مدارات حفاظتی رگولاتور های خطی

آی‌سی‌های رگولاتور خطی شامل مدارات حفاظتی است که آن‌ها را در برابر اضافه جریان و اضافه دما حفاظت می‌کند. دو مدار حفاظتی که در اکثر آی‌سی‌های رگولاتور خطی یافت می‌شود، خاموشی حرارتی و محدود کننده جریان است.

اولویت مدارهای حفاظتی رگولاتور
خاموشی حرارتی، محدودکننده جریان و تقویت‌کننده خطای ولتاژی، سه حلقه کنترلی جدا را تشکیل می‌دهند که طبق یک سلسله مراتب مشخص و اولویت بندی شده وظایف خود را انجام می‌دهند. اولویت بندی این حلقه‌های کنترلی به صورت زیر است:

این سلسله مراتب به این معناست که رگولاتور خطی در حالت عادی به ثابت کردن ولتاژ خروجی مشغول است. اما این کار در صورتی است که جریان بار و دمای اتصال نیمه‌هادی‌ها، کمتر از محدوده آستانه‌شان باشند.

اگر جریان بار به حد نهایی خود افزایش یابد، مدار محدود کننده جریان، کنترل مدار را به دست گرفته و با تغییراتی در error amp، جریان خروجی را به حد مجاز خود محدود می‌کند. زمانی که جریان خروجی به اندازه کافی کاهش یابد و مدار کنترل جریان از سمت خود کناره‌گیری کند، حلقه کنترلی error amp خواهد توانست کنترل رگولاتور را به عهده بگیرد.

افزایش دما و نزدیک شدن به حد آستانه (حدود ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد)، باعث خواهد شد خاموشی حرارتی فعال شده و ترانزیستور قدرت را قطع کرده و به این ترتیب جریان بار تلفات توان را کاهش دهد. لازم به ذکر است محدود کننده حرارتی فرمانده کل است و در صورت فعال شدن، اختیار دو حلقه کنترلی دیگر را در دست خوهد گرفت.

توجه داشته باشید، رگولاتور وقتی ولتاژ خروجی‌اش را ثابت نگه می‌دارد که در حالت ولتاژ ثابت باشد. در حالت محدود کنندگی جریان، ولتاژ خروجی به منظور رسیدن به محدوده مجاز جریان، کاهش خواهد یافت. در حالت محدود کنندگی حرارتی، ولتاژ خروجی افت کرده و جریان خروجی به هر مقداری، حتی صفر کاهش کاهد یافت.

خاموشی حرارتی
مدار خاموشی حرارتی در یک IC، از افزایش دمای پیوندها، که منجر به خرابی قطعه می‌شود، جلوگیری می‌کند. مدار با نظارت بر دمای قطعه و کاهش تلفات توان داخلی، دما را در نقطه بحرانی نگه خواهد داشت.

عملکرد مدار:
سنسور دما در نزدیک ترانزیستور قدرت (Q1) ساخته شده‌است تا بتواند دما را از نزدیک دنبال کند. مقاومت‌های R1 و R2، بیس Q1 را در حدود 0.35 ولت، که معادل ولتاژ روشن شدن ترانزیستور در دمای 160 درجه سانتی‌گراد است،نگه می‌دارند.

هنگامی که دمای قطعه بالا می‌رود، بالاخره Q1 به آستانه روشنایی خود می‌رسد و جریان اعمالی به طبقه قدرت را از خود عبور می‌دهد. به این ترتیب جریان بار کاهش یافته و سبب کاهش تلفات توان (حرارتی) داخل رگولاتور می‌شود.

در این وضعیت، ولتاژ و جریان خروجی هر دو کاهش می‌یابند. هنگامی‌که ولتاژ خروجی به زیر مقدار نامی خود می‌رسد، error amp سعی می‌کند با سیگنال خطای متناسب، این افت ولتاژ را تصحیح کند. اما مدار محدود کننده حرارتی، برای نگه داشتن دمای پیوند نیمه‌هادی ها در حداکثر دمای 160 درجه سانتی‌گراد، هم می‌تواند کنترل مدار حفاظت جریان را به عهده بگیرد هم مدار error amp یا تنظیم کننده ولتاژ را. همان‌طور که در شکل نشان‌داده شده‌است، مدار محدود کننده حرارتی می‌تواند مقادیر مربوط به حلقه کنترل ولتاژ را تغییر دهد تا آسیبی به IC نرسد.

محدود‌کننده جریان
عملکرد مربوط به مدار محدود‌کننده جریان جلوگیری از آسیب دیدگی IC است، هنگامی که یک اضافه بار (امپدانس بار بسیار کم است) به آن متصل می‌شود. بدون محدودکننده جریان، رگولاتور تمایل به تامین جریان اضافه بار را دارد و به این ترتیب ترانزیستور درگاه آسیب خواهد دید. برای جلوگیری از این اتفاق، مدار محدودکننده جریان با تغییر مقادیر مربوط به حلقه کنترل ولتاژ و کاهش درایو ترانزیستور گذرگاه، حداکثر جریان عبوری از رگولاتور را تنظیم میکند. مدارات محدودکننده جریان در رگولاتورهای خطی به دو دسته اساسی تقسیم می‌شوند:

محدودکننده جریان ثابت
بیشینه مقدار جریانی که یک رگولاتور می‌تواند تحویل بار دهد، در دیتاشیت آن مشخص شده است. بسیاری از رگولاتورها فقط یک مقدار برای بیشینه جریانشان مشخص کرده‌اند. این مقادیر برای هر ورودی خروجی تا حداکثر مقادیر مجاز، تضمین شده‌اند.

به عنوان مثال، LP2952 برای مقادیر ولتاژ خروجی 1.25 تا 29 ولت، حداکثر جریان 250 میلی‌آمپری را تضمین می‌کند. در شکل زیر مدار ساده‌ای از یک محدودکننده جریان ثابت نشان‌داده شده‌است.

عملکرد مدار:
جریان بار توسط مقاومت Isense حس میشود (ولتاژی است متناسب با جریان). این ولتاژ با تقویت‌کننده تفاضلی تقویت و تغییر سطح داده می‌شود.

ولتاژ خروجی تقویت‌کننده تفاضلی، سیگنالی با مرجع زمین است که متانسب با جریان بار است. این سیگنال به ورودی معکوس‌کننده (-) Current error amp اعمال شده و ورودی غیر معکوس‌کننده (+) آن به یک ولتاژ مرجع متصل شده است. مقدار ولتاژ مرجع برابر معادل حداکثر ولتاژ خروجی تقویت‌کننده تفاضلی است وقتی بیشینه جریان از رگولاتور عبور می‌کند.

لازم به ذکر است تا وقتی که جریان بار کمتر از مقدار آستانه است، خروجی تقویت‌کننده “۱” است. وقتی که جریان بار به آستانه محدودکنندگی نزدیک می‌شود، خروجی تقویت‌کننده “۰” شده و خروجی تقویت‌کننده ولتاژ خطا بی اثر می‌شود.

هنگامی که محدودیت جریان اتفاق می‌افتد، ولتاژ خروجی رگولاتور به زیر مقدار نامی افت پیدا می‌کند. مدار کنترل حلقه ولتاژ این افت ولتاژ را حس کرده و در صدد تصحیح آن بر می‌آید؛ خروجی error amp سطح بالا می‌شود تا بتواند سطح ولتاژ خروجی را بالا ببرد، اما current error amp تمام جریان را از خود عبور می‌دهد و اثر error amp را از بین می‌برد. همانند محدودکننده حرارتی، محدودکننده جریان برای جلوگیری از آسیب رسیدن به IC، اثر حلقه کنترل ولتاژ را خنثی می‌کند.

 طبق نمودار شکل بالا، ولتاژ تا نقطه‌ای که جریان کمتر از بیشنه مقدار مجازش باشد، ثابت است. هنگامی که رگولاتور وارد حالت جریان ثابت شد، IC جریان بار را به حد نهایی محدود می‌کند؛ به این معنا که مقدار ولتاژ هر مقداری حتی تا صفر ولت خواهد شد.

لازم به ذکر است که محدود کننده حرارتی همیشه می‌تواند محدود کننده جریان را بی‌اثر کرده و می‌تواند ولتاژ و جریان را به هر مقداری کاهش دهد تا دمای اتصال پیوندها را در حدود ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد نگه دارد.

به عنوان مثال، وقتی خروجی LP2952 اتصال کوتاه شود، جریانی بیشتر از جریان نامی (بیشتر از 250 میلی‌آمپر) تا حداکثر 530 میلی‌آمپر از آن می‌گذرد. علت آن‌که حداکثر جریان اتصال کوتاه آن 530 میلی‌آمپر است، عملکرد مدار محدودکننده جریان است.

با این حال اگر ولتاژ ورودی به قدری زیاد باشد که گرمای لازم برای فعال شدن مدار حفاظت حرارتی عمل کند، جریان کاهش خواهد یافت تا دما در حدود ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد باقی بماند.

محدود کننده جریان وابسته به ولتاژ
رگولاتورهایی نسبتا جریان بالا هستند (>1A) نوعی از محدودکننده‌های جریان را استفاده می‌کنند که حداکثر مقدار مجاز جریان‌شان به اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی قطعه بستگی دارد.

ترانزیستورها یک مشخصه به عنوان ناحیه عملکرد امن (SOA) دارند که نشان دهنده این است که مقدار جریان ترانزیستور با افزایش مقدار ولتاژ می‌تواند کنترل شود. علت استفاده از مدارات کنترل جریان وابسته به ولتاژ به خاطر همین مشخص ترانزیستورهاست.

داده‌های نشان داده شده در نمودار SOA بالا از دیتاشیت TIP31A گرفته شده‌است. نکته مهم نمودار SOA این است که جریان کاری امن، وقتی که افت ولتاژ قطعه بیشینه مقدارش باشد، به کمتر از 15% جریان نامی‌اش کاهش می‌یابد. اگر جریان 3 آمپری مد نظرتان هست، VCE نباید بیشتر از ۱۴ ولت شود.

لازم به ذکر است که ولتاژ ورودی-خروجی عبوری از یک رگولاتور خطی همان ولتاژ VCE ترانزیستور گذرگاه است. یعنی جریان بار با توجه به مشخصه SOA ترانزیستور عبوری محدود شود. اگر قطعه بخواهد در شرایط اضافه باری طاقت بیاورد و آسیب نبیند، باید نمودار محدودیت جریان زیر نمودار SOA باشد. نمودار محدودیت جریان LM317 در ادامه نشان‌داده شده‌است.

مقایسه محدودکننده جریان ثابت با FOLDBACK
محدودکننده جریان ثابت و فولد بک خواص متفاوتی داشته و ممکن است سبب سردرگمی شوند. فرض کنید یک طراح بخواهد محدودکننده جریان را تست کند؛ او می‌تواند از یک مقاومت متغیر در خروجی رگولاتور به عنوان بار استفاده کند. وقتی مقاومت در مقادیر کمینه خود قرار می‌گیرد، به آستانه محدودکنندگی فرا خواهد رسید و محدودیت جریان اتفاق خواهد افتاد.

محدودکننده جریان ثابت
هنگامی که محدویت جریان اتفاق می‌افتد، ولتاژ خروجی نسبت به مقدار نامی‌اش کاهش داشته و رگولاتور از حالت ولتاژ ثابت وارد حالت جریان ثابت می‌شود. وقتی که مقاومت بار کاهش یافته و محدودیت جریان اتفاق می‌افتد، مقدار افت ولتاژ خروجی مستقیما با مقدار کاهش مقاومت رابطه دارد (زیرا جریان بار ثابت نگه داشته شده‌است). کاهش ولتاژ خروجی به تدریج رخ داده و همچنین با تنظیم مقاومت بار، ولتاژ خروجی بالا و پایین می‌شود. اگر مقاومت بار به قدری افزایش یابد تا به بالای نقطه فعال‌سازی محدودکننده جریان برسد، رگولاتور به طور خودکار به حالت ولتاژ ثابت باز خواهد گشت.

محدودکننده فولدبک
عملکرد مدار محدودکننده foldback کمی متفاوت است؛ زیرا کمی هیسترزیس داخلی دارد. اگر مقاومت بار به حدی کاهش یابد تا رگولاتور وارد نقطه محدودکنندگی شود، ولتاژ خروجی به طور ناگهانی به مقدار خیلی پایینی افت می‌کند. با برگشت مقاومت بار به نقطه‌ای که قبلا محدودکنندگی شروع شده بود، ممکن است ولتاژ خروجی دوباره به حالت نامی خود بر نگردد. به همین خاطر باید مقدار مقاومت کمی بیشتر شود تا رگولاتور دوباره وارد حالت عادی خود شود. به این پدیده هیسترزیس گویند و به خاطر شکل نمودار محدودکننده جریان فولدبک است.