تحقیق اصول رگولاتورهاي خطي ولتاژ

رگولاتور خطي بلوك ساختاري اساسي تقريبا هر منبع تغذيه الكترونيكي مي‌باشد. استفاده از IC  رگولاتور خطي آسان است و بطور كامل حفاظت شده (fool proof)  مي‌باشد و آنقدر ارزان است كه معمولا يكي از ارزان‌ترين اجزاي يك سيستم الكترونيكي مي‌باشد. اين مقاله اطلاعاتي براي درك عميق‌تر عملكرد رگولاتور خطي ارائه مي‌دهد و كمك مي‌كند تا كاربردها و مشخصه‌هاي رگولاتور به خوبي معلوم گردد. تعدادي مدار واقعي از رگولاتورهاي تجاري كه در حال حاضر موجودند، ارائه مي‌شود. 

محصولات جديد در حوزه تنظيم كننده‌هاي LDO واقع شده اند كه در بسياري از كاربردها، مزاياي بيشتري نسبت به رگولاتورهاي استاندارد ارائه مي‌دهند. 

عملكرد رگولاتورهاي خطي ولتاژ 

مقدمه 

هر مدار الكترونيكي نياز به ولتاژ تغذيه‌اي دارد كه معمولا ثابت فرض مي‌شود.  يك رگولاتور ولتاژ، اين ولتاژ خروجي dc ثابت را فراهم مي‌كند و شامل مجموعه‌ مداراتي است كه بطور مداوم ولتاژ خروجي را بدون توجه به تغييرات جريان بار يا ولتاژ ورودي، در مقدار طراحي، ثابت نگه مي‌دارد(فرض بر اين است كه جريان بار و ولتاژ ورودي در محدوده عملكرد تعيين شده براي قطعه مي‌باشند). 

رگولاتور ولتاژ خطي پايه 

يك رگولاتور خطي به كمك يك منبع جريان كنترل شده با ولتاژ، ولتاژ معين و ثابتي را در پايانه خروجي‌اش ايجاد مي‌كند. 

مجموعه مدارات كنترلي بايد ولتاژ خروجي را حس كند و منبع جريان را( به ميزاني كه مورد نياز بار است) براي نگه داشتن ولتاژ خروجي در ميزان مطلوب تنظيم نمايد. محدوديت طراحي منبع جريان، حداكثر جريان باري را كه رگولاتور مي‌دهد، در حالي كه همچنان به صورت رگوله باشد، معين مي‌كند. ولتاژ خروجي با يك حلقه فيدبك كه به نوعي جبران سازي براي حصول اطمينان از پايداري حلقه نياز دارد، كنترل مي‌شود. بيشتر رگولاتورهاي خطي داراي جبران سازي داخلي هستند و بدون نياز به به اجزاي خارجي، كاملا پايدار مي‌باشند. برخي رگولاتورها( مانند انواع LDO ) ، به مقداري ظرفيت خازني خارجي كه از خروجي به زمين وصل شده است، براي حصول اطمينان از پايداري تنظيم كننده احتياج دارند. مشخصه ديگر هر رگولاتور خطي اين است كه براي اصلاح ولتاژ خروجي بعد از تغيير در جريان بار، به مقدار محدودي زمان نياز دارد. اين تاخير زماني بيانگر مشخصه پاسخ زودگذر است كه نشان مي‌دهد يك رگولاتور بعد از تغيير بار با چه سرعتي مي تواند به شريط حالت پايدار بازگردد. 

عملكرد حلقه كنترلي در يك رگولاتور خطي واقعي با استفاده از دياگرام مختصر شده شكل 2 توضيح داده خواهد شد. (وظيفه حلقه كنترلي در همه انواع رگولاتورهاي خطي ، يكسان است). 

قطعه عبوري Q1 در اين رگولاتور از يك زوج دارلينگتون NPN كه بوسيله يك ترانزيستور PNP راه‌اندازي مي‌شود، تشكيل شده است (اين topology يك رگولاتور استاندارد است) .جريان خارج شده از اميتر ترانزيستور عبوري (كه همان جريان بار IL مي‌باشد) بوسيله QQ2  و تقويت كننده خطاي ولتاژ كنترل مي‌شود. جريان عبوري از مقسم مقاومتي R2,R1 در مقايسه با جريان بار، ناچيز است. حلقه فيدبكي كه ولتاژ خروجي را كنترل مي‌كند با استفاده از R2,R1 براي حس كردن ولتاژ خروجي و اعمال اين ولتاژ به ورودي معكوس كننده تقويت كننده خطاي ولتاژ، ايجاد مي‌گردد. ورودي غير معكوس كننده به ولتاژ مرجع وصل است كه به اين معني است كه تقويت كننده خطا بطور دائم ولتاژ خروجي‌اش را (و همچنين جريان را از طريقQ1) طوري تنظيم  مي‌كند كه ولتاژهاي دو سر ورودي‌اش ، برابر گردد. عملكرد حلقه فيدبك بطور مداوم خروجي را در يك مقدار معين كه ضريبي از ولتاژ مرجع است (كه بوسيله R2,R1  تنظيم مي‌شود)، بدون توجه به تغييرات جريان بار، ثابت نگه مي‌دارد. بايد توجه داشت كه يك افزايش يا كاهش ناگهاني در جريان بار (يا يك تغيير پله‌اي در مقاومت بار) باعث مي‌شود ولتاژ خروجي آنقدر تغيير كند تا حلقه بتواند آنرا تصيح كند و در يك سطح جديد تثبيت گردد(كه به اين، پاسخ زودگذر گفته مي‌شود). تغيير ولتاژ خروجي بوسيله R2,R1 حس مي‌شود و به صورت يك سيگنال خطا در ورودي تقويت كننده خطا ظاهر مي‌گردد و باعث مي‌شود تا جريان از طريق Q1 تصحيح گردد. 

انواع رگولاتورهاي خطي (LDO ، استاندارد و نيمه LDO) 

سه نوع اساسي از رگولاتورهاي خطي شرح داده مي‌شود : رگولاتور استاندارد (شامل دارلينگتونNPN ) ، Low-Dropout يا رگولاتور LDO  و رگولاتور نيمه LDO .

مهمترين تفاوت اين سه نوع رگولاتور ، ولتاژ dropout مي‌باشد كه كمترين افت ولتاژي است كه براي حفظ رگولاسيون ولتاژ خروجي مورد نياز است. نكته مهمي كه بايد در نظر گرفت اين است كه رگولاتور خطي با كوچكترين ولتاژي كار كند كه كمترين تلفات توان داخلي وبيشترين راندمان را داشته باشد. رگولاتور LDO به كمترين مقدار ولتاژ نياز دارد، در حالي كه رگولاتور استاندارد به بيشترين مقدار ولتاژ احتياج دارد. تفاوت مهم ديگر رگولاتورها ، جريان پايه زمين است كه رگولاتور در زمان تحريك يا به راه اندختن جريان بار مشخص شده‌اش به آن نياز دارد. رگولاتور استاندارد كمترين جريان پايه زمين را دارد ، در حالي كه نوع LDO به طور كلي بالاترين جريان را دارد (اين تفاوتها در بخش‌هاي بعدي شرح داده خواهد شد). جريان افزايش‌يافته پايه زمين ، نامطلوب است زيرا يك جريان هدر رفته مي‌باشد. به اين دليل كه بايد منبع آنرا تامين كند ولي به بار داده نمي‌شود.