رگولاتور های خطی

هر مدار الکترونیکی طوری طراحی شده‌است که در یک ولتاژ مشخص و معمولا ثابت کار می‌کند. تنظیم کننده ولتاژ یا همان رگولاتور، این ولتاژ DC ثابت را فراهم می‌کند و از مداراتی تشکیل شده‌است تا بتواند علارغم تغییرات ولتاژ ورودی یا جریان بار، ولتاژ ثابتی را در خروجی‌ خود فراهم کند.

اساس یک رگولاتور خطی
یک رگولاتور خطی توسط یک منبع جریان کنترل شونده توسط ولتاژ، خروجی ثابتی را فراهم می‌کند (شکل۱).

شکل 1: دیاگرام عملیاتی یک رگولاتور خطی

مدار کنترلی با حس کردن ولتاژ خروجی، منبع جریان را طوری تنظیم می‌کند تا ولتاژ خروجی را در مقدار ثابتی نگه دارد. مقدار بیشینه جریانی که رگولاتور می‌تواند تحویل بار دهد و ولتاژ خروجی آن تغییر نکند، به محدودیت طراحی منبع جریان بستگی دارد. ولتاژ خروجی توسط یک حلقه فیدبک کنترل می‌شود که برای اطمینان از پایداری حلقه نیاز به برخی جبران سازها دارد. بسیاری از رگولاتورها، جبران‌ساز داخلی دارند و بدون نیاز به المان‌های خارجی پایدار هستند. برخی از رگولاتورها ( مانند نوع low-Dropout) به تعدادی خازن خارجی بین خروجی و زمین مدار نیاز دارند تا پایداری‌شان تضمین شود. مشخصه دیگر هر رگولاتور خطی، مقدار زمانی است که طول می‌کشد تا به ازای تغییرات جریان بار، ولتاژ خروجی تصحیح شود. این اختلاف زمانی تحت عنوان پاسخ گذرا (transient) مطرح می‌شود و بیان‌گر این است که رگولاتور چقدر سریع است تا بعد از تغییرات بار، به حالت پایدار خود برگردد.

عملکرد حلقه کنترلی
عملکرد حلقه کنترل یک رگولاتور خطی معمولی در ادامه تشریح خواهد شد. کلیت کار کنترل کننده در تمامی رگولاتورهای خطی یکسان است.

شکل 2: مدار یک رگولاتور خطی معمولی

قسمت گذرگاه (Q1) رگولاتور، از یک زوج دارلینگتون NPN که توسط یک ترانزیستور PNP درایو می‌شود، ساخته شده‌است. جریان خروجی از امیتر گذرگاه، توسط Q2 و error amp کنترل می‌شود. جریان عبوری از R1 و R2 نسبت به جریان RL ناچیز است، برای همین در نظر گرفته نشده‌است. حلقه کنترلی که ولتاژ خروجی را کنترل می‌کند از طریق مقاومت‌های R1 و R2 ولتاژ خروجی را حس می‌کند و ولتاژ حس شده را به ورودی منفی error amp اعمال می‌کند. ورودی مثبت آن به ولتاژ مرجعی متصل است که آپ امپ ولتاژ حس شده از خروجی رگولاتور را با آن مقایسه و سیگنالی در خروجی خود ایجاد می‌کند که اختلاف ولتاژ دو ورودی آپ امپ صفر شود. حلقه کنترلی به صورت پیوسته ولتاژ خروجی که مضربی از ولتاژ مرجع است را، ثابت نگه میدارد. لازم به ذکر است که تغییرات ناگهانی در جریان بار سبب تغییر در ولتاژ خروجی شده و کمی زمان می‌برد تا حلقه کنترلی بتواند سطح جدید را تصحیح و پایدار کند. تغییرات ولتاژی که از خروجی توسط R1 و R2 حس می‌شود و به عنوان سیگنال خطا به ورودی error amp اعمال می‌شود، سبب تصحیح جریان عبوری از Q1 می‌شود.

انواع رگولاتور خطی
سه نوع رگولاتور خطی وجود دارند که عبارتند از:
1) رگولاتور استاندارد (NPN دارلینگتون)
2) رگولاتور (LDO (Low dropout
3) رگولاتور شبه (LDO (Quasi LDO

اولین تفاوت را بدانیم!
مهمی که بین این سه مدل وجود دارد ولتاژ dropout است که به معنای حداقل اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی است تا تنظیم کنندگی ولتاژ خروجی حفظ شود. نکته اساسی که باید در نظر گرفت این است که رگولاتورهای خطی که با ولتاژ عبوری کمتری کار می‌کنند، تلفات کمتری داشته و راندمان بالاتری دارند. LDO کمترین و رگولاتور استاندارد بیشترین ولتاژ عبوری را نیاز دارد.

دومین تفاوت را بدانیم!
دومین تفاوت مهم بین انواع رگولاتور جریان پین زمین (Ground pin) مورد نیاز برای تامین جریان بار است. رگولاتور استاندارد کمترین جریان زمین و LDOها معمولا بیشترین را دارند. جریان افزایش یافته زمین، جریانی نامطلوب است زیرا جریان تلف شده است و باید توسط منبع تامین شود و بار را تغذیه نمیکند.

رگولاتور استاندارد
اولین آی سی رگولاتور ولتاژ ساخته شده، از یک زوج دارلینگتون در گذرگاه استفاده کرد و به عنوان رگولاتور استاندارد طراحی شد.

برای اینکه رگولاتور استاندارد بتواند تنظیم‌کنندگی خروجی‌اش را حفظ کند، لازم است حداقل ولتاژی در دو سر ترانزیستور گذرگاه ایجاد شود:

VD (min) = 2 VBE + VCE

در محدوده دمایی ۵۵- تا ۱۵۰+ درجه سانتی‌گراد، مقدار حداقل ولتاژ دو سر ترانزیستور حدود ۲.۵ تا ۳ ولت است.

ولتاژی که رگولاتور از چرخه تنظیم کنندگی‌اش خارج می‌شود ( ولتاژ dropout گفته می‌شود)، برای رگولاتور استاندارد بین 1.5 تا 2.2 ولت است که البته این مقدار به تغییرات دمایی و جریان بار بستگی دارد. ولتاژ dropout رگولاتورهای استاندارد، بیشترین (بدترین) مقدار را بین سه نوع رگولاتور گفته شده دارد.

جریان زمین رگولاتور استاندارد بسیار پایین است. به عنوان مثال LM309 می‌تواند بار 1 آمپری را تامین کند و فقط 10 میلی‌آمپر جریان از پین زمین بگذرد. علت آن این است که جریان درایو بیس ترانزیستور گذرگاه برابر جریان بار تقسیم بر گین گذرگاه است. در رگولاتور استاندارد، گذرگاه از یک ترانزیستور PNP و دو ترانزیستور NPN تشکیل شده است و به این معناست که گین جریان به شدت زیاد است (>۳۰۰).

نتیجه استفاده از گذرگاهی با گین جریان بالا این است که برای درایو کردن بیس ترانزیستور گذرگاه، به جریان کمی نیاز است و به همین خاطر جریان کمی وارد پین زمین می‌شود. جریان زمین رگولاتور استاندارد کمترین (بهترین) مقدار را در میان سه نوع رگولاتور دارد.

رگولاتور LDO
رگولاتور LDO با رگولاتور استاندارد در ساختار گذرگاهشان متفاوت‌اند و در رگولاتور LDO فقط از یک ترانزیستور PNP در گذرگاه استفاده شده‌است.

شکل 4: رگولاتور LDO

حداقل اختلاف ولتاژی که رگولاتور LDO بین ورودی و خروجی‌اش نیاز دارد تا عملیات تنظیم کنندگی‌اش را حفظ کند، افت ولتاژ دو سر ترانزیستور PNP است:

VD(min) = VCE

بیشترین اختلاف ولتاژ رگولاتور LDO در جریان کامل حدود 0.7 تا 0.8 ولت و در حالت عادی حدود 0.6 ولت است. ولتاژ dropout مستقیما به جریان بار بستگی دارد، به این معنا که در جریان‌های بار خیلی پایین، ولتاژ dropout ممکن است حدود 50 میلی‌ولت شود. رگولاتور LDO کمترین (بهترین) ولتاژ dropout در میان سه مدل رگولاتور خطی دارد.

به خاطر ولتاژ dropout پایین رگولاتور LDO، در کاربردهایی که تغذیه‌شان توسط باتری است، از این رگولاتورها استفاده می‌شود. زیرا ولتاژ ورودی و خروجی به همدیگر نزدیک‌ترند و راندمان رگولاتور بیشتر است. رشد بیش از حد محصولاتی که از باتری استفاده می‌کنند سبب توسعه رگولاتورهای LDO شده‌است.

جریان زمین رگولاتور LDO تقریبا برابر جریان بار تقسیم بر گین گذرگاه است ( در اینجا گذرگاه فقط یک ترانزیستور PNP است). در نتیجه جریان زمین رگولاتور LDO بیشترین (بدترین) مقدار را در میان سه نوع رگولاتور خطی دارد.

به عنوان مثال، رگولاتور LP2953 در جریان کامل (250 میلی‌آمپر)، جریان زمین حدودا 28 میلی‌آمپر دارد؛ یعنی گین ترانزیستور PNP حدود 9 است.

LM2940 یک رگولاتور LDO یک آمپر است که جریان زمین آن در جریان کامل 45 میلی آمپر است. به عبارت دیگر گین ترانزیستور گذرگاه حدود 22 است.

رگولاتور شبه LDO
نوعی از رگولاتور استاندارد، رگولاتور شبه LDO است که در گذرگاه از یک ترانزیستور PNP و NPN استفاده کرده است.

حداقل اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی که رگولاتور را در حالت تنظیم کنندگی‌اش نگه دارد برابر است با:

VD(min) = VBE + VCE

ولتاژ dropout برای رگولاتور شبه LDO در جریان نامی، حدود 5/1 ولت است. ولتاژ dropout حقیقی، به دما و جریان بار وابسته است اما کمتر از 9/0 ولت نیست. ولتاژ dropout برای رگولاتور شبه LDO از رگولاتور LDO بیشتر اما از رگولاتور استاندارد کم‌تر است. جریان زمین رگولاتور شبه LDO نسبتا کم و به خوبی رگولاتورهای استاندارد است.

خلاصه رگولاتورهای خطی
رگولاتور استاندارد به خاطر قیمت و جریان بار بالا، معمولا برای کاربردهایی که تغذیه AC دارند، بهترین انتخاب هستند. در کاربردهایی که تغذیه AC دارند، ولتاژ dropout نقش حیاتی ندارد. در این نوع کاربردها رگولاتورهای استاندارد به خاطر جریان زمین کم و تلفات پایینشان، نسبت به رگولاتورهای LDO بهینه‌ترند.

رگولاتور LDO بهترین گزینه برای کاربردهایی است که با باتری تغذیه می‌شوند. زیرا داشتن ولتاژ LDO پایین به معنای صرفه‌جویی در هزینه‌هاست و تعداد باتری کمتری برای تامین خروجی تنظیم شده نیاز است. اگر اختلاف بین خروجی و ورودی کم باشد (1تا 2 ولت)، رگولاتور LDO بهینه‌تر است؛ زیرا تلفات توان آن پایین است. شکل زیر مقایسه‌ای بین سه مدل رگولاتور را نشان میدهد.

شکل ۶: مقایسه انواع رگولاتورهای خطی