رگولاتور ولتاژ متغیر چیست و چگونه کار می‌کند؟ | به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس با رگولاتور ولتاژ و نحوه عملکرد آن آشنا شدیم. در این آموزش، با مدار رگولاتور ولتاژ متغیر به کمک آی سی LM317T آشنا می‌شویم. آی سی LM317T یک رگولاتور ولتاژ مثبت است که سه ترمینال دارد و علاوه بر ولتاژهای ۵+ و ۱۲+ ولتی، می‌توان با استفاده از آن، خروجی‌های ولتاژ‌ DC مختلفی را از مقادیر بسیار کم تا مقدار ماکزیمم برای جریان‌هایی در حدود ۱٫۵ آمپر تأمین کرد.

با کمک یک مدار اضافه که به خروجی منبع تغذیه افزوده می‌شود، می‌توانیم یک منبع تغذیه داشته باشیم که قابلیت فراهم کردن ولتاژهای متغیر یا ثابت را با ماهیت منفی یا مثبت داشته باشد. در واقع، این ساده‌تر از چیزی است که ترانسفورماتور، یکسوساز و هموارساز منبع تغذیه انجام می‌دهند. در ادامه، ابتدا درباره رگولاتور ولتاژ ثابت بحث می‌کنیم.

رگولاتور ولتاژ ثابت سری 78xx

رگولاتورهای ولتاژ تنوع گسترده‌‌ای دارند و در بسته‌های TO-220 استاندارد موجود هستند. محبوب‌ترین رگولاتورهای ولتاژ ثابت، رگولاتورهای مثبت سری 78xx هستند که مدل بسیار رایج 7805 (رگولاتور ولتاژ ثابت ۵+ ولت) تا مدل 7824 (رگولاتور ولتاژ ثابت 24+ ولت) در درسترس هستند.

سری 79xx نیز وجود هستند که رگولاتورهای ولتاژ ثابت منفی‌اند و ولتاژ مکمل 5- تا 24- ولت را تولید می‌کنند، اما در این مطلب تنها به سری مثبت 78xx می‌پردازیم.

رگولاتور سه ترمیناله ثابت در کاربردهایی مفید است که به خروجی قابل تنظیم نیازی نیست و خروجی‌ مورد نظر تنها به رگولاتور انتخابی بستگی دارد. این رگولاتورها از آن جهت سه ترمیناله نامیده می‌شوند که تنها سه ترمینال برای اتصالشان وجود دارد و این سه ترمینال «ورودی» (Input)، «مشترک» (Common) و «خروجی» (Output) هستند.

ولتاژ ورودی رگولاتور 12+ ولت است که با سیم زرد از منبع تغذیه (یا منبع ترانسفورماتور جدا) می‌آید و بین ترمینال‌های ورودی و مشترک قرار می‌گیرد. 9+ ولت پایدار خروجی و مشترک در شکل زیر نشان داده شده است.

فرض کنید می‌خواهیم ولتاژ خروجی 9+ ولت را از منبع تغذیه بگیریم. تنها کاری که باید انجام دهیم، اتصال یک رگولاتور ولتاژ 9+ ولت به سیم زرد 12+ ولت است. همان‌طور که منبع تغذیه قبلاً اصلاح و صاف کردن خروجی 12+ ولت را انجام داده است، تنها اجزای اضافه مورد نیاز یک خازن در ورودی و یک خازن در خروجی است.

این خازن‌های اضافه به پایداری رگولاتور کمک می‌کنند و می‌توانند در هر مقداری بین 100 نانوفاراد و 330 نانوفاراد باشند. خازن خروجی 100 میکروفارادی به صاف کردن ریپل ذاتی کمک می‌کند و به آن پاسخی گذرا می‌دهد. این خازن بزرگ که در خروجی مدار منبع تغذیه قرار دارد، معمولاً «خازن هموارسازی» (Smoothing Capacitor) نامیده می‌شود.

رگولاتورهای سری 78xx به ترتیب در ولتاژهای ثابت 5، 6، 8، 9، 12، 15، 18 و 24 ولت موجود هستند و جریان خروجی حداکثر حدود 1٫5 آمپر را مهیا می‌کنند. اما اگر بخواهیم ولتاژ خروجی 9+ ولت داشته باشیم و فقط یک رگولاتور 7805 مثبت 5 ولت داشته باشیم باید چکار کنیم؟ خروجی 5+ ولت 7805 را با اتصال به "Gnd" زمین می‌کنیم (برابر با صفر ولت).

اگر ولتاژ ترمینال پایه 2 را از 0 ولت به 4 ولت افزایش دهیم، در صورت وجود ولتاژ ورودی کافی، خروجی نیز 4 ولت افزایش می‌یابد. سپس با قرار دادن یک دیود زنر کوچک 4 ولتی (نزدیکترین مقدار به مقدار ترجیحی 4٫3 ولت) بین پایه 2 رگولاتور و زمین، می‌توانیم مطابق شکل زیر با یک رگولاتور 5 ولتی 7805 خروجی 9 ولت تولید کنیم.

اما مدار چگونه کار می‌کند؟ دیود زنر 4٫3 ولت برای حفظ خروجی حدوداً 0٫5 میلی‌آمپری رگولاتور به جریان بایاس معکوس تقریباً 5 میلی‌آمپر نیاز دارد. این جریان کل 5٫5 میلی‌آمپری از طریق مقاومت R1 از پایه 3 خروجی تأمین می‌شود.

بنابراین مقدار مقاومت مورد نیاز برای یک رگولاتور 7805، برابر با R=(5V)/(۵٫5mA)=910Ω اهم خواهد بود. دیود فیدبک D1 که از طریق ورودی به ترمینال‌های خروجی متصل می‌شود، برای محافظت است و از بایاس معکوس رگولاتور در هنگام خاموش شدن ولتاژ منبع ورودی جلوگیری می‌کند، در حالی که خروجی به دلیل وجود یک بار القایی بزرگ مانند سلونوئید یا موتور برای مدت زمان کوتاهی روشن یا فعال است.

می‌توانیم از رگولاتورهای ولتاژ سه ترمیناله و یک دیود زنر مناسب برای تولید انواع ولتاژ خروجی ثابت از منبع تغذیه 5+ تا 12+ ولت استفاده کنیم. اما با جایگزینی رگولاتور ولتاژ ثابت با یک رگولاتور ولتاژ متغیر مانند LM317T، می‌توان این طراحی را بهبود بخشیم.

رگولاتور ولتاژ متغیر LM317T

رگولاتور ولتاژ‌ متغیر LM317T یک رگولاتور ولتاژ سه ترمیناله کاملاً قابل تنظیم است که قادر به تأمین 1٫5 آمپر با ولتاژ خروجی از حدود 1٫25 ولت تا کمی بیش از 30 ولت است. با استفاده از نسبت دو مقاومت، که یكی از آن‌ها ثابت و دیگری متغیر است (یا هر دو ثابت هستند)، می‌توانیم ولتاژ خروجی را روی سطح مورد نظر تنظیم كنیم، در حالی كه ولتاژ ورودی متناظر بین 3 تا 40 ولت باشد.

فیلم آموزش الکترونیک 2 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

رگولاتور ولتاژ متغیر LM317T همچنین دارای قابلیت محدود کردن جریان و خاموش شدن حرارتی است که آن را ضد اتصال کوتاه و ایده‌آل برای هر منبع تغذیه ولتاژ پایین یا خانگی می‌کند.

ولتاژ خروجی LM317T با نسبت دو مقاومت فیدبک R1 و R2 تعیین می‌شود که به شکل زیر یک شبکه مقسم ولتاژ در ترمینال خروجی می‌سازند.

ولتاژ روی مقاومت فیدبک R1 یک ولتاژ مرجع 1٫25 ولت ثابت است و Vref بین ترمینال «خروجی» و «تنظیم» (Adj) تولید می‌شود. جریان ترمینال تنظیم یک جریان ثابت 100 میکروآمپر است. از آنجا که ولتاژ مرجع در مقاومت R1 ثابت است، جریان ثابتی از طریق مقاومت R2 جریان می‌یابد و در نتیجه ولتاژ خروجی حاصل می‌شود:

$$\large V _ \text {out} = 1.25 \left ( 1 + \frac { R _ 2 } { R _ 1 } \right )$$

سپس هر جریانی که از مقاومت R1 عبور می‌کند، از مقاومت R2 نیز عبور می‌کند (با چشم‌پوشی از جریان ترمینال تنظیم بسیار کوچک). جمع افت ولتاژ در R1 و R2 برابر ولتاژ خروجی Vout خواهد بود. بدیهی است که ولتاژ ورودی Vin باید حداقل 2٫5 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی مورد نیاز برای تأمین توان رگولاتور باشد.

همچنین، LM317T تنظیم بار بسیار خوبی دارد، البته به شرطی که حداقل جریان بار بیش از 10 میلی‌آمپر باشد. بنابراین، برای حفظ ولتاژ مرجع ثابت 1٫25 ولت، حداقل مقدار مقاومت فیدبک R1 باید 1٫۲۵V)/(۱۰mA)=۱۲۰Ω) باشد و برای پایداری بهتر، این مقدار را می‌توان از 120 اهم تا 1000 اهم با مقادیر موجود R1 حدوداً از 220Ω تا 240Ω انتخاب کرد.

اگر مقدار ولتاژ خروجی مورد نیاز Vout را بدانیم و مقاومت فیدبک R1 برابر با 240 اهم باشد، می‌توانیم مقدار مقاومت R2 را از معادله فوق محاسبه کنیم. به عنوان مثال، ولتاژ خروجی اصلی 9 ولت، مقدار مقاومت R2 را به صورت زیر نتیجه می‌دهد:

$$\large R_2=R_1 \left(\frac {V_\text{out}}{1.25}-1 \right) = 1488 \, \Omega$$

یا 1500 اهم (1٫5kΩ) که نزدیک‌ترین مقاومت به مقدار ترجیحی است.

البته در عمل، مقاومت‌های R1 و R2 معمولاً با پتانسیومتر جایگزین می‌شوند تا منبع تغذیه ولتاژ متغیر مهیا شود یا اینکه در صورت نیاز به چندین ولتاژ خروجی ثابت، از چند مقاومت از پیش تنظیم سوئیچ شده استفاده می‌شود.

اما برای کاهش عملیات ریاضی مورد نیاز در محاسبه مقدار مقاومت R2 هر زمان که ولتاژ خاصی بخواهیم، می‌توانیم از جداول مقاومت استاندارد استفاده کنیم. یک از این جدول‌ها در  ادامه ارائه شده است. در این جدول، ولتاژ خروجی رگولاتورها را برای نسبت‌های مختلف مقاومت‌های R1 و R2 با استفاده از مقادیر مقاومت E24 مشاهده می‌کنید.

با تغییر مقاومت R2 برای یک پتانسیومتر 2 کیلو اهمی می‌توان دامنه ولتاژ خروجی منبع تغذیه را از حدود 1٫25 ولت تا حداکثر ولتاژ خروجی 10٫75 ولت (۱٫۲۵-12) کنترل کرد. مدار رگولاتور ولتاژ متغیر اصلاح شده در شکل زیر نشان داده شده است.

با اتصال آمپرمتر و ولت‌متر به ترمینال‌های خروجی می‌توانیم مدار رگولاتور ولتاژ متغیر پایه را کمی بیشتر بهبود دهیم. این ابزارها یک نمایش بصری از جریان و ولتاژ خروجی رگولاتور ولتاژ متغیر را نشان می‌دهند. در صورت تمایل، در طراحی می‌توان یک فیوز سریع استفاده کرد تا همان‌طور که در تصویر نشان داده شده است، مدار از حفاظت اتصال کوتاه برخوردار باشد.

معایب رگولاتور ولتاژ متغیر LM317T

یکی از معایب اصلی استفاده از LM317T به عنوان بخشی از مدار منبع تغذیه ولتاژ متغیر برای تنظیم ولتاژ، این است که وقتی رگولاتور داغ می‌شود، ولتاژ 2٫5 ولت افت می‌کند. بنابراین، به عنوان مثال، اگر ولتاژ خروجی مورد نیاز 9+ ولت باشد، در صورت ثابت ماندن ولتاژ خروجی در شرایط بار حداکثر، ولتاژ ورودی باید به اندازه 12 ولت یا بیشتر باشد. به این افت ولتاژ در رگولاتور «از قلم افتادگی» (Dropout) گفته می‌شود. همچنین به دلیل وجود این ولتاژ، برای خنک نگه داشتن رگولاتور به هیت‌سینک نیاز است.

خوش‌بختانه رگولاتورهای ولتاژ متغیر با افت پایین مانند رگولاتور ولتاژ متغیر LM2941T در دسترس هستند که افت ولتاژ آن‌ها کم و تنها 0٫9 ولت در حداکثر بار است. البته این افت پایین هزینه دارد، زیرا این قطعه فقط قادر به تولید ۱ آمپر با ولتاژ متغیر از 5 تا 20 ولت است. با این حال، می‌توانیم از این قطعه برای ایجاد ولتاژ خروجی حدود 11٫1 ولت، فقط کمی پایین‌تر از ولتاژ ورودی، استفاده کنیم.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 2 فرادرس

برای آشنایی با رگولاتور ولتاژ متغیر پیشنهاد می‌کنیم به آموزش الکترونیک ۲ فرادرس مراجعه کنید. این دوره آموزشی ویدیویی که مدت آن ۸ ساعت و ۱۱ دقیقه است، در هفت فصل تهیه و تدوین شده است.

در درس اول این فیلم آموزشی، پاسخ فرکانسی تقویت‌های ترانزیستوری معرفی شده است. موضوع درس دوم، منابع جریان و بارهای فعال است. تقویت‌کننده‌های تفاضلی و تقویت‌کننده‌های توان، به ترتیب، موضوعات فصل‌های سوم و چهارم هستند. تقویت‌کننده‌های فیدبک و تقویت‌کننده‌های عملیاتی نیز عناوین مهم درس‌های پنجم و ششم هستند که به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در نهایت، در درس هفتم تنظیم‌کننده‌ها یا همان رگولاتورهای ولتاژ و مدار آن‌ها معرفی شده‌اند.

• برای مشاهده فیلم آموزش الکترونیک ۲ + اینجا کلیک کنید.