رگولاتور خطی

رگولاتور خطی یا منبع تغذیه خطی به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

1 . نوع سری، که یک ترانزیستور را به عنوان یک مقاومت متغیر به صورت سری بین ورودی
و بار وارد می کند.

2 . و نوع شانت که یک ترانزیستور را به موازات بار وارد می کند.

در این مقاله، ما صرفاً بر روی رگولاتور خطی سری تمرکز خواهیم کرد، زیرا این نوع بیشتر از نوع شنت که استفاده از آن کاملاً محدود است استفاده می شود. حالا بیایید شروع کنیم.

همچنین بخوانید: منبع تغذیه بدون ترانس

ساده ترین رگولاتورها رگولاتورهای 3 پین نامیده می شوند که تنها با قرار دادن یک خازن ورودی (CIN) بین پایه های VIN و GND و یک خازن خروجی (COUT) بین پایه های VOUT و GND ، یک ولتاژ ثابت خروجی می دهند . ما توضیح خواهیم داد که رگولاتورهای خطی شامل چه اجزایی هستند و چگونه یک ولتاژ ثابت را تولید می کنند . شکل 1 تصویر مختصر از ساختار مدار یک تنظیم کننده خطی را نشان می دهد.

شکل 1 : مدار کنترل بر Vout نظارت می کند و مقدار مقاومت، مقاومت متغیر را تنظیم می کندتا تنظیم کننده خطی بتواند یک ولتاژ خروجی ثابت ایجاد کند.

 

به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی (VIN) ثابت باشد، یک رگولاتور خطی می تواند با ثابت نگه داشتن نسبت بین مقدار مقاومت متغیر و مقدار مقاومت بار، با توجه به نرخ تغییر مقدار مقاومت بار، ولتاژ خروجی پایدار را حفظ کند. ولتاژ ورودی توسط دو مقاومت تقسیم می شود، بنابراین تنظیم کننده های خطی ولتاژ خروجی کمتری نسبت به ولتاژ ورودی خود تولید می کنند .

تفاوت بین ولتاژ ورودی بالاتر و ولتاژ خروجی کمتر باعث تولید گرما می شود که به آن گرمای اتلاف گفته می شود . جریانی که در داخل مقاومت بار جریان دارد به سمت مقاومت متغیر جریان می یابد، جایی که الکتریسیته با مقداری گرمای تولید شده مصرف می شود . شکل 2 این روابط را نشان می دهد. به عنوان مثال، در مورد جریان بار در 100 میلی آمپر، یک ورودی 5 ولت و رگولاتور خروجی 2 ولت، 0.3 وات برق ورودی 0.5 وات را به عنوان گرما مصرف می کند.

شکل 2 تصویر عملیاتی رگولاتور خطی

ساختار مدار رگولاتور خطی

رگولاتورهای خطی دارای چهار جزء اساسی هستند: یک ترانزیستور درایور خروجی، یک واحد ولتاژ مرجع، یک مقاومت فیدبک و یک تقویت کننده خطا. شکل 3 ساختار اصلی یک تنظیم کننده خطی معمولی را نشان می دهد.

شکل 3 ساختار پایه تنظیم کننده خطی

نقش هر یک از اجزا به شرح زیر است :

1. ترانزیستور درایور خروجی

شکل 3 نمونه ای از یک تنظیم کننده خطی است که با ترانزیستور MOS ساخته شده است .این ترانزیستور معادل مقاومت متغیری است که در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، جایی که بار و جریان ورودی برابر با 100 میلی آمپر هستند، پایه VIN تمام جریان عبوری از ترانزیستور درایور و پایه VOUT را به بار تامین می کند .

رگولاتورهای خطی با تنظیم مقاومت ترانزیستور درایور با یک مدار کنترل (نشان داده شده در شکل 1) متشکل از یک مقاومت فیدبک، یک واحد ولتاژ مرجع و یک تقویت کننده خطا، یک ولتاژ خروجی ثابت را حفظ می کنند.

 

2 . مقاومت بازخورد

یک مقاومت فیدبک (RFB) به دلیل نقش آن در تقسیم ولتاژ خروجی با دو مقاومت (R1 و R2) و برگرداندن ولتاژ تقسیم شده به تقو یت کننده خطا نامگذاری شده است. ولتاژ تقسیم شده را ولتاژ فیدبک (VFB) می گویند.یک مقاومت بازخورد نقش تعیین سطح ولتاژ خروجی ثابت تنظیم کننده خطی را بر عهده می گیرد و سطح ولتاژ خروجی با نسبت مقاومت R1 و R2 تعیین می شود.

محدوده ولتاژ خروجی توسط محصولات مشخص میشود و در محدوده مشخص شده، ولتاژ خروجی را میتوان با تنظیم نسبت مقاومت R1 و R2 هر قالب ویفر در کل ویفر ساخته شده در یک فرآیند تولید با لیزر برش تولید کرد.
همچنین، برخی از رگولاتورهای خطی دارای یک پین VFB برای اتصال یک مقاومت بازخورد خارجی بهینه هستند که به کاربران امکان میدهد ولتاژ خروجی را به صورت انعطافپذیر تنظیم کنند.

 

3. واحد ولتاژ مرجع

روشهایی برای ساخت واحد ولتاژ مرجع وجود دارد و اکثر آنها سطح ولتاژ خروجی حدود 1 ولت را ارائه میکنند . روش مرسوم مورد استفاده برای واحد ولتاژ مرجع، مرجع شکاف باند (BGR) نامیده می شود . اگرچه این روش ویژگیهای خوبی دارد، جریان منبع و ساختار مدار آن بزرگتر است، زیرا از ولتاژ بین پایه و امیتر یک ترانزیستور دوقطبی استفاده میکند.

1.25 ولت یک سطح ولتاژ خروجی رایج برای BGR است . به جز BGR ها، تجهیزات الکترونیکی بیشتری از واحد مرجع ولتاژ مبتنی بر CMOS استفاده می کنند . یک واحد مرجع مبتنی بر CMOS از تفاوت بین ولتاژ آستانه دو ترانزیستور MOS به عنوان ولتاژ مرجع استفاده می کند . دارای اندازه مدار کوچک و جریان تغذیه بسیار کم است. سطح ولتاژ خروجی آن از حدود 0.6 تا 1.0 V است. در شکل 3 با نماد باتری نشان داده شده است .

واحدهای ولتاژ مرجع با وجود نوسانات ولتاژ ورودی یا تغییرات دمای محیط می توانند سطح ولتاژ مشخصی را حفظ کنند . به لطف واحد ولتاژ مرجع که سطح معینی از ولتاژ مرجع را حفظ می کند، تنظیم کننده های خطی می توانند یک ولتاژ ثابت را خروجی کنند .

 

4 .تقویت کننده خطا

تقویت کننده خطا نوعی تقو یت کننده عملیاتی است که اختلاف ولتاژ بی ن دو ترمی نال ورود ی (مثبت و منفی) را تقوی ت کرده و ولتاژ تقویت شده را خروجی می کند. در داخل یک رگولاتور خطی، ترمینال مثبت ولتاژ فیدبک را دریافت می کند و ترمینال منفی ولتاژ مرجع را دریافت می کند. خطا ی بین دو ولتاژ در داخل تقویت کننده عملیاتی تقویت می شود و ولتاژ تقویت شده به مقاومت متغیر خروجی می شود.

به همین دلیل است که مولفه را تقویت کننده خطا می نامند. به طور خلاصه، رگولاتورها ی خطی شامل ی ک مدار بازخورد منفی است که از چهار جزء ذکر شده در بالا تشکیل شده و با کنترل بازخورد منفی* 2 ولتاژ خروجی خود را ثابت می کند. کنترل بازخورد منفی ولتاژ فیدبک را با ولتاژ مرجع مقایسه می کند و مقاومت ترانزیستور درایور خروجی را تنظیم می کند تا اختلاف صفر شود. بر این اساس، در حالت عادی، VREF و VFB برابر نگه داشته می شوند.

حال به شبیه سازی می پردازیم به عنوان مثال از سری آی سی LM78xx برای این کار استفاده می کنیم. برای شبیه سازی از دو روش بدون ترانس خطی و با ترانس خطی استفاده می کنیم.

شکل 4 منبع تغذیه خطی بدون ترانس خطی

همانطور که مشاهده می کنید در بار کامل مدار به درستی عمل می کند توجه داشته باشید که در مدار واقعی باید از هیت سینک استفاده کنید همانطور که پیش تر گفته شد کنترل کننده خطی اتلاف توان را به صورت گرما تولید می کند و در حالت بدون ترانس خطی میزان اختلاف ولتاژ بسیار زیاد است و گرمایی زیادی تولید می کند .

شکل 5 منبع تغذیه خطی با ترانس خطی

در حالتی که ترانس خطی در مدار وجود دارد اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی کنترل کننده بسیار کمتر از حالت بدون ترانس است و در نتیجه اتلاف توان کمتر است .

با وجود ترانس خطی در مدار تلفات ترانس نیز به مدار اضافه می گردد با این حال تلفات کل خیلی کمتر از حالت بدون ترانس است. در حالت بدون ترانس خازن C1 به دلیل اینکه در مقابل 310 ولت قرار دارد با از نوع 400 ولت یا بیشتر قرار بگیرد به همین دلیل هزینه آن نسبت به خازن C1 در مدار شکل 5 که در مقابل ولتاژ 14 تا 20 ولت است بیشتر است.

اما در حالت با ترانس عنصر ترانس نسبت به حالت قبل بیشتر می باشد که خود شامل هزینه است .از نظر ابعادی مدار شکل 4 بدلیل نداشتن ترانسفورماتور ابعاد کوچکتری دارد. انتخاب نوع مدار بسته به نوع استفاده و محدودیت های موجود انجام می شود.