تمام دستگاه‌های الکترونیکی، از ماشین، لپ تاپ تا تلفن همراه و غیره در برابر نوسانات ولتاژ، نیازمند محافظت هستند. امروزه، با وجود دستگاه‌هایی که قطعات ظریف و حساس‌تری همچون ریزپردازنده‌ها و مدارهای مجتمع (IC) دارند، حتی کوچکترین تغییرات در ولتاژ ممکن است سبب خرابی مدار حساس شما شود. خوب حالا وقتی که قطعات حساس به محافظت نیاز دارند، چه کاری انجام می‌دهند؟ آن‌ها به یک تنظیم‌کننده نیاز دارند تا ولتاژها را به شکلی ثابت و آرام از ورودی به خروجی منتقل سازد.
تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ چیست؟
در دنیای قطعات الکترونیکی، تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ یکی از پرکاربردترین‌ها است، اما وظیفه‌ی این IC چیست؟ این قطعه بدون توجه به مقدار ولتاژ ورودی، یک مدار با ولتاژ خروجی ثابت و قابل پیش‌بینی تامین می‌کند.
LM7805 یکی از مشهورترین تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی در دنیا است
اینکه تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ چطور به این مهم دست می‌یابد در نهایت به طراح بستگی دارد. مقداری از ولتاژ را می‌توان توسط یک دیود زنر ساده‌تر کنترل کرد، در حالی که برای کاربردهای دیگر نیازمند یک شکل ساختاری پیچیده‌تر از تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ یا خطی هستیم.
در نهایت، هر تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ دارای یک هدف اولیه و یک هدف ثانویه است:
هدف اولیه: تولید یک ولتاژ خروجی ثابت در یک مدار که در پاسخ به دگرگونی‌های ولتاژ ورودی رخ می‌دهد. ممکن است ولتاژ ورودی شما ۹ ولت باشد، اما تنها ۵ ولت خروجی داشته باشید، بنابراین باید آن را با استفاده از یک تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ، کاهش دهید.
هدف ثانویه: تنظیم‌کننده‌های ولتاژ در جهت محافظت از مدارهای الکترونیکی در برابر هر نوع آسیب احتمالی عمل می‌کنند. حتما دوست ندارید که ریز پردازنده‌ی خود را بسوزانید، زیرا این قطعات قادر به تحمل حتی یک جهش کوچک در ولتاژ نیز نیستند.
در مورد اضافه کردن تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ به مدار، این نکته قابل ذکر است که معمولا از یکی از انواع تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی یا تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ سوییچینگ استفاده می‌کنید. حالا به نحوه‌ی عملکرد آن‌ها می‌پردازیم.
تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی
این نوع از تنظیم‌کننده‌ها به عنوان یک تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ بر روی مدار شما عمل می‌کنند و این نوع از تنظیم‌کننده‌ها در طراحی‌های مقرون به صرفه که به توان کمتری نیاز دارند، کاربرد بیشتری دارند. به کمک یک تنظیم‌کننده‌ی خطی می‌توانید از مزایای یک ترانزیستور توان (BJT یا MOSFET) که در نقش ترانزیستور متغیر ظاهر می‌شوند، بهره بگیرید، زیرا آن‌ها با تغییر منبع ورودی، سبب کاهش یا افزایش ولتاژ خروجی مدار خواهند شد.
یک تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی، بدون توجه به نوع باری که در مدار شما قرار می‌گیرد همیشه به حرکت آرام خود ادامه می‌دهد تا یک ولتاژ خروجی ثابت و مداوم تامین نماید. مثلا یک تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی ۳ پین مثل مدل LM7805 که تا زمانی که ولتاژ ورودی از ۳۶ ولت بیشتر نباشد، یک خروجی ۱ آمپری ۵ ولتی ایجاد می‌کند.
LM705 به صورت سری سیم‌کشی شده تا یک ولتاژ خروجی ثابت تامین نماید
یکی از نقاط ضعف این نوع از تنظیم‌کننده‌ها، نحوه‌ی عملکرد آن‌هاست. به خاطر اینکه در ثابت نگه داشتن ولتاژ، عملکردی مشابه با یک رزیستور از خود نشان داده و در نهایت مقدار فراوانی انرژی را در تبدیل جریان مقاوم به گرما، به هدر می‌دهد. به همین دلیل است که تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی برای کاربردهایی با مصرف توان کمتر و حداقل تفاوت بین ولتاژ ورودی و خروجی مناسب هستند. حالا به مقایسه‌ی دو وضعیت مختلف تنظیم ولتاژ و بررسی عملکرد یک تنظیم‌کننده‌ی خطی می‌پردازیم:
اگر در LM7805 مقدار ۱۰ ولت منبع ورودی داشته باشید که به ۵ ولت کاهش بیابد، در نهایت ۵ وات هدر رفته و تنها ۵۰٪ بهره‌وری خواهید داشت.
اگر در تنظیم‌کننده‌ی LM7805 مقدار ۷ ولت ورودی داشته باشیم که به ۵ ولت کاهش یافته، در نهایت ۲ وات هدر می‌رود و به ۷۱٪ بهره‌وری دست خواهید یافت.
همانطور که مشاهده می‌کنید، هر چه مقدار توان ورودی اولیه کمتر باشد، بهره‌وری تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی افزایش خواهد یافت. وقتی که در مدار خود با این تنظیم‌کننده‌ها کار می‌کنید، اغلب با دو نوع سری یا شنت روبرو خواهید شد.
تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ سری
این تنظیم‌کننده‌ی متداول دارای یک ترانزیستور است که توسط دیود زنر کنترل شده و همراه بار به صورت سری قرار می‌گیرد. در اینجا تنظیم‌کننده از یک عنصر متغیر (در این مورد یک ترانزیستور) استفاده می‌کند تا با توجه به ولتاژ ورودی متغیر، مقاومت را کاهش یا افزایش داده و ولتاژ خروجی ثابت و مداومی ایجاد نماید.
یک مدار تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ سری ساده که یک خروجی DC تنظیم شده ایجاد می‌کند.
تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ شنت
این نوع تنظیم‌کننده نیز عملکردی مشابه با تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ سری دارد، با این تفاوت که به صورت سری سیم‌کشی نشده است. تمام ولتاژ اضافی از طریق فرآیند مشابه مقاومت متغیر به زمین منتقل می‌شود، که باز هم سبب هدر‌رفت انرژی می‌گردد. برخی از کاربردهای تنظیم‌کننده‌های شنت عبارت هستند از:
- محدود کننده‌های جریان دقیق
- بررسی ولتاژ
- منابع توان ولتاژ قابل تنظیم
- خطای تقویت‌کننده‌ها
- منبع جریان و مدارهای سینک
- ولتاژهای خروجی کم که منابع توان را تغییر می‌دهند
تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ شنت به صورت سری سیم‌کشی نشده است اما همچنان جریان اضافی را به زمین منتقل می‌کند.
به طور کلی، اگر با لوازم کم هزینه و با مقدار توان مصرفی سر و کار دارید که بهره‌وری تبدیل اولیت اصلی آن نیست، یک تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی بهترین گزینه برای شما خواهد بود. در آخر هم به بررسی برخی از مزایا و معایب تنظیم‌کننده‌های خطی می‌پردازیم، تا در پروژه‌های بعدی در نظر داشته باشید:
مزایا
- نسبت به تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ تداخل الکترومغناطیسی و نویز کمتری دارد
- زمان پاسخگویی سریعتری به تغییرات در ولتاژهای خطی یا بار دارد
- ولتاژ خروجی کم ثابت و مداوم تامین می‌کند که برای کاربردهای با توان کمتر مناسب هستند
معایب
- در صورتی که تفاوت میان ولتاژ ورودی و خروجی بالا باشد، بازده انرژی بسیار پایین خواهد آمد
- معمولا برای از بین بردن انرژی تلف شده به گرماگیر صفحه‌ای نیاز دارد
- ولتاژ خروجی شما بیشتر از ولتاژ ورودی نخواهد بود
تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سوییچینگ
تنظیم‌کننده‌های ولتاژ در زمانی که تفاوت ولتاژ ورودی و خروجی بسیار زیاد است، انتخاب بسیار مناسبی است. در مقایسه با تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی، تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ در مسئله‌ی بهره‌وری تبدیل برتری چشمگیری دارند. علاوه بر اینکه، تمامی بهره‌وری افزوده سبب افزایش قابل توجه پیچیدگی در مدار خواهد شد.
در ادامه متوجه تفاوت قابل توجه مدار داخلی تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ خواهید شد که از یک سوییچ کنترل شده به منظور تنظیم ولتاژ بهره می‌گیرند. به همین خاطر با نام تنظیم‌کننده‌ی سوییچینگ شناخته می‌شوند.
نحوه‌ی عملکرد یک تنظیم‌کننده‌ی سوییچینگ به چه صورت است؟ تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ به جای مقاوم‌سازی یک ولتاژ ورودی و انتقال آن به زمین به عنوان یک سینک، با توجه به بازخورد، شارژ را ذخیره نموده و در تکه‌های کوچک به عنوان ولتاژ خروجی تحویل می‌دهند. با تغذیه‌ی ولتاژ خروجی از سوییچ، تنظیم‌کننده لزوم کاهش یا افزایش زمان خروجی ولتاژ را بررسی می‌کند.
تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ کمی پیچیده می‌شوند
یک تنظیم‌کننده‌ی سوییچینگ با کمک یک ترانزیستور، سطح شارژ خود را حفظ می‌نماید. به این صورت که وقتی مخزن به انرژی بیشتری نیاز دارد، روشن می‌شود و زمانی که به ولتاژ خروجی مورد نظر دست یافت، خاموش می‌شود. به این ترتیب یک روش با بهره‌وری بیشتر برای مدیریت سطح ولتاژ خروجی با نوعی سیستم سد مانند خواهید داشت که نه تنها نسبت به جریان ولتاژ ورودی مقاومت است، بلکه به تغییرات ولتاژ واکنش نشان داده و در صورت لزوم روشن و خاموش می‌کند.
با این وجود، این روند روشن و خاموش کردن نیز معایبی دارد. هر چه تنظیم‌کننده‌ی سوییچینگ با سرعت بیشتری سوییچ شود، زمان بیشتری برای حرکت از حالت رسانا به غیررسانا صرف می‌کند که به طور کلی سبب کاهش بهره‌وری تبدیل خواهد شد. یک تنظیم‌کننده‌ی سوییچینگ نسبت به تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی، نویز بیشتری در مدار شما ایجاد خواهد نمود.
گرچه، برخلاف تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی، تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ کاربردهای متنوع‌تری دارند. این نوع از تنظیم‌کننده‌ها تنها ولتاژ را افزایش و یا کاهش نمی‌دهند بلکه آن را تبدیل می‌کنند. در ادامه سه تکنیک مشهور تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سوییچینگ را مشاهده می‌کنید:
Boost (افزاینده)
این روش با افزایش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ی بیشتری تولید می‌کند.
این مدار یک ورودی ۵ ولتی را افزایش داده و خروجی ۱۲ ولتی ایجاد می‌کند.
Buck (کاهنده)
این روش بر اساس ولتاژ ورودی متغیر، ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ی کمتری تولید می‌کند، تقریبا شبیه به نحوه‌ی عملکرد تنظیم‌کننده‌ی خطی می‌باشد.
این مدار یک ورودی ۸.۴۰ ولتی را کاهش داده و به خروجی ۵ ولتی تبدیل می‌کند.
Boost/Buck (اینورتر)
این یک شیوه‌ی دوگانه است که امکان کاهش یا افزایش، و یا تبدیل یک ولتاژ خروجی در حد نیاز را در اختیار طراح قرار می‌دهد.
به طور کلی، اگر با یک طراحی پیچیده سر و کار دارید که بهره‌وری تبدیل توان در آن یک مسئله‌ی مهم به شمار رفته و تفاوت بین ولتاژهای ورودی و خروجی بالا است، تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ بهترین گزینه برای شما هستند. در ادامه بهتر است پیش از انتخاب یک تنظیم‌کننده در پروژه‌های بعدی خود، این مزایا و معایب را نیز در نظر داشته باشید:
مزایا
- نسبت به تنظیم‌کننده‌های خطی به بهره‌وری تبدیل توان بالاتری دست می‌یابد، ۸۵٪
- به گرماگیر بر روی صفحه نیازی ندارند، اشغال فضای کمتر
- زمانی که تفاوت ولتاژهای ورودی و خروجی بسیار زیاد باشد، عملکرد مناسبی از خود نشان می‌دهند
معایب
- تداخل الکترومغناطیسی و نویز بیشتری نسبت به تنظیم‌کننده‌های خطی ایجاد می‌کنند
- به قطعات اضافی و پیچیده‌تری نیاز دارند
- افزایش هزینه‌ی قطعات، برای پروژه‌های کم هزینه چندان مقرون به صرفه نخواهد بود
حفظ سادگی – دیود زنر
ممکن است بسیاری از طراحان متوجه پیچیدگی تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی و سوییچینگ شده باشند. در چنین شرایطی، پیشنهاد ساده‌تر ما استفاده از یک دیود زنر برای تنظیم ولتاژ است. این قطعه به تنهایی در برخی مواقع، تمامی تنظیمات ولتاژ را بدون نیاز به هیچگونه اجزای خاص انجام می‌دهد.
دیود زنر با انتقال ولتاژ اضافی بالاتر از آستانه‌ی خود به زمین، این کار را انجام می‌دهد. گرچه، تمام این سادگی‌ها، محدودیت‌هایی به دنبال دارد و اغلب از دیود زنر به عنوان تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ برای کاربردهایی با توان کم استفاده می‌کنید.
به کدام تنظیم‌کننده نیاز دارید؟
تمام طراحی‌ها خاص هستند، و هیچ تنظیم‌کننده‌ی به خصوصی وجود ندارد که پاسخگوی تمام نیازهای یک مهندس باشد. در عوض باید پیش از آغاز هر پروژه، آن را به خوبی بررسی نموده و این سوال‌ها را از خود بپرسید:
- آیا طراحی شما به نویز خروجی کم و مداخله الکترومغناطیسی کم نیاز دارد؟ اگر چنین است، تنظیم‌کننده‌های خطی انتخاب مناسبی برای شما خواهند بود.
- آیا طراحی شما به سریعترین پاسخگویی به تغییرات ورودی و خروجی نیاز دارد؟ باز هم به تنظیم‌کننده‌های خطی نیاز دارید.
- آیا طراحی شما بودجه‌ی محدودی دارد و هر ریال آن برای شما ارزشمند است؟ در این صورت تنظیم‌کننده‌های خطی انتخاب اقتصادی‌تری هستند.
- آیا طراحی شما در سطح توان بالاتری کار می‌کنند؟ در چنین شرایطی تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ به دلیل عدم نیاز به گرماگیر، ارزان‌تر هستند.
- آیا طراحی شما به بهره‌وری تبدیل توان بالاتری نیاز دارد؟ تنظیم‌کننده‌های ولتاژ گزینه‌ی بهتری هستند و بهره‌وری آن‌ها برای کاربردهای افزاینده و کاهنده بیش از ۸۵٪ است.
- آیا دستگاه شما تنها با یک منبع توان DC عمل کرده و لازم است تا ولتاژ خروجی را افزایش دهید؟ تنظیم‌کننده‌های سوییچینگ بهترین گزینه برای شما هستند.
تنظیم‌کننده‌های افزاینده
هر دستگاهی که انتخاب می‌کنید، در برابر نوسانات ولتاژ نیاز به محافظت دارند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ بهترین گزینه برای انجام این کار هستند که توانایی یک‌نواخت‌سازی ولتاژ خروجی را دارا هستند تا شما را از عملکرد مناسب مدار مطمئن سازند. نوع تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ مورد نیاز شما به نیازهای طراحی شما بستگی دارد. آیا در کاربردهای توان پایین و کم هزینه، مشکل تبدیل بهره‌وری توان ندارید؟ تنظیم‌کننده‌های ولتاژ بهترین گزینه برای شما هستند. یا اگر طراحی پیچیده‌تری دارید که نیازمند افزایش و کاهش ولتاژ است. در این صورت می‌توانید از تنظیم‌کننده‌ّای سوییچینگ کمک بگیرید. هر نوع تنظیم‌کننده‌ای که انتخاب می‌کنید، در هر صورت از مدار خود در برابر خطرات تغییر ولتاژ محافظت خواهید نمود.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع مطلب: autodesk
منبع تصاویر: mosaic, hobby, circuitstoday, learnabout, rason, ktechnics, ultralibrarian
