انواع مختلف مدارات تنظیم کننده ولتاژ - بخش دوم

رگولاتور ولتاژ سری

رگولاتور سری (Series Regulator) نوعی از رگولاتور‌های ولتاژ محسوب می‌شود که المان کنترلی به صورت سری با بار خروجی قرار می‌گیرد. یک شماتیک از رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال به همراه بلوک دیاگرام آن را می‌توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

شماتیک یک رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال

بلوک دیاگرام یک رگولاتور ولتاژ سری

در بلوک دیاگرام تصویر بالا، المان‌های اساسی یک رگولاتور سری نشان داده شده است. المان آشکارساز خطا (Error Detector) معمولا یک تقویت‌کننده عملیاتی یا اپ امپ است که به عنوان یک مقایسه کننده عمل می‌کند. همچنین در این رگولاتور، از ترانزیستور‌های قدرت به عنوان المان کنترلی استفاده می‌شود. مدار آشکارساز خطا یک نمونه از خروجی را با مقدار ولتاژ مرجع مقایسه می‌کند و المان ضروری برای جبران‌سازی را فراهم می‌آورد. به عبارت دیگر، با استفاده از مقدار خطای به دست آمده و جبران آن، می‌توان ولتاژ خروجی را در یک سطح ثابت حفظ کرد.

فرایند رگولاسیون

یک مدار رگولاتور سری اپ امپی در تصویر زیر نشان داده شده است.

رگولاتور سری اپ امپی

در این قسمت می‌خواهیم عملکرد این مدار را توضیح دهیم. مدار مقسم ولتاژ مقاومتی که از مقاومت‌های R۲و R۳ تشکیل شده است، هر تغییری در ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. زمانی که VIN کاهش یابد و یا به علت کاهش RL، جریان بار ILافزایش یابد، آن‌گاه مقدار ولتاژ اعمالی به ورودی‌های معکوس‌کننده اپ امپ از طریق مدار مقسم ولتاژ نیز به صورت متناسب کاهش می‌یابد و در نتیجه ولتاژ خروجی در حال کاهش خواهد بود.

چون دیود زنر D۱سایر ورودی‌های اپ امپ را تقریبا در ولتاژ مرجع (VREF) ثابت نگه می‌دارد، در نتیجه یک ولتاژ تفاضلی کوچک که به ولتاژ خطا معروف است، در ورودی‌های اپ امپ به وجود می‌آید. این ولتاژ خطا تقویت می‌شود و در نتیجه ولتاژ خروجی اپ امپ یعنی VB افزایش می‌یابد. این افزایش خروجی به بیس Q۱ اعمال می‌شود و باعث می‌شود ولتاژ امیتر (VOUT) افزایش یابد. این روند تا زمانی ادامه می‌یابد که ولتاژ ورودی معکوس‌کننده مجددا با مقدار ولتاژ مرجع برابر شود.

این عمل باعث می‌شود ولتاژ خروجی که در آستانه کاهش بود، تنظیم شود و بنابراین مقدار این ولتاژ تقریبا ثابت حفظ می‌شود. ترانزیستور قدرت Q۱معمولا با یک صفحه حرارتی (Heat Sink) مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا این ترانزیستور باید تمام جریان بار را کنترل کند.

هنگامی که مقدار ولتاژ ورودی افزایش یابد نیز دقیقا معکوس این عملیات انجام می‌گیرد و در نتیجه ولتاژ خروجی توسط رگولاتور سری ولتاژ در سطح ثابتی حفظ می‌شود. در شکل زیر شماتیکی از نحوه کار مدار در هر دو حالت افزایش و کاهش ولتاژ ورودی نشان داده شده است.

شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت کاهش ولتاژ ورودی

شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت افزایش ولتاژ ورودی

اپ امپ در مدار رگولاتور ولتاژ سری به صورت تقویت‌کننده معکوس کننده متصل شده است. در این مدار، ولتاژ مرجع VREFورودی ترمینال غیر معکوس‌کننده اپ امپ است و مقسم ولتاژ متشکل از مقاومت‌های R۲ و R۳یک مدار فیدبک منفی را به وجود می‌آورند. بهره ولتاژ حلقه بسته در این مدار برابر است با:



با استفاده از این آنالیز، می‌توان به این نتیجه رسید که ولتاژ خروجی توسط ولتاژ زنر و مقاومت‌های R۲و R۳تعیین می‌شود. مقدار این ولتاژ تقریبا از ولتاژ ورودی مستقل است و بنابراین مدار به عنوان رگولاتور ولتاژ به خوبی عمل می‌کند.

مثال ۱
مقدار ولتاژ خروجی مدار رگولاسیون زیر را به دست آورید.

مدار مثال یک