیم می‌شوند. در دینام خودرو نیز رگولاتورهای ولتاژ، میزان ولتاژ خروجی را کنترل می‌کنند. در یک سیستم توزیع الکتریکی، رگولاتورهای ولتاژ در پست‌ها و یا در طول خطوط توزیع نصب می‌شوند تا تمام مشترکین مقدار ولتاژ ثابتی را مستقل از این‌که چه مقدار توان از خط کشیده شود، دریافت کنند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مختلف مدارات تنظیم کننده ولتاژ فیدبک با اپ امپ و طرز کار آن‌ها بپردازیم. انواع دیگر رگولاتورهای ولتاژ در مطالب مجزا مورد بحث قرار خواهد گرفت.

رگولاسیون بار

زمانی که ولتاژ DC ورودی تغییر می‌کند، یک مدار الکترونیکی که رگولاتور ولتاژ یا رگولاتور نام دارد، سطح ولتاژ خروجی را ثابت نگه می‌دارد.

نمایی از این مدار در تصویر زیر نشان داده شده است.

رگولاسیون خط (Line Regulation) را می‌توان به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای تغییرات در ولتاژ خط ورودی تعریف کرد. زمانی که بازه‌ای از مقادیر ولتاژ ورودی را داشته باشیم، رگولاتور خط به صورت درصد و بر حسب عبارت زیر محاسبه می‌شود:

$$( \frac {\triangle V_{OUT}} {\triangle V_{IN}} ) \; 100 \%$$

زمانی که به دلیل مقاومت متغیر بار، مقدار جریان عبوری از آن بار تغییر کند، وظیفه تنظیم کننده ولتاژ این است که سطح ولتاژ در دو سر بار را در یک حد ثابت نگه دارد. در تصویر زیر شماتیکی از یک رگولاتور بار را می‌توان مشاهده کرد.

همان طور که در تصویر بالا مشاهده می‌شود، هر تغییری در جریان بار در عمل هیچ تاثیری روی ولتاژ خروجی یک رگولاتور ندارد.

رگولاسیون بار (Load Regulation) را می‌توان به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای تغییرات داده شده در جریان بار تعریف کرد. یک راه برای بیان کردن رگولاتور بار به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی از حالت بی باری (No-Load) تا بار کامل (Full-Load) است. بر اساس این تعریف درصد رگولاتور بار به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$Load \; Regulation = (\frac {V_{NL} – V_{FL}} {V_{FL}}) \; 100 \%$$

یک راه دیگر برای تعریف رگولاتور بار، بیان آن بر اساس درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای هر میلی آمپر تغییر در جریان بار است. به عنوان مثال، یک رگولاسیون بار به اندازه ۰٫۰۱٪ بر میلی آمپر، به این معنی است که هنگامی که جریان بار ۱ میلی آمپر افزایش یا کاهش یابد، ولتاژ خروجی به اندازه ۰٫۰۱ درصد تغییر می‌کند.

گاهی اوقات کارخانه سازنده منبع تغذیه، به جای تعریف رگولاسیون بار، مقدار معادلی از مقاومت خروجی ($$R_{OUT}$$) منبع تغذیه را مشخص می‌کند. در مبحث مدار معادل تونن به این موضوع پرداختیم که می‌توان برای هر مدار خطی دو ترمینالی یا دو پورتی، مدار معادلی را ترسیم کرد که مدار معادل تونن نام دارد. در شکل زیر نمایی از مدار معادل تونن یک منبع تغذیه با مقاومت بار نشان داده شده است.

ولتاژ تونن برابر با ولتاژ منبع تغذیه در حالت بی باری ($$V_{NL}$$) و مقاومت تونن برابر با مقدار مقاومت مشخص خروجی ($$R_{OUT}$$) است. در حالت ایده‌آل، مقدار مقاومت خروجی متناظر با رگولاسیون بار ۰ درصد، برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود. اما در عمل، مقدار مقاومت خروجی یک منبع تغذیه مقدار کوچکی است و هیچ گاه به صورت کامل صفر نخواهد شد. مقدار ولتاژ خروجی با در نظر گرفتن مقدار مقاومت بار را می‌توان با استفاده از معادله مدار مقسم ولتاژ به صورت زیر محاسبه کرد:

$$V_{OUT} = V_{NL} \; (\frac {R_L} {R_{OUT} + R_{L}})$$

اگر در مدار مقدار مقاومت بار کامل ($$R_{FL}$$) برابر با مقدار مقاومت بار باشد، آن‌گاه مقدار ولتاژ خروجی بار کامل به صورت زیر به دست می‌آید:

$$V_{FL} = V_{NL} (\frac {R_{FL}} {R_{OUT} + R_{FL}})$$

حال با جایگذاری مقدار مقاومت بی باری به جای مقدار مقاومت بار کامل در معادله بالا داریم:

$$V_{NL} = V_{FL} \; (\frac{R_{OUT} + R_{FL}} {R_{FL}})$$

درنتیجه داریم:

$$Load \; Regulation = \frac{V_{FL} (\frac {R_{OUT} + R_{FL}} {R_{FL}}) – V_{FL}} {V_{FL}} \times 100 \% \\ = (\frac {R_{OUT} + R_{FL}} {R_{FL}} - 1) \; 100 \%$$

حال می‌توان نوشت:

$$Load \; Regulation = (\frac {R_{OUT}} {R_{FL}}) \; 100 \%$$

معادله بالا روشی بسیار عالی برای محاسبه درصد رگولاسیون بار محسوب می‌شود که از مقاومت خروجی و کمینه مقدار مقاومت بار استفاده می‌کند.

رگولاتور ولتاژ سری

رگولاتور سری (Series Regulator) نوعی از رگولاتورهای ولتاژ محسوب می‌شود که المان کنترلی به صورت سری با بار خروجی قرار می‌گیرد. یک شماتیک از رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال به همراه بلوک دیاگرام آن را می‌توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

در بلوک دیاگرام تصویر بالا، المان‌های اساسی یک رگولاتور سری نشان داده شده است. المان آشکارساز خطا (Error Detector) معمولا یک تقویت‌کننده عملیاتی یا اپ امپ است که به عنوان یک مقایسه کننده عمل می‌کند.

فیلم آموزش تنظیم کننده های ولتاژ در الکترونیک ۲ (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

همچنین در این رگولاتور، از ترانزیستورهای قدرت به عنوان المان کنترلی استفاده می‌شود. مدار آشکارساز خطا یک نمونه از خروجی را با مقدار ولتاژ مرجع مقایسه می‌کند و المان ضروری برای جبران‌سازی را فراهم می‌آورد. به عبارت دیگر، با استفاده از مقدار خطای به دست آمده و جبران آن، می‌توان ولتاژ خروجی را در یک سطح ثابت حفظ کرد.

فرایند رگولاسیون

یک مدار رگولاتور سری اپ امپی در تصویر زیر نشان داده شده است.

در این قسمت می‌خواهیم عملکرد این مدار را توضیح دهیم. مدار مقسم ولتاژ مقاومتی که از مقاومت‌های $$R_2$$ و $$R_3$$ تشکیل شده است، هر تغییری در ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. زمانی که $$V_{IN}$$ کاهش ‌یابد و یا به علت کاهش $$R_L$$، جریان بار $$I_L$$ افزایش یابد، آن‌گاه مقدار ولتاژ اعمالی به ورودی‌های معکوس‌کننده اپ امپ از طریق مدار مقسم ولتاژ نیز به صورت متناسب کاهش می‌یابد و در نتیجه ولتاژ خروجی در حال کاهش خواهد بود.

چون دیود زنر $$D_1$$ سایر ورودی‌های اپ امپ را تقریبا در ولتاژ مرجع ($$V_{REF}$$) ثابت نگه می‌دارد، در نتیجه یک ولتاژ تفاضلی کوچک که به ولتاژ خطا معروف است، در ورودی‌های اپ امپ به وجود می‌آید. این ولتاژ خطا تقویت می‌شود و در نتیجه ولتاژ خروجی اپ امپ یعنی $$V_B$$ افزایش می‌یابد. این افزایش خروجی به بیس $$Q_1$$ اعمال می‌شود و باعث می‌شود ولتاژ امیتر ($$V_{OUT}$$) افزایش یابد. این روند تا زمانی ادامه می‌یابد که ولتاژ ورودی معکوس‌کننده مجددا با مقدار ولتاژ مرجع برابر شود.

این عمل باعث می‌شود ولتاژ خروجی که در آستانه کاهش بود، تنظیم شود و بنابراین مقدار این ولتاژ تقریبا ثابت حفظ می‌شود. ترانزیستور قدرت $$Q_1$$ معمولا با یک صفحه حرارتی (Heat Sink) مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا این ترانزیستور باید تمام جریان بار را کنترل کند.

هنگامی که مقدار ولتاژ ورودی افزایش یابد نیز دقیقا معکوس این عملیات انجام می‌گیرد و در نتیجه ولتاژ خروجی توسط رگولاتور سری ولتاژ در سطح ثابتی حفظ می‌شود. در شکل زیر شماتیکی از نحوه کار مدار در هر دو حالت افزایش و کاهش ولتاژ ورودی نشان داده شده است.

اپ امپ در مدار رگولاتور ولتاژ سری به صورت تقویت‌کننده معکوس ‌کننده متصل شده است. در این مدار، ولتاژ مرجع $$V_{REF}$$ ورودی ترمینال غیر معکوس‌کننده اپ امپ است و مقسم ولتاژ متشکل از مقاومت‌های $$R_2$$ و $$R_3$$ یک مدار فیدبک منفی را به وجود می‌آورند. بهره ولتاژ حلقه بسته در این مدار برابر است با:

$$A_{cl} = 1+ \frac {R_2} {R_3}$$

بنابراین مقدار ولتاژ تثبیت شده برابر با مقدار زیر خواهد بود:

$$V_{OUT} = (1 + \frac {R_2} {R_3}) V_{REF}$$

با استفاده از این آنالیز، می‌توان به این نتیجه رسید که ولتاژ خروجی توسط ولتاژ زنر و مقاومت‌های $$R_2$$ و $$R_3$$ تعیین می‌شود. مقدار این ولتاژ تقریبا از ولتاژ ورودی مستقل است و بنابراین مدار به عنوان رگولاتور ولتاژ به خوبی عمل می‌کند.

مثال ۱

مقدار ولتاژ خروجی مدار رگولاسیون زیر را به دست آورید.

راه حل

مقدار ولتاژ مرجع برابر با ولتاژ دیود زنر یعنی $$V_{REF} = 5.1 V$$ است. بنابراین داریم:

$$V_{OUT} = (1 + \frac {R_2} {R_3}) V_{REF} = (1 + \frac {10 K\Omega} {10 K \Omega}) \; 5.1 V = 10.2 V$$

محافظ مدار در برابر اتصال کوتاه یا اضافه جریان

اگر در یک مدار مقدار جریان بار بیش از اندازه باشد، المان کنترلی (ترانزیستور) سریعا آسیب می‌بیند و از بین می‌رود. در اغلب رگولاتور‌های ولتاژ از یک نوع مدار محافظ در برابر اضافه جریان استفاده می‌شود که این مدارات به عنوان یک مکانیزم محدود کننده جریان (Current-Limiting) عمل می‌کنند.

در تصویر زیر یک مدار رگولاتور سری با محدود کننده جریان ثابت نشان داده شده است.

در مدار بالا، از یک روش برای محدود کردن جریان استفاده شده است که از به وجود آمدن اضافه بار در مدار جلوگیری می‌کند. این روش محدود کننده جریان ثابت نام دارد. مدار محدود کننده جریان از ترانزیستور $$Q_2$$ و مقاومت $$R_4$$ تشکیل شده است. عبور جریان بار از مقاومت $$R_4$$ باعث ایجاد ولتاژ در طول بیس و امیتر ترانزیستور $$Q_2$$ می‌شود. زمانی که $$I_L$$ به مقدار بیشینه از پیش تعیین‌شده برسد، افت ولتاژ در طول مقاومت $$R_4$$ به اندازه کافی خواهد بود تا پیوند بیس امیتر ترانزیستور $$Q_2$$ را در بایاس مستقیم قرار دهد و ترانزیستور را وارد مود هدایت کند.

مقدار کافی از جریان بیس ترانزیستور $$Q_1$$ به کلکتور ترانزیستور $$Q_2$$ هدایت می‌شود، بنابراین مقدار جریان بار در بیشینه مجاز آن یعنی $$I_{L(max)}$$ محدود باقی خواهد ماند. چون ولتاژ بیس امیتر ترانزیستور $$Q_2$$ برای ترانزیستورهای سیلیکونی، نمی‌تواند از ۰٫۷ ولت عبور کند، در نتیجه ولتاژ در طول مقاومت $$R_4$$ نیز در همین مقدار حفظ می‌شود و جریان بار در مقدار زیر محدود می‌شود:

$$I_{L(max)} = \frac {0.7 v} {R_4}$$

رگولاتور شنت ساده

همان طور که بیان کردیم، در رگولاتور ولتاژ سری المان کنترلی از یک ترانزیستور تشکیل می‌شود. یک شماتیک ساده و اجزای اساسی از رگولاتور خطی شنت یا موازی (Shunt Linear Regulator) نشان داده شده است.

در تصویر زیر مدار ساده رگولاتور شنت با استفاده از اپ امپ دیده می‌شود.

بر اساس شکل بالا، در رگولاتور شنت ساده، المان کنترلی یک ترانزیستور ($$Q_۱$$) است که به صورت موازی با بار قرار گرفته است. یک مقاومت سری $$R_1$$ نیز در مدار وجود دارد که با بار سری است. عملکرد مدار بسیار شبیه به عملکرد مدار رگولاتور سری است و تفاوت آن‌ها در این است که در رگولاتور شنت جریان از طریق ترانزیستور موازی $$Q_1$$ کنترل می‌شود.

زمانی که ولتاژ خروجی به دلیل تغییر در ولتاژ ورودی و یا جریان بار، در آستانه کاهش قرار می‌گیرد، مقاومت‌های $$R_3$$ و $$R_4$$ این تغییر را اندازه می‌گیرند و به ورودی‌های غیر معکوس‌کننده اپ امپ اعمال می‌کنند. اختلاف به وجود آمده در ولتاژ، خروجی $$V_B$$ اپ امپ را کاهش می‌دهد و در نتیجه مقدار کمتری به ترانزیستور $$Q_1$$ وارد شده و جریان کلکتور آن کاهش می‌یابد و مقاومت داخلی کلکتور به امیتر آن یعنی $$r_{CE}^\prime$$ افزایش می‌یابد. چون مقاومت $$r_{CE}^\prime$$ با مقاومت $$R_1$$ مانند یک مقسم ولتاژ عمل می‌کند، در نتیجه از کاهش ولتاژ خروجی $$V_{OUT}$$ جلوگیری می‌کند و آن را در یک سطح ثابت نگه می‌دارد.

عکس این عملیات زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ خروجی در آستانه افزایش باشد. نمایی از عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود افزایش و کاهش ولتاژ ورودی و مقاومت بار در تصویر زیر نشان داده شده است.

زمانی که جریان بار و ولتاژ خروجی ثابت باشند، تغییر در ولتاژ ورودی باعث تغییر در جریان شنت ($$I_S$$) می‌شود. مقدار این تغییر بر اساس رابطه زیر به دست می‌آید:

$$\triangle I_S = \frac {\triangle V_{IN}} {R_1}$$

اگر مقدار ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی در این مدار ثابت باشد، آن گاه تغییر در جریان بار با عث ایجاد تغییری مخالف در جریان شنت می‌شود. مقدار این تغییر به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\triangle I_S = - \triangle I_L$$

مفهوم فرمول بالا به این صورت است که اگر جریان بار افزایش یابد، مقدار جریان شنت کاهش می‌یابد و اگر جریان بار کاهش یابد، جریان شنت افزایش می‌یابد.

مدار رگولاتور شنت نسبت به مدار رگولاتور سری دارای راندمان کمتری است، اما مزیتی که رگولاتور شنت دارد در این است که به صورت خودکار می‌تواند در برابر اتصال کوتاه از مدار محافظت کند. اگر خروجی اتصال کوتاه شود ($$V_{OUT} = 0$$)، آن‌گاه جریان بار توسط مقاومت سری $$R_1$$ به بیشینه خود ($$I_S = 0$$) محدود می‌شود.

مثال ۲

در مدار شکل زیر، اگر بیشینه ولتاژ ورودی برابر با ۱۲٫۵ ولت باشد، مقاومت $$R_1$$ چه مقدار توان باید داشته باشد.

راه حل

بیشترین مقدار اتلاف توان در مقاومت $$R_1$$ زمانی به وجود می‌آید که خروجی اتصال کوتاه شود و $$V_{OUT}$$ برابر با صفر شود. زمانی که $$V_{IN}$$ برابر با ۱۲٫۵ ولت باشد، مقدار افت ولتاژ در طول مقاومت $$R_1$$ برابر است با:

$$V_{IN} - V_{OUT} = 12.5 V$$

اتلاف توان در مقاومت $$R_1$$ به صورت زیر به دست می‌آید:

$$P_{R_1} = \frac {V_{R_1}^2} {R_1} = \frac {(12.5 V)^2} {22 \Omega} = 7.1 W$$

بنابراین یک مقاومت با حداقل توان ۱۰ وات باید مورد استفاده قرار گیرد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• فیدبک (Feedback) در سیستم های کنترل — مفاهیم اصلی
• مقاومت پول آپ — از صفر تا صد
• مدار واسط ورودی — راهنمای جامع
• اشمیت تریگر با اپ امپ — از صفر تا صد

^^