رگولاتور ۵ ولت | راهنمای انتخاب و استفاده عملی

وجود یک منبع تغذیه تنظیم‌شده برای دستگاه‌های الکترونیکی بسیار ضروری است، زیرا مواد نیمه‌هادی به کار رفته در آن‌ها جریان و ولتاژ کاری مشخصی دارند و در صورت وجود اختلاف با مقدار نامی، دستگاه آسیب خواهد دید. یکی از منابع مهم تأمین ولتاژ‌ و جریان DC‌ باتری‌ها هستند. اما استفاده از باتری در مدارهای حساس الکترونیکی ایده خوبی نیست، زیرا باتری‌ها در نهایت تخلیه می‌شوند و با گذشت زمان ولتاژ آن‌ها کاهش می‌یابد. رگولاتورهای ولتاژ گزینه‌های مناسبی برای تأمین ولتاژ مدار هستند. در این آموزش، ابتدا معیارهای انتخاب یک رگولاتور ولتاژ مناسب را بیان کرده، سپس یکی از رایج‌ترین آی‌سی‌های رگولاتور 5 ولت را معرفی می‌کنیم. این آی‌سی رگولاتور ولتاژ‌ 7805 نام دارد.

معیارهای انتخاب رگولاتور مناسب

برای انتخاب رگولاتور مناسب، باید عوامل مختلفی را در نظر بگیریم. در ادامه هریک از این عوامل را معرفی می‌کنیم. ‌

ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی

اولین گام برای انتخاب رگولاتور ولتاژ، دانستن ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی است که با آن کار خواهید کرد. ولتاژ ورودی رگولاتورهای ولتاژ خطی باید بزرگ‌تر از ولتاژ خروجی نامی آن‌ها باشد. اگر ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ خروجی مورد نظر باشد، ولتاژ خروجی کمتر از میزان مورد انتظار خواهد شد و خروجی تنظیم‌نشده خواهد بود.

به عنوان مثال‌، اگر از یک رگولاتور ولتاژ 5 ولت با «ولتاژ دراپ اوت» (Dropout Voltage) یا همان افت ولتاژ برابر با 2 ولت استفاده می‌کنید، ولتاژ ورودی باید حداقل برابر با 7 ولت برای یک خروجی تنظیم‌شده باشد. ولتاژ ورودی کمتر از 7 ولت منجر به ولتاژ خروجی تنظیم‌نشده می‌شود.

رگولاتورهای ولتاژ برای دامنه ولتاژ ورودی و خروجی مختلف در دسترس هستند. به عنوان مثال، برای Arduino Uno به یک رگولاتور ولتاژ 5 ولت و برای ESP8266 به یک رگولاتور ولتاژ 3٫3 ولت نیاز دارید. حتی می‌توانید از یک رگولاتور ولتاژ متغیر استفاده کنید که خروجی‌های متنوعی را تولید می‌کند.

ولتاژ دراپ اوت یا افت ولتاژ

ولتاژ دراپ اوت تفاوت ولتاژ ورودی و خروجی رگولاتور ولتاژ است. به عنوان مثال، حداقل ولتاژ ورودی آی‌سی 7805 برابر با ۷ ولت و ولتاژ خروجی آن 5 ولت است، بنابراین ولتاژ دراپ اوت آن 2 ولت خواهد بود. اگر ولتاژ ورودی کمتر از ۷ ولت (مجموع ولتاژ خروجی و ولتاژ دراپ اوت) شود، منجر به یک خروجی غیرمجاز می‌شود که می‌تواند به مدار آسیب برساند. بنابراین، قبل از انتخاب رگولاتور ولتاژ، ولتاژ دراپ اوت آن را بررسی کنید.

ولتاژ دراپ اوت برای رگولاتورهای مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، شما می‌توانید طیف وسیعی رگولاتور 5 ولت را با ولتاژ دراپ اوت متفاوت پیدا کنید. رگولاتورهای خطی وقتی با ولتاژ خروجی ورودی بسیار کم کار می‌کنند، بسیار کارآمد هستند. بنابراین اگر از باتری به عنوان منبع تغذیه استفاده می‌کنید، می‌توانید برای کارایی بهتر از رگولاتورهای با افت ولتاژ کم یا LDO استفاده کنید.

توان مصرفی

رگولاتورهای خطی نسبت به رگولاتورهای سوئیچینگ توان بیشتری را اتلاف می‌کنند. اتلاف زیاد توان باعث تخلیه باتری، گرم شدن بیش از حد یا آسیب رساندن به محصول می‌شود. بنابراین اگر از رگولاتور ولتاژ خطی استفاده می‌کنید، ابتدا اتلاف توان را محاسبه کنید. اتلاف توان رگولاتورهای خطی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر به دست آورد:

جریان × (ولتاژ خروجی - ولتاژ ورودی) = توان

برای جلوگیری از مشکل اتلاف توان می‌توانید از رگولاتورهای ولتاژ سوئیچینگ به جای رگولاتورهای ولتاژ خطی استفاده کنید.

کارایی

بازده نسبت توان خروجی به توان ورودی و متناسب با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی است. بنابراین بازده رگولاتورهای ولتاژ مستقیماً توسط ولتاژ افت و «جریان خاموشی» (Quiescent Current) محدود می‌شود، زیرا هرچه ولتاژ دراپ اوت بیشتر باشد، بازده کمتر است. برای بازده بالاتر، ولتاژ دراپ اوت و جریان خاموشی باید به حداقل برسد و اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی به کمینه شود.

دقت ولتاژ

دقت کلی یک رگولاتور ولتاژ به تنظیم خط، تنظیم بار، «رانش» (Drift) ولتاژ مرجع، رانش ولتاژ تقویت‌کننده خطا و ضریب دما بستگی دارد. مشخصه ولتاژ خروجی رگولاتورهای خطی رایج به گونه‌ای است که تضمین می‌کند خروجی تنظیم‌شده در 5 درصد مقدار نامی باشد. بنابراین اگر از رگولاتور ولتاژ برای تغذیه آی‌سی‌های دیجیتال استفاده می‌کنید، تلرانس 5 درصد طبیعی است.

تنظیم بار

تنظیم بار به عنوان توانایی مدار در حفظ ولتاژ خروجی مشخص برای بارهای مختلف تعریف می‌شود. تنظیم بار به صورت زیر بیان می‌شود:

V_out/∆I_out∆ = تنظیم بار

تنظیم خط

تنظیم خط به عنوان توانایی مدار برای حفظ ولتاژ خروجی مشخص در شرایط تغییر ولتاژ ورودی تعریف می‌شود. فرمول تنظیم خط به صورت زیر است:

V_out/∆V_in∆ = تنظیم خط

برای انتخاب یک رگولاتور ولتاژ مناسب، باید همه عوامل فوق را در نظر داشته باشید.

مشخصات رگولاتور ولتاژ و شماره‌گذاری

رگولاتورهای ولتاژ از حروف و شماره‌هایی تشکیل می‌شوند که بیانگر مشخصات آن‌هاست. نام رگولاتورها اغلب با L (خطی) یا LM (خطی یکپارچه) شروع می‌شود (اما نه همیشه). به رگولاتور مثبت عدد 78 و برای رگولاتور ولتاژ منفی عدد ۷۹ نسبت داده می‌شود.

فیلم آموزش الکترونیک ۲ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

دو رقم آخر به طور کلی ولتاژ خروجی رگولاتور را نشان می‌دهد که 03، 05، 09، 12 و غیره هستند. گاهی اوقات یک حرف انتهایی نیز وجود دارد که نشان‌دهنده دقت یا مشخصه خاصی در برخی از رگولاتورهای ولتاژ است. در اینجا نمونه‌ای از نحوه شماره‌گذاری رگولاتور ولتاژ آورده شده است.

لازم به ذکر است که این شماره‌گذاری و نام‌گذاری‌ها برای سازنده‌های مختلف متفاوت است، بنابراین همیشه دیتاشیت آن‌ها را بررسی کنید تا مطمئن شوید که رگولاتور مناسب را تهیه می‌کنید. برخی تولیدکنندگان، حروف نام تجاری خود را جایگزین LM می‌کنند، مثلاً TT7805. بهترین راه برای اطمینان از این موضوع بررسی دیتاشیت قطعه است.

آشنایی با رگولاتور 5 ولت 7805

همان‌طور که می‌دانیم، ولتاژ باتری‌ها معمولاً ۱٫۲، ۳٫۷، ۹ و ۱۲ ولت است. برای مدارهایی که ولتاژ مورد نیازشان با این مقادیر منطبق است، مشکلی وجود ندارد. اما اغلب آی‌سی های TTL با ولتاژ‌ ۵ ولت کار می‌کنند و بنابراین به ساز و کاری برای برای تأمین این ۵ ولت نیاز داریم. اینجاست که رگولاتور 5 ولت به کار می‌آید و رایج‌ترین آن نیز مدل 7805 است. این رگولاتور 5 ولت یک آی‌سی از خانواده رگولاتورهای ولتاژ خطی 78XX است که ۵ ولت تنظیم‌شده را به عنوان خروجی تولید می‌کند.

رگولاتور 7805 یک آی‌سی رگولاتور ولتاژ‌ خطی سه‌سر با ولتاژ خروجی ۵ ولت است که در موارد بسیار زیادی از آن استفاده می‌شود. امروزه آی‌سی رگولاتور ولتاژ‌ 7805 را تولیدکنندگانی مانند «تگزاس اینسترومنتس» (Texas Instruments)، «آن سمیکانداکتر» (ON Semiconductor)، «اس‌تی‌مایکروالکترونیکس» (STMicroelectronics)، «دایودز اینکرپریتد» (Diodes Incorporated)، «اینفینئون تکنالجیز» (Infineon Technologies) و... تولید و به بازار عرضه می‌کنند.

این رگولاتورها در چندین بسته IC مانند TO-220 ،SOT-223 ،TO-263 و TO-3 در دسترس هستند. از بین این موارد، بسته TO-220 بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد (این بسته در تصویر بالا نشان داده شده است).

برخی از ویژگی‌های مهم آی‌سی 7805 به شرح زیر است:

• این رگولاتور می‌تواند حداکثر 1٫5 آمپر جریان (با هیت‌سینک) تحویل دهد.
• دارای هر دو ویژگی محدود کردن جریان داخلی و خاموش شدن حرارتی است.
• برای عملکرد کامل به حداقل اجزای خارجی نیاز دارد.

نمودار پایه‌های آی‌سی رگولاتور ولتاژ 7805

همان‌طور که قبلاً ذکر شد، آی سی 7805 یک قطعه سه‌ترمیناله است که سه پایه آن 1) ورودی، 2) زمین و ۳) خروجی هستند. تصویر زیر پایه‌های یک IC معمولی 7805 را در بسته To-220 نشان می‌دهد.

پین‌های آی سی 7805 به شرح زیر هستند:

1. پایه ۱ پایه ورودی (INPUT) است. یک ولتاژ تنظیم‌نشده مثبت به عنوان ورودی به این پین داده می‌شود.
2. پایه 2 پایه زمین (GROUND) است. این پایه هم در ورودی و هم در خروجی مشترک است.
3. پایه ۳ پایه خروجی (OUTPUT) است. ولتاژ خروجی 5 ولت تنظیم‌شده از این پایه گرفته می‌شود.

مدار پایه آی سی 7805

همان‌طور که گفتیم، رگولاتور 5 ولت 7805 قطعه‌ای است که با ولتاژهای DC کار می‌کند و خروجی خود را با ولتاژ ثابت به طور مداوم حفظ کند. طبق دیتاشیت‌های آی‌سی 7805، مدار اصلی آن برای کار به عنوان یک رگولاتور 5 ولت کامل بسیار ساده است. در حقیقت، اگر منبع تغذیه یک ولتاژ DC تنظیم‌نشده باشد، تمام آنچه که نیاز داریم، دو عدد خازن است.

مدار بالا همه اجزای مورد نیاز برای عملکرد صحیح آی سی 7805 را نشان می‌دهد. فقط در صورتی از خازن 0٫22μF ورودی استفاده می‌شود که فاصله بین IC و فیلتر منبع تغذیه زیاد باشد. همچنین، استفاده از خازن 0٫1μF خروجی اختیاری است و در صورت استفاده به پاسخ گذرا کمک می‌کند.

در این مدار، V_IN ولتاژ ورودی آی‌سی 7805 است و منبع می‌تواند از باتری DC تنظیم‌نشده تأمین شود. V_OUT خروجی رگولاتور است که همان 5 ولت تنظیم‌شده است.

چگونه می‌توان منبع تغذیه ثابت DC را با منبع AC تأمین کرد؟

اگرچه می‌توان از باتری‌ به عنوان ورودی رگولاتور استفاده كرد، اما همان‌طور که گفتیم، در صورت استفاده از آن‌ها با محدودیت‌های خاصی مانند تخلیه مكرر باتری‌ها و كاهش سطح ولتاژ باتری در یک دوره زمانی روبه‌رو خواهیم شد. بهترین جایگزین باتری‌ها، تأمین ولتاژ DC تنظیم‌نشده اما اصلاح‌شده از منبع AC است.

از آنجا که منبع AC به راحتی به عنوان منبع تغذیه در دسترس است، می‌توانیم یک مدار را برای تبدیل AC به DC طراحی کرده و آن را به عنوان ورودی به رگولاتور 5 ولت 7805 اعمال کنیم.

نمودار مداری

تصویر زیر مدار تولید 5 ولت تنظیم‌شده از منبع تغذیه AC را نشان می‌دهد.

قطعات مورد نیاز مدار

اجزای این مدار عبارت‌اند از:

• ترانسفورماتور کاهنده ۲۳۰V/۱۲V
• یکسوساز پل (یا 4 دیود پی‌ان 1N4007)
• فیوز 1A
• خازن 1000μF
• آی‌سی رگولاتور ولتاژ 7805
• خازن 0٫22μF
• خازن 0٫1μF
• دیود 1N4007

عملکرد مدار

با کمک مدار بالا، منبع تغذیه AC از شبکه اصلی به DC تبدیل می‌شود. در مرحله اول، ولتاژ‌ تنظیم‌شده نیست و بعد از آن، به یک ولتاژ DC تنظیم‌شده ثابت تبدیل می‌شود. مدار از ترانسفورماتور، یکسو‌کننده پل دیودی، رگولاتور 5 ولت خطی 7805 و خازن‌ها تشکیل شده است.

مدار را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد: در بخش اول، AC به DC تنظیم‌نشده و در بخش دوم، این DC تنظیم‌نشده به ولتاژ‌ مستقیم 5 ولت تنظیم‌شده تبدیل می‌شود.

در ابتدا، یک ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ‌ که اولیه آن به منبع تغذیه اصلی متصل است، ولتاژ‌ را از 230 ولت به 12 ولت کاهش می‌دهد. ثانویه ترانسفورماتور به یکسوساز پل دیودی متصل است (می‌توان از یک IC اختصاصی یا ترکیبی از 4 دیود 1N4007 استفاده کرد).

فیوز 1A بین ترانسفورماتور و یکسوساز پل قرار می‌گیرد. این فیوز جریان کشیده‌شده توسط مدار را به 1A محدود می‌کند. ولتاژ‌ DC اصلاح‌شده یکسو‌کننده پل با کمک خازن 1000μF نرم و صاف می‌شود.

بنابراین، خروجی خازن 1000μF برابر با ۱۲ ولت و تنظیم‌نشده است. این ولتاژ به عنوان ورودی به آی‌سی رگولاتور 5 ولت 7805 داده می‌شود. سپس رگولاتور 5 ولت این مقدار DC تنظیم‌نشده ورودی را به ولتاژ‌ تنظیم‌شده 5 ولت تبدیل می‌کند.

نکات مربوط به رگولاتور 7805

نکات زیر درباره رگولاتور 7805 حائز اهمیت هستند:

• اولین نکته مهمی که باید به آن توجه شود این است که ولتاژ ورودی باید همیشه از ولتاژ خروجی بیشتر باشد (حداقل در 2٫5 ولت).
• جریان ورودی و جریان خروجی تقریباً یکسان هستند. این بدان معناست که وقتی یک منبع تغذیه 7٫5 ولت 1 آمپر در ورودی داده شود، خروجی 5 ولت 1 آمپر خواهد بود.
• توان باقیمانده به صورت گرما تلف می‌شود و بنابراین، باید از یک هیت‌سینک، مانند آنچه در زیر نشان داده شده است، برای آی‌سی استفاده کرد.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 2 فرادرس

برای آشنایی با رگولاتور ولتاژ پیشنهاد می‌کنیم به آموزش الکترونیک ۲ فرادرس مراجعه کنید. این دوره آموزشی ویدیویی هفت درس دارد و مدت آن ۸ ساعت و ۱۱ دقیقه است.

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

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