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

۷۱۰۲ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۴ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۶۳ دقیقه
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.

997696
محتوای این مطلب جهت یادگیری بهتر و سریع‌تر آن، در انتهای متن به صورت ویدیویی نیز ارائه شده است.

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.

نمایی از یک رگولاتور خط
نمایی از یک رگولاتور خط
عدم تغییر ولتاژ خروجی با تغییر ولتاژ ورودی در رگولاتور خط
عدم تغییر ولتاژ خروجی با تغییر ولتاژ ورودی در رگولاتور خط

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:

(VOUTVIN)  100% ( \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.

نمایی از یک رگولاتور بار
عدم تغییر ولتاژ خروجی در یک رگولاتور بار با تغییر جریان بار
عدم تغییر ولتاژ خروجی در یک رگولاتور بار با تغییر جریان بار

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=(VNLVFLVFL)  100% 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 (ROUT 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.

مدار معادل تونن یک منبع تغذیه با مقاومت بار
مدار معادل تونن یک منبع تغذیه با مقاومت بار

ولتاژ تونن برابر با ولتاژ منبع تغذیه در حالت بی باری (VNL V_{NL} ) و مقاومت تونن برابر با مقدار مقاومت مشخص خروجی (ROUT 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:

VOUT=VNL  (RLROUT+RL) V_{OUT} = V_{NL} \; (\frac {R_L} {R_{OUT} + R_{L}})

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

VFL=VNL(RFLROUT+RFL) 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:

VNL=VFL  (ROUT+RFLRFL) V_{NL} = V_{FL} \; (\frac{R_{OUT} + R_{FL}} {R_{FL}})

درنتیجه داریم:

 Load  Regulation=VFL(ROUT+RFLRFL)VFLVFL×100%=(ROUT+RFLRFL1)  100%  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=(ROUTRFL)  100% 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.

شماتیک یک رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال
شماتیک یک رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال
بلوک دیاگرام یک رگولاتور ولتاژ سری
بلوک دیاگرام یک رگولاتور ولتاژ سری

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. 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.

رگولاتور سری اپ امپی
رگولاتور سری اپ امپی

در این قسمت می‌خواهیم عملکرد این مدار را توضیح دهیم. مدار مقسم ولتاژ مقاومتی که از مقاومت‌های R2 R_2 و R3 R_3 تشکیل شده است، هر تغییری در ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. زمانی که VIN V_{IN} کاهش ‌یابد و یا به علت کاهش RL R_L ، جریان بار IL 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 D1 D_1 سایر ورودی‌های اپ امپ را تقریبا در ولتاژ مرجع (VREF 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 VB V_B افزایش می‌یابد. این افزایش خروجی به بیس Q1 Q_1 اعمال می‌شود و باعث می‌شود ولتاژ امیتر (VOUT 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 Q1 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.

شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت کاهش ولتاژ ورودی
شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت کاهش ولتاژ ورودی
شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت افزایش ولتاژ ورودی
شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت افزایش ولتاژ ورودی

اپ امپ در مدار رگولاتور ولتاژ سری به صورت تقویت‌کننده معکوس ‌کننده متصل شده است. در این مدار، ولتاژ مرجع VREF V_{REF} ورودی ترمینال غیر معکوس‌کننده اپ امپ است و مقسم ولتاژ متشکل از مقاومت‌های R2 R_2 و R3 R_3 یک مدار فیدبک منفی را به وجود می‌آورند. بهره ولتاژ حلقه بسته در این مدار برابر است با:

Acl=1+R2R3 A_{cl} = 1+ \frac {R_2} {R_3}

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

VOUT=(1+R2R3)VREF 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 R2 R_2 و R3 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.

مدار مثال یک
مدار مثال یک

راه حل

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

VOUT=(1+R2R3)VREF=(1+10KΩ10KΩ)  5.1V=10.2V 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.

مدار رگولاتور سری با محدودکننده جریان ثابت
مدار رگولاتور سری با محدود کننده جریان ثابت

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 Q2 Q_2 و مقاومت R4 R_4 تشکیل شده است. عبور جریان بار از مقاومت R4 R_4 باعث ایجاد ولتاژ در طول بیس و امیتر ترانزیستور Q2 Q_2 می‌شود. زمانی که IL I_L به مقدار بیشینه از پیش تعیین‌شده برسد، افت ولتاژ در طول مقاومت R4 R_4 به اندازه کافی خواهد بود تا پیوند بیس امیتر ترانزیستور Q2 Q_2 را در بایاس مستقیم قرار دهد و ترانزیستور را وارد مود هدایت کند.

مقدار کافی از جریان بیس ترانزیستور Q1 Q_1 به کلکتور ترانزیستور Q2 Q_2 هدایت می‌شود، بنابراین مقدار جریان بار در بیشینه مجاز آن یعنی IL(max) I_{L(max)} محدود باقی خواهد ماند. چون ولتاژ بیس امیتر ترانزیستور Q2 Q_2 برای ترانزیستورهای سیلیکونی، نمی‌تواند از ۰٫۷ ولت عبور کند، در نتیجه ولتاژ در طول مقاومت R4 R_4 نیز در همین مقدار حفظ می‌شود و جریان بار در مقدار زیر محدود می‌شود:

 IL(max)=0.7vR4 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.

شماتیک رگولاتور خطی شنت یا موازی
شماتیک رگولاتور خطی شنت یا موازی
اجزای اساسی رگولاتور خطی شنت یا موازی
اجزای اساسی رگولاتور خطی شنت یا موازی

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

مدار ساده رگولاتور شنت با استفاده از اپ امپ
مدار ساده رگولاتور شنت با استفاده از اپ امپ

بر اساس شکل بالا، در رگولاتور شنت ساده، المان کنترلی یک ترانزیستور (Q۱ Q_۱ ) است که به صورت موازی با بار قرار گرفته است. یک مقاومت سری R1 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 Q1 Q_1 کنترل می‌شود.

زمانی که ولتاژ خروجی به دلیل تغییر در ولتاژ ورودی و یا جریان بار، در آستانه کاهش قرار می‌گیرد، مقاومت‌های R3 R_3 و R4 R_4 این تغییر را اندازه می‌گیرند و به ورودی‌های غیر معکوس‌کننده اپ امپ اعمال می‌کنند. اختلاف به وجود آمده در ولتاژ، خروجی VB V_B اپ امپ را کاهش می‌دهد و در نتیجه مقدار کمتری به ترانزیستور Q1 Q_1 وارد شده و جریان کلکتور آن کاهش می‌یابد و مقاومت داخلی کلکتور به امیتر آن یعنی  rCE r_{CE}^\prime افزایش می‌یابد. چون مقاومت  rCE r_{CE}^\prime با مقاومت R1 R_1 مانند یک مقسم ولتاژ عمل می‌کند، در نتیجه از کاهش ولتاژ خروجی VOUT 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.

عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود کاهش ولتاژ ورودی و مقاومت بار
عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود کاهش ولتاژ ورودی و مقاومت بار
عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود افزایش ولتاژ ورودی و مقاومت بار
عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود افزایش ولتاژ ورودی و مقاومت بار

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

 IS=VINR1 \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:

 IS=IL \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 (VOUT=0 V_{OUT} = 0 )، آن‌گاه جریان بار توسط مقاومت سری R1 R_1 به بیشینه خود (IS=0 I_S = 0 ) محدود می‌شود.

مثال ۲

در مدار شکل زیر، اگر بیشینه ولتاژ ورودی برابر با ۱۲٫۵ ولت باشد، مقاومت R1 R_1 چه مقدار توان باید داشته باشد.

مدار مثال دو
مدار مثال دو

راه حل

بیشترین مقدار اتلاف توان در مقاومت R1 R_1 زمانی به وجود می‌آید که خروجی اتصال کوتاه شود و VOUT V_{OUT} برابر با صفر شود. زمانی که VIN V_{IN} برابر با ۱۲٫۵ ولت باشد، مقدار افت ولتاژ در طول مقاومت R1 R_1 برابر است با:

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

اتلاف توان در مقاومت R1 R_1 به صورت زیر به دست می‌آید:

 PR1=VR12R1=(12.5V)222Ω=7.1W 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:

^^

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

فیلم آموزشی رگولاتور ولتاژ با دیود زنر

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی رگولاتور ولتاژ با فیدبک سری

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی رگولاتور ولتاژ با فیدبک شنت (موازی)

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی حفاظت رگولاتورهای ولتاژ

دانلود ویدیو
بر اساس رای ۷۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
Electronics Fundamentals. Circuits, Devices, and Applications
۳ دیدگاه برای «رگولاتور ولتاژ – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)»

سلام من یک برق ورودی دارم که دایم برق بین 0 تا 8 ولت را به مصرف کننده میفرستد میخواهم این نوسان برق را با 3 ولت کمتر بدهد این را بگویم که نمیخواهم ولتاژ برای مصرف کننده یک عدد ثابتی شود بلکه میخواهم برق ورودی هر چقدر باشد به همان میزان منهی 3 ولت شود وبه مصرف کننده داده شود راهش چیست؟

سلام خسته نباشیدتشکرازاموزشتون.یه سوال اون مثال دوکه ۷/۱وات جواب اومده چه جوری حساب شده به دست امده

سلام.
همان‌طور که در متن نیز اشاره شده، توان مقاومت R1R_1 با تقسیم مجذور اختلاف ولتاژ دو سر آن به اندازه مقاومتش محاسبه شده است.
سالم و موفق باشید.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *