دانلود مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ

word قابل ویرایش
70 صفحه
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ

چکیده
این مقاله درباره عملکرد رگولاتورهای خطی ولتاژ می‌باشد. متداول‌ترین روش‌های رگولاسیون مطرح خواهند شد. در قسمت رگولاتورهای خطی، انواع استاندارد، LDO و نیمه LDO به همراه مثالهای مداری ، تشریح خواهند شد. البته رگولاتورهای سویچینگ دارای انواع کاهشی، کاهشی – افزایشی ، افزایشی و بازگشتی نیز وجود دارند. همچنین مثالهایی از کاربردهای عملی با استفاده از این رگولاتورها ارائه می‌شود.

مقدمه
رگولاتور خطی بلوک ساختاری اساسی تقریبا هر منبع تغذیه الکترونیکی می‌باشد. استفاده از IC رگولاتور خطی آسان است و بطور کامل حفاظت شده (fool proof) می‌باشد و آنقدر ارزان است که معمولا یکی از ارزان‌ترین اجزای یک سیستم الکترونیکی می‌باشد. این مقاله اطلاعاتی برای درک عمیق‌تر عملکرد رگولاتور خطی ارائه می‌دهد و کمک می‌کند تا کاربردها و مشخصه‌های رگولاتور به خوبی معلوم گردد. تعدادی مدار واقعی از رگولاتورهای تجاری که در حال حاضر موجودند، ارائه می‌شود.
محصولات جدید در حوزه تنظیم کننده‌های LDO واقع شده اند که در بسیاری از کاربردها، مزایای بیشتری نسبت به رگولاتورهای استاندارد ارائه می‌دهند.

عملکرد رگولاتورهای خطی ولتاژ

مقدمه
هر مدار الکترونیکی نیاز به ولتاژ تغذیه‌ای دارد که معمولا ثابت فرض می‌شود. یک رگولاتور ولتاژ، این ولتاژ خروجی dc ثابت را فراهم می‌کند و شامل مجموعه‌ مداراتی است که بطور مداوم ولتاژ خروجی را بدون توجه به تغییرات جریان بار یا ولتاژ ورودی، در مقدار طراحی، ثابت نگه می‌دارد(فرض بر این است که جریان بار و ولتاژ ورودی در محدوده عملکرد تعیین شده برای قطعه می‌باشند).
رگولاتور ولتاژ خطی پایه

یک رگولاتور خطی به کمک یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ، ولتاژ معین و ثابتی را در پایانه خروجی‌اش ایجاد می‌کند. (شکل ۱ را ببینید).

ژ
شکل ۱ـ دیاگرام عملکرد رگولاتور خطی
مجموعه مدارات کنترلی باید ولتاژ خروجی را حس کند و منبع جریان را( به میزانی که مورد نیاز بار است) برای نگه داشتن ولتاژ خروجی در میزان مطلوب تنظیم نماید. محدودیت طراحی منبع جریان، حداکثر جریان باری را که رگولاتور می‌دهد، در حالی که همچنان به صورت رگوله باشد، معین می‌کند. ولتاژ خروجی با یک حلقه فیدبک که به نوعی جبران سازی برای حصول اطمینان از پایداری حلقه نیاز دارد، کنترل می‌شود. بیشتر رگولاتورهای خطی دارای جبران سازی داخلی هستند و بدون نیاز به به اجزای

خارجی، کاملا پایدار می‌باشند. برخی رگولاتورها( مانند انواع LDO ) ، به مقداری ظرفیت خازنی خارجی که از خروجی به زمین وصل شده است، برای حصول اطمینان از پایداری تنظیم کننده احتیاج دارند. مشخصه دیگر هر رگولاتور خطی این است که برای اصلاح ولتاژ خروجی بعد از تغییر در جریان بار، به مقدار محدودی زمان نیاز دارد. این تاخیر زمانی بیانگر مشخصه پاسخ زودگذر است که نشان می‌دهد یک رگولاتور بعد از تغییر بار با چه سرعتی می تواند به شریط حالت پایدار بازگردد.
عملکرد حلقه کنترلی

عملکرد حلقه کنترلی در یک رگولاتور خطی واقعی با استفاده از دیاگرام مختصر شده شکل ۲ توضیح داده خواهد شد. (وظیفه حلقه کنترلی در همه انواع رگولاتورهای خطی ، یکسان است).

شکل ۲ـ دیاگرام یک رگولاتور خطی واقعی

قطعه عبوری Q1 در این رگولاتور از یک زوج دارلینگتون NPN که بوسیله یک ترانزیستور PNP راه‌اندازی می‌شود، تشکیل شده است (این topology یک رگولاتور استاندارد است) .جریان خارج شده از امیتر ترانزیستور عبوری (که همان جریان بار IL می‌باشد) بوسیله QQ2 و تقویت کننده خطای ولتاژ کنترل می‌شود. جریان عبوری از مقسم مقاومتی R2,R1 در مقایسه با جریان بار، ناچیز است. حلقه فیدبکی که ولتاژ خروجی را کنترل می‌کند با استفاده از R2,R1 برای حس کردن ولتاژ خروجی و اعمال این ولتاژ به ورودی معکوس کننده تقویت کننده خطای ولتاژ، ایجاد می‌گردد. ورودی غیر معکوس کننده به ولتاژ مرجع وصل است که به این معنی است که تقویت کننده خطا بطور دائم ولتاژ خروجی‌اش را (و همچنین جریان را از طریقQ1) طوری تنظیم می‌کند که ولتاژهای دو سر ورودی‌اش ، برابر گردد. عملکرد حلقه فیدبک بطور مداوم خروجی را در یک مقدار معین که ضریبی از ولتاژ مرجع است (که بوسیله R2,R1 تنظیم می‌شود)، بدون توجه به تغییرات جریان بار، ثابت نگه می‌دارد. باید توجه داشت که یک افزایش یا کاهش ناگهانی در جریان بار (یا یک تغییر پله‌ای در مقاومت بار) باعث می‌شود ولتاژ خروجی آنقدر تغییر کند تا حلقه بتواند آنرا تصیح کند و در یک سطح جدید تثبیت گردد(که به این، پاسخ زودگذر گفته می‌شود). تغییر ولتاژ خروجی بوسیله R2,R1 حس می‌شود و به صورت یک سیگنال خطا در ورودی تقویت کننده خطا ظاهر می‌گردد و باعث می‌شود تا جریان از طریق Q1 تصحیح گردد.
انواع رگولاتورهای خطی (LDO ، استاندارد و نیمه LDO)
سه نوع اساسی از رگولاتورهای خطی شرح داده می‌شود : رگولاتور استاندارد (شامل دارلینگتونNPN ) ، Low-Dropout یا رگولاتور LDO و رگولاتور نیمه LDO .
مهمترین تفاوت این سه نوع رگولاتور ، ولتاژ dropout می‌باشد که کمترین افت ولتاژی است که برای حفظ رگولاسیون ولتاژ خروجی مورد نیاز است. نکته مهمی که باید در نظر گرفت این است که رگولاتور خطی با کوچکترین ولتاژی کار کند که کمترین تلفات توان داخلی وبیشترین راندمان را داشته باشد. رگولاتور LDO به کمترین مقدار ولتاژ نیاز دارد، در حالی که رگولاتور استاندارد به بیشترین مقدار ولتاژ احتیاج دارد. تفاوت مهم دیگر رگولاتورها ، جریان پایه زمین است که رگولاتور در زمان تحریک یا به راه اندختن

جریان بار مشخص شده‌اش به آن نیاز دارد. رگولاتور استاندارد کمترین جریان پایه زمین را دارد ، در حالی که نوع LDO به طور کلی بالاترین جریان را دارد (این تفاوتها در بخش‌های بعدی شرح داده خواهد شد). جریان افزایش‌یافته پایه زمین ، نامطلوب است زیرا یک جریان هدر رفته می‌باشد. به این دلیل که باید منبع آنرا تامین کند ولی به بار داده نمی‌شود.

رگولاتور (NPN) استاندارد
در اولین رگولاتورهای ولتاژ ساخته شده به صورت IC ، برای قطعه عبوری از پیکربندی دارلینگتون NPN استفاده شد و آنها به عنوان رگولاتورهای استاندارد معرفی شدند. (شکل ۳ را ببینید) .

شکل ۳ـ رگولاتور (NPN) استاندارد
نکته مهم در رگولاتورهای استاندارد این است که برای رگولاسیون خروجی ، ترانزیستور عبوری به یک ولتاژ کمینه که با رابطه زیر داده می‌شود، نیاز دارد:
VD(MIN)= 2VBE + VCE
این ولتاژ در گستره‌ دمایی ۵۵- درجه تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد، بوسیله کارخانه بین حدود ۵/۲ تا ۳ ولت تنظیم می‌شود تا محدودیت‌های عملکرد تعیین شده ، تضمین گردد. ولتاژی که خروجی به ازای آن واقعا از حالت رگولاسیون خارج می‌شود ( که ولتاژ dropout نام دارد)، برای رگولاتور استاندارد ، مقداری بین ۵/۱ تا ۲/۲ ولت دارد ( که هم به جریان بار وهم به دما وابسته است). ولتاژ dropoutرگولاتور استاندارد ، بالاترین (بدترین) مقدار را در بین این سه نوع رگولاتور دارد. جریان پایه زمین در این رگولاتور خیلی کم است (LM309 می‌تواند جریان بار یک آمپر را با جریان پایه زمین کمتر از ۱۰ میلی‌آمپر تامین نماید) . علتش این است که جریان تحریک بیس ترانزیستور عبوری (که به

پایه زمین می‌رسد) برابر است با جریان بار تقسیم بر بهره قطعه عبوری. در رگولاتور استاندارد، شبکه قطعه عبوری از یک ترانزیستور PNP و دو ترانزیستور NPN تشکیل یافته است که در نتیجه بهره جریان کل آن خیلی زیاد است(بیشتر از ۳۰۰) . نتیجه استفاده از یک قطعه عبوری با چنین بهره جریان بالایی این است که به جریان خیلی کوچکی برای تحریک بیس ترانزیستور عبوری نیاز است که به جریان پایه زمین کمتری منجر می‌شود. جریان پایه زمین این رگولاتور کمترین (بهترین ) مقدار را در بین سه نوع رگولاتور دارد.

رگولاتور Low – Dropout (LDO)
رگولاتور LDO از این جهت با رگولاتور استاندارد تفاوت دارد که قطعه عبوری در LDO تنها از یک ترانزیستور PNP ساخته شده است (شکل ۴ را ببینید).

شکل ۴ـ رگولاتور LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نیاز در رگولاتور LDO برای رگولاسیون، ولتاژ روی ترانزیستور PNP می‌باشد.
VD(MIN) = VCE

حداکثر ولتاژ dropout تعیین شده یک رگولاتور LDO حدود۰٫۷ تا ۰٫۸ ولت در جریان کامل است و مقدار واقعی آن حدود ۰٫۶ ولت می‌باشد. ولتاژ dropout مستقیما به جریان بار بستگی دارد که به معنی این است که در مقادیر خیلی کم جریان بار، ممکن است ولتاژ d ropout به کوچکی ۵۰ میلی ولت باشد. رگولاتور LDO پایین ترین ( بهترین ) مقدار ولتاژ dropout را در بین سه نوع رگولاتور دارد. ولتاژ dropout پایین‌تر ، دلیل تسلط رگولاتورهای LDO در عرصه کاربردهای با توان باتری می‌باشد زیرا آنها استفاده از ولتاژ ورودی موجود را به حداکثر رسانده اند و می‌توانند با راندمان بالاتری کار کنند. رشد بسیار سریع محصولات با مصرف عمومی (با توان باتری) در سالهای اخیر باعث

تکامل در خط تولید رگولاتورهای LDO شده است. جریان پایه زمین در یک رگولاتور LDO تقریبا برابر جریان بار تقسیم بر بهره تک ترانزیستور PNP می‌باشد. در نتیجه جریان پایه زمین یک رگولاتور LDO از همه رگولاتورهای دیگر بالاتر است. برای مثال، یک رگولاتور LP2953 که جریان کامل تحویلی آن ۲۵۰ میلی آمپر می‌باشد، جریان پایه زمین ۲۸ میلی آمپر یا کمتر دارد که به معنی بهره PNP برابر ۹ یا کمی بیشتر می‌باشد. LM2940 یک رگولاتور یک آمپری می‌باشد که جریان پایه زمین ماکزیمم ۴۵ میلی آمپر در جریان کامل دارد. این به معنای بهره ۲۲ یا کمی بیشتر برای ترانزیستور عبوری PNP در جریان مربوطه‌می‌باشد.
رگولاتور نیمه LDO

یک نوع متفاوت از رگولاتور استاندارد، رگولاتور نیمه LDO می‌باشد که دو ترانزیستور PNP,NPN را به عنوان قطعه عبوری بکار می‌برد ( شکل ۵ را ببینید).

شکل ۵ـ رگولاتور نیمه LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نیاز روی این رگولاتور برای رگولاسیون با رابطه زیر داده می‌شود:
VD(MIN) = VBE+ VCE

برای ولتاژ dropout در رگولاتور نیمه LDO که جریان معینی را تحویل می‌دهد ، بیشینه‌ای حدود۵/۱ ولت تعیین شده است. ولتاژ dropout واقعی وابسته به دما و جریان بار است. ولی نباید انتظار داشت که حتی در کمترین میزان بار در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد از حدود ۹/۰ ولت پایین‌تر برود . ولتاژ dropout برای رگولاتور نیمه LDO بیشتر از رگولاتور LDO ، ولی کمتر از رگولاتور استاندارد می‌باشد. جریان پایه زمین در این رگولاتور مانند رگولاتور استاندارد به طور مناسبی پایین است (معمولا در جریان کامل کمتر از ۱۰ میلی آمپر).

خلاصه
مقایسه‌ای بین سه نوع رگولاتور در شکل ۶ نشان داده شده است.

شکل ۶ـ مقایسه انواع رگولاتورهای خطی
رگولاتور استاندارد برای کاربردهای توان AC بهترین است که هزینه پایین و جریان بار زیادش آنرا به انتخاب ایده‌آل تبدیل می‌کند. در کاربردهای توان AC ، ولتاژ روی رگولاتور معمولا حداقل ۳ ولت است، پس ولتاژ dropout بحرانی نخواهد بود. بطور جالب توجهی ، در این نوع کاربرد (که در آن افت ولتاژ در رگولاتور بیشتر از ۳ ولت است). رگولاتورهای استاندارد نسبت به انواع LDO واقعا موثرترند (زیرا این رگولاتورها طبق جریان پایه زمین‌شان ، تلفات توان داخلی بسیار کمتری دارند). رگولاتورهای LDO برای کاربردهای باتوان باتری مناسب‌ترند، زیرا ولتاژ dropout پایین تر آنها با کاهش تعداد سلول‌های باتری مورد نیاز برای تهیه ولتاژ خروجی رگوله شده مستقیما باعث

صرفه‌جویی در هزینه می‌شود. اگر تفاضل ولتاژ ورودی‌ – خروجی پایین باشد (مثلا ۱ تا ۲ ولت)، LDO از استاندارد موثرتر است. زیرا حاصل ضرب جریان بار در این تفاضل به تلفات توان کمتری منجر می‌شود.
انتخاب بهترین رگولاتور برای کاربرد مورد نظر
بهترین گزینه برای یک کاربرد خاص با برآوردکردن شرایطی مثل شرایط زیر مشخص می‌شود:

حداکثر جریان بارـ نوع منبع ولتاژ ورودی(ACیا باتری) ـ دقت ولتاژ خروجی(تلرانس) ـ جریان خاموشی (بدون سیگنال ورودی) ـ ویژگیهای خاص (پایه Shutdown )، پرچم خطا و غیره)
حداکثر جریان بار
زمانی که یک IC رگولاتور انتخاب می‌کنید، حداکثر جریان مورد نیاز در آن کاربرد را باید به دقت مد نظر بگیرید. مشخصه جریان بار در یک IC رگولاتور یا به صورت یک مقدار تکی و یا به صورت مقداری که به تفاضل ولتاژ ورودی – خروجی وابسته است، تعریف می‌شود( این موضوع در بخش بعدی در مدارهای محافظ شرح داده خواهد شد).
رگولاتور انتخاب شده باشد بتواند در بدترین شرایط عملکرد، جریان کافی به بار بدهد.

منبع ولتاژ ورودی (باتری یا AC)
ولتاژ ورودی موجود(منبع AC یا باتری) براینکه چه رگولاتوری برای یک کاربرد خاص مناسب‌تر است، تاثیر زیادی دارد.

باتری : در کاربردهای باتوان باتری، رگولاتورهای LDO معمولا بهترین گزینه‌اند زیرا ولتاژ ورودی موجود را کامل‌تر مورد استفاده قرار می‌دهند (و از مدت زمان دشارژ شدن باتری می‌توانند طولانی‌تر کار کنند). برای نمونه یک باتری ۶ ولتی با الکترودهای سربی و الکترولیت اسید سولفوریک رقیق(یک نوع باتری معروف) ولتاژ پایانه‌ای حدود ۳/۶ ولت در زمان شارژ کامل و حدود ۵/۵ ولت در نقطه پایانی حالت دشارژ خود دارد. اگر یک طراح بخواهد یک منبع ۵ ولتی رگوله شده که با این باتری تغذیه می‌شود بسازد به یک رگولاتور LDO نیاز دارد ( زیرا ولتاژ dropout آن حدود ۵/۰ تا ۳/۱ ولت می‌باشد).

AC: اگر یک تغذیه DC از یک منبع AC یکسو شده داشته باشیم، ولتاژ dropout رگولاتور به آن اندازه بحرانی نخواهد بود زیرا ولتاژ ورودی اضافی رگولاتور با افزایش ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور AC ایجاد می‌شود ( بوسیله اضافه کردن دورهای سیم پیچی ثانویه). در این کاربردها یک رگولاتور استاندارد معمولا اقتصادی‌ترین گزینه است و جریان بار بیشتری فراهم می‌کند.هر چند، در بعضی موارد ، مزایای اضافی ودقت بیشتر ولتاژ خروجی در بعضی از رگولاتورهای جدید LDO، آنها را بدل به بهترین انتخاب کرده است.
دقت ولتاژ خروجی(تلرانس)

رگولاتورهای خطی واقعی معمولا مشخصه ولتاژ خروجی دارند که تضمین می‌کند خروجی رگوله شده تا حدود حداکثر ۵ درصد با مقدار اسمی اختلاف داشته باشد. این دقت برای بیشتر کاربردها کافی است. رگولاتورهای جدید زیادی وجود دارند که تلرانس‌های خروجی کوچکتری دارند(به طور معمول کمتر از ۲ درصد) و با استفاده از فرآیند laser-trim (ساخته شده با لیزر) ایجاد می‌شوند. همچنین، بسیاری از رگولاتورهای جدید مشخصه های خروجی جداگانه‌ای دارند که دمای اتاق و گستره دمایی عملکرد کامل و همچنین شرایط بار کامل و بی‌باری را پوشش می‌دهند.

جریان خاموشی
جریان خاموشی که در زمان عدم استفاده(چه زمان خاموش بودن وچه زمانی که جریان بار زیادی تحویل داده نمی‌شود) بوسیله یک قطعه از منبع کشیده می‌شود، در کاربردهای باتوان باتری اهمیت فوق العاده‌ای دارد. در بعضی کاربردها، ممکن است یک رگولاتور در بیشتر اوقات قطع( در حالت انتظار) باشد و فقط زمانی که رگولاتور اصلی دچار اشکال می‌شود، جریان بار را تامین کند. در این موارد، جریان خاموشی، عمر باتری را تعیین می‌کند. بسیاری از رگولاتورهای LDO جدید برای جریان خاموشی پایین بهینه شده اند( مثلا ۷۵ تا ۱۵۰ میکرو آمپر) و نسبت به رگولاتورهای معمولی که چندین میلی‌آمپر می‌کشند،‌ عملکرد خیلی بهتری دارند.

ویژگیهای خاص
بسیاری از رگولاتوهای LDO مزایایی عرضه می‌کنند که باعث می‌شود طراح انعطاف بیشتری داشته باشد. Shut down : یک پایه Shut down با توان پایین اجازه می‌دهد تا رگولاتور با استفاده از یک گیت منطقی یا میکرو کنترلر خاموش شود. این ویژگی همچنین باعث می‌شود که بتوان رگولاتور را برای کاربرد خاموش و روشن کردن خیلی سریع، سیم بندی نمود که در یکی از مثالهای طراحی شرح داده خواهد شد.

محافظت در برابر تخلیه بار:
رگولاتورهایی که به صورت خودکار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در برابر جرقه‌های ناشی از اضافه ولتاژ(تخلیه بار) نیاز به محافظت داخلی دارند. در این موارد ، رگولاتور به طور معمول خروجی را در حین ایجاد جرقه های ناشی از اضافه ولتاژ ، قطع می‌کند و پس از آن دوباره آنرا وصل می‌کند.

محافظت در برابر ولتاژ ورودی معکوس:
این خاصیت، در کاربردهایی که در آن کاربر می‌تواند بطور اتفاقی پلاریته باتریها را جابجا کند، مانع از آسیب رسیدن به رگولاتور می‌شود.
پرچم خطا
این پرچم در زمانی که خروجی به مقداری کمتر از پنج درصد مقدار اسمی‌اش تنزل یابد، به مدارات کنترلی یا نظارت هشدار می‌دهد وبه عنوان یک پرچم اخطار در نظر گرفته شده که می‌تواند به کنترلر هشدار دهد که ولتاژ تغذیه آنقدر پایین است که ممکن است باعث عملکرد غیر عادی CPU یا مدارات منطقی به هم پیوسته گردد.
مدارهای محافظی که داخل IC های رگولاتور خطی ساخته شده‌اند

IC های رگولاتور خطی شامل مدارات محافظ داخلی هستند ک آنها را در برابر جریان بار اضافی و یا دمای کار بالا ایمن می‌نماید . دو مدار محافظی که تقریبا در همه IC های رگولاتور خطی یافت می‌شوند عبارتند از : قطع کننده دمایی و محدودکننده جریان
شبکه زنجیره ای فرمان
قطع کننده دمایی، محدوده کننده جریان و تقویت کننده خطای ولتاژ سه حلقه کنترلی جداگانه و مجزا درست می‌کنند که سلسله مراتب (ترتیب اولویت) معینی دارند که اجازه می‌دهد یکی از آنها، اثر بقیه را خنثی نماید. ترتیب اولویت فرمان (واهمیت ) حلقه‌ها به این صورت است:‌ ۱ـ‌ محدود کننده دما(IC دمای پیوند یا تلف توان را تنظیم می‌کند) ۲ـ‌ محدود کننده جریان (IC جریان بار را تنظیم می‌کند) ۳ـ کنترل ولتاژ (IC ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند)

این سلسله مراتب به این معنی است که یک رگولاتور خطی تمایل دارد در حالت ولتاژ ثابت که در آن ، تقویت کننده خطای ولتاژ، ولتاژ خروجی را در یک مقدار معین نگه می‌دارد، کار کند. به هر حال، فرض می‌شود که جریان بار و دمای پیوند، هر دو پایین‌تر از مقادیر آستانه‌شان قرار دارند. اگر جریان بار از مقدار مشخص شده بیشتر شود، مدارات محدود کننده جریان کنترل را بدست می‌گیرد تا جریان بار به مقدار مشخص تنظیم شده‌اش برسد(اثر تقویت کننده خطای ولتاژ را خنثی می‌کند). تقویت کننده

خطای ولتاژ تنها زمانی می‌تواند به کنترل ادامه دهد که جریان بار به اندازه کافی کاهش یافته باعث شود مدارات محدود کننده جریان، کنترل را رها کند. این موضوع به تفصیل در بخش محدودیت جریان توضیح داده شده است. افزایش در دمای تراشه (بدون توجه به علت آن) تا حد نزدیک به آستانه محدودیت (حدود ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد) باعث می‌شود تا قطع کننده دمایی ترانزیستور قدرت را از کار بیندازد که به این ترتیب باعث کاهش جریان بار و تلفات توان داخلی می‌گردد. توجه کنید که محدود کننده دما می‌تواند مدارات محدود کننده جریان و تقویت کننده خطای ولتاژ، هر دو را خنثی نماید. قطع کننده دمایی در بخش بعدی شرح داده می‌شود.نکته مهم این است که رگولاتور تنها زمانی که در حالت ولتاژ ثابت است، ولتاژ خروجی‌اش را ثابت نگه می‌دارد. در حالت محدود کردن جریان، ولتاژ خروجی به اندازه‌ای که برای نگه داشتن جریان بار در مقدار مشخص تنظیم شده لازم است، کاهش خواهد یافت.در حالت محدود کردن دما، ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد و جریان بار به هر میزانی (شامل صفر) می‌تواند کاهش یابد: زمانی که قطعه در حالت قطع دمایی کار می‌کند هیچ عمل دیگری انجام نمی‌دهد.

قطع کننده دمایی
مدار قطع کننده دمایی یک IC است که از بیش از اندازه بالارفتن دمای پیوند و آسیب رسیدن به قطعه جلوگیری می‌کند. (شکل ۷ را ببینید). این کار با کنترل دمای تراشه وکاهش تلفات توان داخلی برای نگه داشتن دما در مقدار معین شده(معمولا حدود ۱۶۰ درجه سانتی گراد ) انجام می‌گردد.

شکل ۷ـ قطع کردن دمایی

عملکرد مدار :
حس کننده دما (Q1) ، برای حصول اطمینان از ردیابی دمایی خیلی دقیق، نزدیک به ترانزیستور قدرت بر روی تراشه قرار گرفته است. مقاومت‌های R2 , R1 ، بیس Q1 را در حدود ۳۵/۰ ولت ، مطابق با VBE روشن Q1، در دمای حدود ۱۶۰ درجه سانتی گراد ، نگه می‌دارند . به محض اینکه دمای تراشه بالا می‌رود، Q1 در نهایت به آستانه روشنایی (حدود ۱۶۰ درجه ) می‌رسد و شروع به کشیدن جریان ازمنبع جریان که طبقه توان را تغذیه می‌کند، می‌نماید. در نتیجه جریان بار کاهش می‌یابد ( یا به کلی قطع می‌شود) که در نتیجه آن تلفات توان داخلی رگولاتور نیز کاهش خواهد یافت .در مواردی که محدودیت‌ دمایی رخ می‌دهد ،ولتاژ خروجی و جریان، هر دو کاهش می‌یابند.

زمانی که ولتاژ خروجی پایین‌تر از مقدار اسمی‌اش باشد، سیگنال خطای ظاهر شده در تقویت کننده خطای ولتاژ، باعث می‌شود تقویت کننده ،ولتاژ خروجی را با بالابردن خروجی‌اش،تصحیح نماید(و با دادن جریان بیشتر به ترانزیستور عبوری ). مدار محدود کننده دمایی می‌تواند تمام جریان را از خروجی تقویت کننده خطا، بکشد و ولتاژ و جریان خروجی رگولاتور را به اندازه موردنیاز پایین نگه دارد تا دمای پیوند حدود ۱۶۰ درجه بماند. همانطور که نشان داده شد، محدود کننده دما می‌تواند زمانی که لازم است از آسیب رسیدن به IC جلوگیری شود، اثر حلقه کنترل ولتاژ را خنثی نماید.

محدود کننده جریان
کار محدود کننده جریان جلوگیری از آسیب رسیدن به IC حین قرار گرفتن یک اضافه بار در خروجی رگولاتور است (یعنی زمانی که امپدانس بار خیلی پایین است). بدون محدود کننده جریان، رگولاتور جریان بار اضافی خواهد کشید و ترانزیستور عبوری داخل قطعه از بین خواهد رفت. برای جلوگیری از این اتفاق، مدار محدود کننده جریان حلقه کنترل ولتاژ را خنثی می‌نماید و تغذیه ترانزیستور عبوری را کاهش می‌دهد که در نتیجه به حداکثر سطح جریان مطمئنه، اضافه نمی‌گردد. دونوع اساسی مدار محدود کننده جریان وجود دارد که در رگولاتورهای خطی بکارگرفته می‌شود( که در بخش بعد شرح داده خواهد شد) : محدود کننده جریان ثابت – محدودکننده جریان مستقل از ولتاژ (که گاهی اوقات محدود کننده اتصال کوتاه نامیده می‌شود)

محدود کننده جریان ثابت
حداکثر جریانی را که یک رگولاتور خطی می‌تواند به بار بدهد در برگه اطلاعات مشخص شده است. بطور کلی بسیاری از رگولاتورها (و بیشتر رگولاتورهای LDO ) تنها یک مقدار معین برای حداکثر جریان مشخص می‌کنند. این مقدار برای هر ولتاژ ورودی یا خروجی که در اندازه ماکزیمم مشخصات قطعه وجود دارد،تضمین شده است. برای مثال LP2952 برای دادن جریان حداقل ۲۵۰ میلی آمپر بدون رفتن به حالت محدودیت جریان، تاوقتی که خروجی در گستره ۲۵/۱ تا ۲۹ ولت وولتاژ ورودی حداقل ۸/۰ ولت بالاتر از خروجی قرار دارد، تضمین شده است. در شکل ۸ یک نقشه مختصر از مداری که محدودیت جریان ثابت را فراهم می‌کند، نشان داده شده است. این یک طراحی مجزا (و نه بصورت مدار مجتمع ) می‌باشد. (مدار استفاده شده در یک IC تنظیم کننده کمی متفاوت است).

 

شکل ۸ـ مدار محدود کننده جریان ثابت
عملکرد مدار:
جریان بار با مقاومت «I SENSE » حس می‌شود که ولتاژی ایجاد می‌کند که به طور مستقیم به جریان بستگی دارد.این ولتاژبوسیله تقویت کننده تفاضلی تغییر سطح داده شده و تقویت می‌شود. ولتاژ خروجی تقویت کننده تفاضل یک سیگنال مرجع نسبت به زمین است که متناسب با جریان بار می‌باشد. این سیگنال جریان بار که از تقویت کننده تفاضلی می‌آید، به ورودی معکوس‌کننده تقویت کننده خطای محدودیت جریان وارد می‌شود، در حالی که ورودی غیر معکوس کننده آن، به یک ولتاژ مرجع وصل

می‌شود مقدار این ولتاژ مرجع وقتی رگولاتور حداکثر جریان را تحویل می‌دهد( در نقطه محدودیت جریان)، با ولتاژ خروجی تقویت کننده تفاضلی برابر خواهد بود. توجه کنید تا وقتی که جریان بار کمتر از آستانه محدودیت باشد، خروجی تقویت کننده خطای جریان بالا می‌باشد(و تقویت کننده خطای ولتاژ ، رگولاتور رادر حالت ولتاژ ثابت نگه می‌دارد) . زمانی که جریان بار به آستانه محدودیت می‌رسد ، خروجی تقویت کننده خطای جریان تنزل پیدا می‌کند وشروع به کشیدن جریان از خروجی تقویت کننده خطا

ی ولتاژ می‌نماید( به این ترتیب رگولاتور در حالت جریان ثابت قرار می‌گیرد ) . زمانی که محدودیت جریان رخ می‌دهد ، ولتاژ خروجی رگولاتور ، به مقداری پایین‌تر ا ز مقدار اسمی‌اش تنزل می‌یابد که بوسیله تقویت کننده خطای ولتاژ به عنوان شرایط افت ولتاژ حس می‌شود. تقویت کننده خطای ولتاژ ، خروجی‌اش را افزایش می‌دهد ولی تقویت کننده خطای جریان می‌تواند تمام جریانی را که از تقویت کننده خطای ولتاژ می‌آید، بکشد.مانند محدود کننده دما، محدود کننده جریان نیز برای جلوگیری از آسیب

رسیدن به IC ، اثر تقویت کننده خطای ولتاژ را خنثی می‌نماید. خط بار نشان داده شده در شکل ۸ نشان می‌دهد که چگونه ولتاژ خروجی در بالای نقطه‌ای که جریان بار به مقدار مشخص شده‌اش می‌رسد و رگولاتور در حال گذار به حالت جریان ثابت است، نگه داشته می‌شود. زمانی که در حالت جریان ثابت هستیم ، IC جریان بار را در مقدار مشخص شده‌اش تنظیم می‌کند. پس ولتاژ خروجی می‌تواند هر مقداری کمتر از صفر داشته باشد. محدود کننده دما می‌تواند همیشه اثر محدود کننده جریان را خنثی

نماید و می‌‌تواند ولتاژ خروجی و جریان را تا هر مقداری که برای ماندن دمای پیوند در حدود ۱۶۰ درجه لازم است، کاهش دهد.
برای نمونه اگر LP2952 ( که با جریان حداقل ۲۵۰ میلی‌آمپر مشخص شده است) از خروجی به زمین اتصال کوتاه شود، جریانی بزرگتر از ۲۵۰ میلی آمپر کوچکتر از ۵۳۰ میلی‌آمپر از خروجی خارج می‌شود( مشخصات محدودیت جریان را در برگه اطلاعات ببینید).هر چند ، اگر ولتاژ ورودی برای تولید توان کافی برای فعال کردن محدودکننده دما، به اندازه کافی زیاد باشد این جریان به محض اینکه LP2952 دمای تراشه‌اش را در حدود ۱۶۰ درجه تنظیم کند، پایین می‌رود. نکته مهم: مدارات محدود کننده جریان(با توجه به مقتضیات )، سرعت خیلی بالایی دارند و استفاده از خازنهای کنارگذر ورودی در رگولاتور برای جلوگیری از اشکال احتمالی قطعه ناشی از تقابل با امپدانس منبع ورودی مفید است.

محدود کننده جریان مستقل از ولتاژ (اتصال کوتاه)
رگولاتورهای ولتاژی که نسبتا، جریان بالا(بزرگتر از یک آمپر) هستند، نوعی محدود کننده جریان بکار می‌برند که در آن حداکثر مقدار مجاز جریان بار به تفاضل ولتاژ ورودی و خروجی قطعه بستگی دارد. دلیل استفاده از چنین محدود کننده‌ای این است که طبق مشخصه حوزه عملکرد ایمن(SOA) ترانزیستورها، مقدار جریانی که یک ترانزیستور با افزایش ولتاژ می‌تواند داشته باشد، محدود است.( شکل ۹ را ببینید)

شکل ۹ـ منحنی‌های SOA برای ترانزیستور ۳A/60V NPN
اطلاعات نشان داده شده در منحنی SOA از یک برگه اطلاعات مربوط به ترانزیستور TIP31A(3A/60V) NPN گرفته شده است. اطلاعات مهم منحنی SOA این است که زمانی که ولتاژ روی قطعه (VCE) در بالاترین میزان طراحی شده قرار دارد، مقدار جریان عملکرد ایمن به ۱۵ درصد ماکزیمم خود کاهش می‌یابد. اگر جریان کامل طراحی شده ، ۳ آمپر باشد، VCE نباید از ۱۴ ولت تجاوز کند. مهم است بدانیم که ولتاژ ورودی – خروجی روی رگولاتور خطی همان VCE ترانزیستور عبوری می‌باشد. به این معنی که جریان بار باید مطابق با منحنی SOA ترانزیستور عبوری رگولاتور، محدود شود. اگر بخواهیم در شرایط اضافه بار نیز کار کنیم، منحنی محدودیت جریان رگولاتور خطی باید منطقه زیر منحنی SOA ترانزیستور عبوری را در بر بگیرد. منحنی محدودیت جریان LM317 برای روشن شدن این موضوع، بعدا شرح داده خواهد شد. می‌توان دید که شکل این منحنی شبیه منحنی SOA شکل ۹ است که در مقیاس خطی رسم شده است.

محدود کردن جریان درمقابل محدود کردن اتصال کوتاه
محدود کننده جریان و محدود کننده اتصال کوتاه مشخصه‌های متفاوتی دارند که ممکن است باعث سردرگمی شوند. فرض کنید که طراح بخواهد محدود کننده جریان را تست کند. او می‌تواند یک مقاومت توان قابل تنظیم را به خروجی رگولاتور وصل کند(شکل ۱۰ را ببینید). به محض اینکه مقاومت با مقادیر کمتری تنظیم شود (و جریان بار افزایش یابد)، سرانجام به جایی خواهیم رسید که محدودیت جریان رخ می‌دهد. محدود کننده جریان ثابت: اگر در ابتدا محدودیت جریان رخ دهد، به محض اینکه رگولاتور از حالت ولتاژ ثابت به حالت کاری جریان ثابت برود، ولتاژ خروجی از مقدار اسمی‌اش تنزل می‌یابد. به محض اینکه مقاومت بار کاهش یابد ومحدودیت جریان رخ دهد،مقدار

ولتاژ خروجی کم می‌شود که با کاهش مقاومت بار متناسب است(به دلیل اینکه جریان بار ثابت نگه داشته شده است). افت ولتاژ خروجی را می‌توان کم کم ایجاد نمود و ولتاژ خروجی را می‌توان با تنظیم مقاومت بار، بالا وپایین برد.اگر مقاومت بار در بالای نقطه ای که محدود کننده جریان فعال می‌شود،زیاد شود، رگولاتور به صورت خود کار به حالت ولتاژ ثابت باز می‌گردد(ولتاژ خروجی رگوله شده خواهد بود).

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 70 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد