رگولاتور ولتاژ با دیود زنر

رگولاتور ولتاژ با دیود زنر ، همانطور که مممکن است از اسمش فهمیده باشید مداری است که برای تنظیم و نگه داری ولتاژ در یک محدوده مشخص استفاده می شود. ولتاژ رگوله شده به معنی تامین ولتاژی ثابت و عاری از هرگونه نویز و یا اختلال است. خروجی یک رگولاتور ولتاژ مستقل از جریان بار، دما و تغییرات خط جریان متناوب است. رگولاتور های ولتاژ در تقریبا همه لوازم الکترونیکی یا لوازم خانگی مانند تلویزیون ها، یخچال، کامپیوتر و … برای ثابت کردن ولتاژ تغذیه، وجود دارند.

اگر بخواهیم خیلی ساده بیان کنیم، رگولاتور ولتاژ به منظور حفاظت از دستگاه تغییرات موجود در ولتاژ را تا حد امکان کوچک می کند. در سیستم های توزیع الکتریسیته، رگولاتور های ولتاژ در خطوط تغذیه و یا در پست های شبکه قرار دارند. در این خطوط دو نوع رگولاتور استفاده می شوند، یکی از آنها رگولاتور پله ای است، که در آن با استفاده از سوییچ هایی جریان تامین شده را تنظیم می کنند. دیگر نوع رگولاتور ها، رگولاتور القایی است؛ که در آنها یک ماشین الکتریکی متناوب مشابه یک ماشین القایی توان را به عنوان یک منبع ثانویه تامین می کند. این کار تغییرات ولتاژ را کاهش داده و خروجی ای ثابت به ما می دهد.

انواع مختلفی از رگولاتور های ولتاژ وجود دارد که در ادامه به آنها می پردازیم.

انواع مدار های رگولاتور ولتاژ:

مدار رگولاتور ولتاژ خطی:

• رگولاتور ولتاژ سری
• رگولاتور ولتاژ موازی

مدار رگولاتور ولتاژ زنر

مدار سوییچینگ رگولاتور ولتاژ

• نوع باک
• نوع بوست
• نوع باک / بوست

 

مدار رگولاتور ولتاژ خطی:

این نوع رگولاتور های رایج ترین نوع رگولاتور مصرفی در وسایل الکترونیکی هستند که برای داشتن یک خروجی ولتاژ ثابت استفاده می شوند. رگولاتور های ولتاژ خطی مانند یک مدار تقسیم کننده ولتاژ رفتار می کنند. در این رگولاتور ها مقاومت با توجه به تغییرات بار، تغییر کرده تا خروجی ای ثابت و بدون تغییر به ما بدهد. برخی مزایا و معایب رگولاتور های ولتاژ خطی در زیر بیان شده است:

مزایا:

• ریپل (نوسان) ولتاژ خروجی کم است
• پاسخ دهی سریع دارد
• نویز کمی دارد

معایب:

• بازده کم دارد
• نیاز به فضای زیادی دارد
• ولتاژ خروجی همواره کمتر از ولتاژ ورودی است

رگولاتور ولتاژ سری:

رگولاتور های ولتاژ سری نوعی از رگولاتور های ولتاژ خطی هستند که با نام رگولاتور سری گذر نیز شناخته می شوند. در این تنظیم کننده های ولتاژ یک عنصر متغیر به صورت سری برای داشتن خروجی ثابت استفاده می شود. با تغییر دادن مقاومت عنصر سری در مدار افت ولتاژ دو سمت آن نیز تغییر کرده تا از ثابت ماندن ولتاژ خروجی اطمینان پیدا شود.

همانگونه که در دیاگرام مداری زیر برای رگولاتور ولتاژ سری می توانید ببینید، ترانزیستور NPN شماره T1 عنصر سری ما بوده و از یک دیود زنر برای تامین ولتاژ مرجع استفاده شده است.

وقتی ولتاژ خروجی افزایش پیدا کند، ولتاژ بیس امیتر کاهش پیدا می کند و به همین دلیل ترانزیستور جریان کمتری عبور می دهد. با این کاهش رسانایی ولتاژ خروجی نیز کاهش پیدا می کند و به همین طریق ولتاژ خروجی ثابت نگه داشته می شود.

ولتاژ خروجی به صورت زیر تعریف می شود:

V_o = V_z – V_BE

که در این فرمول V_o ولتاژ خروجی، V_z ولتاژ شکست دیود زنر و V_BE ولتاژ بیس امیتر است.

رگولاتور ولتاژ موازی:

ولتاژ رگوله نشده به صورت مستقیم به افت ولتاژ در دو طرف مقاومتی که به صورت سری متصل شده است وابسته بوده و این افت ولتاژ به جریان کشیده شده توسط بار بستگی دارد. اگر جریان مصرفی در بار افزایش یابد، ولتاژ بیس نیز کاهش پیدا کرده و در نتیجه آن جریان کمتری از کالکتور ترانزیستور به سمت امیتر آن شارش پیدا می کند و بنابراین جریان گذرا از بار افزایش می یابد. ( و بالعکس )

ولتاژ رگوله شده خروجی رگولاتور موازی به صورت زیر تعریف می شود:

V_OUT = V_Z + V_BE

رگولاتور ولتاژ زنر:

رگولاتور های ولتاژ زنری ارزان تر بوده و تنها برای مدار هایی با توان کم قابل استفاده هستند. این رگولاتور ها در کاربرد هایی که میزان توان تلف شده در عملیات رگولاسیون دارای اهمیت بالایی نباشد استفاده می شود.

در این رگولاتور ها یک مقاومت به صورت سری به دیود زنر متصل شده تا میزان جریان عبوری از دیود را محدود کرده و ولتاژ ورودی V_in نیز ( که می بایست بیشتر از ولتاژ زنر باشد ) در دو طرف این دو همانگونه که در تصویر فوق نیز قابل مشاهده است وصل شده، و ولتاژ خروجی V_out نیز از دو سمت دیود زنر با رابطه V_z = V_out گرفته شده است. همانطور که می دانیم دیود زنر زمانی که ولتاژ اعمال شده بیشتر از ولتاژ شکست دیود باشد جریان را در جهت عکس عبور می دهد. بنابراین وقتی شروع به عبور جریان می کند، ولتاژ ثابتی را در دو طرف خود نگه داشته و جریان اضافی را باز می گرداند و در نتیجه ما ولتاژ خروجی با ثبات و یکسانی داریم.

رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ:

در حالت کلی سه نوع رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ وجود دارد:

• رگولاتور ولتاژ باک و یا کاهنده
• رگولاتور ولتاژ بوست و یا افزاینده
• رگولاتور ولتاژ باک / بوست

رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ باک یا کاهنده:

از یک رگولاتور باک برای کاهش ولتاژ در خروجی مدار استفاده می شود، ما می توانیم از یک مدار مقسم ولتاژ برای این کار استفاده کنیم اما بازده تقسیم کننده ولتاژ به دلیل این که مقاومت ها انرژی را تحت گرما دفع می کنند پایین است. در مدار این رگولاتور از خازن، دیود، سلف و کلید استفاده می کنیم. دیاگرام مداری مربوط به رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ باک در ادامه آورده شده است.

وقتی کلید در حالت روشن باشد، دیود در حالت بایاس معکوس باقی مانده و منبع تغذیه به سلف متصل است. وقتی کلید باز باشد قطب مثبت و منفی سلف معکوس شده و دیود در حالت بایاس مستقیم قرار می گیرد و سلف را به زمین متصل می کند و در نتیجه جریان گذرا از سلف با تابع زیر کاهش می باید:

d I_L / dt = (0-V_OUT) / L

از خازن برای جلوگیری از افت ولتاژ به میزان صفر در دو سمت بار استفاده می شود. اگر کلید را مرتبا باز و بسته کنیم ولتاژ میانگین در دو طرف بار کمتر از ولتاژ ورودی خواهد شد. شما می توانید ولتاژ خروجی را با تغییر دامنه حلقه نوسان دستگاه سوئیچینگ کنترل کنید.

ولتاژ خروجی = ولتاژ ورودی * درصد زمانی که کلید وصل است

رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ بوست و یا افزاینده:

از رگولاتور بوست برای افزایش ولتاژ در دو طرف بار استفاده می شود. دیاگرام مداری مربوط به رگولاتور بوست در تصویر زیر قابل مشاهده است:

زمانی که کلید بسته باشد دیود در حالت بایاس معکوس قرار گرفته و جریان گذرا از سلف افزایش می یابد. حال زمانی که کلید باز باشد، سلف جریانی ایجاد خواهد کرد که سبب می شود تا خازن آغاز به شارژ شدن کند. با باز و بسته کردن مکرر کلید ولتاژ دریافتی ما در دو سمت بار بیشتر از ولتاژ ورودی خواهد شد. ما می توانیم ولتاژ خروجی را با کنترل کردن زمان روشن بودن کلید کنترل کنیم.

ولتاژ خروجی = ولتاژ ورودی / درصد زمانی که کلید وصل است

رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ باک / بوست:

رگولاتور ولتاژ سوئیچینگ باک / بوست ترکیب هر دو رگولاتور های باک و بوست است، این رگولاتور خروجی ای معکوس شده که می تواند بیشتر و یا کمتر از ولتاژ ورودی باشد را به ما بدهد.

زمانی که کلید روشن باشد دیود در حالت بایاس معکوس رفتار کرده و سلف در داخل خود انرژی ذخیره می کند و زمانی که کلید در حالت قطع (خاموش) قرار بگیرد، سلف انرژی ای که از قبل ذخیره کرده را با قطبیت معکوس آزاد می سازد، که این عمل سبب شارژ شدن خازن می شود. زمانی که انرژی ذخیره شده در سلف به صفر برسد، خازن شروع به دشارژ شدن کرده و انرژی خود را با قطبیت معکوس به بار تحویل می دهد. با توجه به این ویژگی به این رگولاتور های مبدل رگولاتور و یا مبدل باک بوست نیز می گویند.

ولتاژ خروجی به صورت زیر تعریف می شود:

Vout = Vin (D / 1-D)

که در این فرمول D همان طول دوره تناوب یک دوره زمانی خاموش روشن شدن کلید است. برای یادگیری کاربرد قطعات الکترونیکی و انواع ماژول های الکتریکی میتوانید در دوره های آموزش رباتیک چالیک شرکت کنید.

مثال کاربردی برای مدار های رگولاتور:

مدار رگولاتور ولتاژ خطی مثبت:

ما با استفاده از آی سی 7805 یک مدار رگولاتور ولتاژ خطی مثبت طراحی کرده ایم. این آی سی تمامی مدارات مورد نیاز برای تامین ولتاژ رگوله شده 5 ولت را درون خود دارد. ولتاژ ورودی می بایست حداقل 2 ولت بیشتر از مقدار نامی آی سی LM7805 باشد، بنابر این ما می بایست حداقل 7 ولت در ورودی تامین کنیم.

ولتاژ رگوله نشده در ورودی به آی سی تحویل داده شده و ما در ترمینال خروجی ولتاژ رگوله شده دریافت می کنیم. نام این آی سی عملکرد آن را تعریف می کند، عدد 78 علامت مثبت بودن را نشان داده و عدد 05 مقدار ولتاژ رگوله شده خروجی را نشان می دهد. همانگونه که در دیاگرام مداری فوق مشاهده می کنید ما به آی سی 7805 ولتاژ 9 ولت را داده و ولتاژ رگوله شده +5 ولت را دریافت می کنیم. خازن های C1 و C2 برای فیلتر نویز استفاده شده اند.

مدار رگولاتور ولتاژ با دیود زنر

در اینجا ما یک رگولاتور ولتاژ زنری با استفاده از 5.1 ولت دیود زنر طراحی کرده ایم. دیود زنر در اینجا به عنوان عنصر حس کننده تغییرات کار می کند. وقتی ولتاژ ورودی از میزان ولتاژ شکست زنر بیشتر شود، دیود شروع به عبور جریان در جهت عکس کرده و ولتاژ را در مقدار ثابت نگه می دارد و جریان اضافی را بر می گرداند، در نتیحه خروجی ای تثبیت شده به ما ارائه می دهد. در این مدار از یک ولتاژ 9 ولت در ورودی استفاده کرده و حدودا 5.1 ولت، ولتاژ رگوله شده دریافت می کنیم.