انواع مختلف مدارات تنظیم کننده ولتاژ - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator) یا تنظیم کننده ولتاژ فیدبک، سیستمی است که به منظور حفظ سطح ولتاژ در یک مقدار ثابت طراحی می‌شود. یک رگولاتور ولتاژ ممکن است از یک طراحی ساده پیش‌خور (Feed-forward) بهره ببرد و یا در مدار خود شامل فیدبک منفی باشد. همچنین امکان دارد یک رگولاتور ولتاژ از یک مکانیزم الکترومکانیکی و یا المان‌های الکتریکی استفاده کند. بسته به طراحی، یک رگولاتور ولتاژ می‌تواند یک یا دو ولتاژ DC یا AC را تنظیم کند.

رگولاتور‌های ولتاژ الکترونیکی در وسایلی مختلفی از جمله منبع تغذیه کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این حالت توسط رگولاتور، ولتاژ‌های DC در پردازنده و سایر بخش‌ها تعدیل و تنظیم می‌شوند. در دینام خودرو نیز رگولاتور‌های ولتاژ، میزان ولتاژ خروجی را کنترل می‌کنند. در یک سیستم توزیع الکتریکی، رگولاتور‌های ولتاژ در پست‌ها و یا در طول خطوط توزیع نصب می‌شوند تا تمام مشترکین مقدار ولتاژ ثابتی را مستقل از این‌که چه مقدار توان از خط کشیده شود، دریافت کنند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مختلف مدارات تنظیم کننده ولتاژ فیدبک با اپ امپ و طرز کار آن‌ها بپردازیم. انواع دیگر رگولاتور‌های ولتاژ در مطالب مجزا مورد بحث قرار خواهد گرفت.

رگولاسیون بار

زمانی که ولتاژ DC ورودی تغییر می‌کند، یک مدار الکترونیکی که رگولاتور ولتاژ یا رگولاتور نام دارد، سطح ولتاژ خروجی را ثابت نگه می‌دارد. نمایی از این مدار در تصویر زیر نشان داده شده است.

نمایی از یک رگولاتور خط

عدم تغییر ولتاژ خروجی با تغییر ولتاژ ورودی در رگولاتور خط

رگولاسیون خط (Line Regulation) را می‌توان به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای تغییرات در ولتاژ خط ورودی تعریف کرد. زمانی که بازه‌ای از مقادیر ولتاژ ورودی را داشته باشیم، رگولاتور خط به صورت درصد و بر حسب عبارت زیر محاسبه می‌شود:



زمانی که به دلیل مقاومت متغیر بار، مقدار جریان عبوری از آن بار تغییر کند، وظیفه تنظیم کننده ولتاژ این است که سطح ولتاژ در دو سر بار را در یک حد ثابت نگه دارد. در تصویر زیر شماتیکی از یک رگولاتور بار را می‌توان مشاهده کرد.

نمایی از یک رگولاتور بار

عدم تغییر ولتاژ خروجی در یک رگولاتور بار با تغییر جریان بار

همان طور که در تصویر بالا مشاهده می‌شود، هر تغییری در جریان بار در عمل هیچ تاثیری روی ولتاژ خروجی یک رگولاتور ندارد.

رگولاسیون بار (Load Regulation) را می‌توان به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای تغییرات داده شده در جریان بار تعریف کرد. یک راه برای بیان کردن رگولاتور بار به صورت درصد تغییرات در ولتاژ خروجی از حالت بی باری (No-Load) تا بار کامل (Full-Load) است. بر اساس این تعریف درصد رگولاتور بار به صورت زیر محاسبه می‌شود:


یک راه دیگر برای تعریف رگولاتور بار، بیان آن بر اساس درصد تغییرات در ولتاژ خروجی به ازای هر میلی آمپر تغییر در جریان بار است. به عنوان مثال، یک رگولاسیون بار به اندازه ۰٫۰۱٪ بر میلی آمپر، به این معنی است که هنگامی که جریان بار ۱ میلی آمپر افزایش یا کاهش یابد، ولتاژ خروجی به اندازه ۰٫۰۱ درصد تغییر می‌کند.

گاهی اوقات کارخانه سازنده منبع تغذیه، به جای تعریف رگولاسیون بار، مقدار معادلی از مقاومت خروجی (ROUT) منبع تغذیه را مشخص می‌کند. در مبحث مدار معادل تونن به این موضوع پرداختیم که می‌توان برای هر مدار خطی دو ترمینالی یا دو پورتی، مدار معادلی را ترسیم کرد که مدار معادل تونن نام دارد. در شکل زیر نمایی از مدار معادل تونن یک منبع تغذیه با مقاومت بار نشان داده شده است.

مدار معادل تونن یک منبع تغذیه با مقاومت بار

ولتاژ تونن برابر با ولتاژ منبع تغذیه در حالت بی باری (VNL) و مقاومت تونن برابر با مقدار مقاومت مشخص خروجی (ROUT) است. در حالت ایده‌آل، مقدار مقاومت خروجی متناظر با رگولاسیون بار ۰ درصد، برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود. اما در عمل، مقدار مقاومت خروجی یک منبع تغذیه مقدار کوچکی است و هیچ گاه به صورت کامل صفر نخواهد شد. مقدار ولتاژ خروجی با در نظر گرفتن مقدار مقاومت بار را می‌توان با استفاده از معادله مدار مقسم ولتاژ به صورت زیر محاسبه کرد:

معادله بالا روشی بسیار عالی برای محاسبه درصد رگولاسیون بار محسوب می‌شود که از مقاومت خروجی و کمینه مقدار مقاومت بار استفاده می‌کند.