انواع مختلف مدارات تنظیم کننده ولتاژ - بخش آخر

 

محافظ مدار در برابر اتصال کوتاه یا اضافه جریان

اگر در یک مدار مقدار جریان بار بیش از اندازه باشد، المان کنترلی (ترانزیستور) سریعا آسیب می‌بیند و از بین می‌رود. در اغلب رگولاتور‌های ولتاژ از یک نوع مدار محافظ در برابر اضافه جریان استفاده می‌شود که این مدارات به عنوان یک مکانیزم محدود کننده جریان (Current-Limiting) عمل می‌کنند.

در تصویر زیر یک مدار رگولاتور سری با محدود کننده جریان ثابت نشان داده شده است.

مدار رگولاتور سری با محدود کننده جریان ثابت

در مدار بالا، از یک روش برای محدود کردن جریان استفاده شده است که از به وجود آمدن اضافه بار در مدار جلوگیری می‌کند. این روش محدود کننده جریان ثابت نام دارد. مدار محدود کننده جریان از ترانزیستور Q۲و مقاومت R۴ تشکیل شده است. عبور جریان بار از مقاومت R۴ باعث ایجاد ولتاژ در طول بیس و امیتر ترانزیستور Q۲ می‌شود. زمانی که IL به مقدار بیشینه از پیش تعیین‌شده برسد، افت ولتاژ در طول مقاومت R۴ به اندازه کافی خواهد بود تا پیوند بیس امیتر ترانزیستور Q۲را در بایاس مستقیم قرار دهد و ترانزیستور را وارد مود هدایت کند.

مقدار کافی از جریان بیس ترانزیستور Q۱به کلکتور ترانزیستور Q۲ هدایت می‌شود، بنابراین مقدار جریان بار در بیشینه مجاز آن یعنی IL (max) محدود باقی خواهد ماند. چون ولتاژ بیس امیتر ترانزیستور Q۲ برای ترانزیستور‌های سیلیکونی، نمی‌تواند از ۰٫۷ ولت عبور کند، در نتیجه ولتاژ در طول مقاومت R۴نیز در همین مقدار حفظ می‌شود و جریان بار در مقدار زیر محدود می‌شود:
رگولاتور شنت ساده

همان طور که بیان کردیم، در رگولاتور ولتاژ سری المان کنترلی از یک ترانزیستور تشکیل می‌شود. یک شماتیک ساده و اجزای اساسی از رگولاتور خطی شنت یا موازی (Shunt Linear Regulator) نشان داده شده است.

شماتیک رگولاتور خطی شنت یا موازی

اجزای اساسی رگولاتور خطی شنت یا موازی

در تصویر زیر مدار ساده رگولاتور شنت با استفاده از اپ امپ دیده می‌شود.


بر اساس شکل بالا، در رگولاتور شنت ساده، المان کنترلی یک ترانزیستور (Q ۱) است که به صورت موازی با بار قرار گرفته است. یک مقاومت سری R۱ نیز در مدار وجود دارد که با بار سری است. عملکرد مدار بسیار شبیه به عملکرد مدار رگولاتور سری است و تفاوت آن‌ها در این است که در رگولاتور شنت جریان از طریق ترانزیستور موازی Q۱کنترل می‌شود.

زمانی که ولتاژ خروجی به دلیل تغییر در ولتاژ ورودی و یا جریان بار، در آستانه کاهش قرار می‌گیرد، مقاومت‌های R۳و R۴ این تغییر را اندازه می‌گیرند و به ورودی‌های غیر معکوس‌کننده اپ امپ اعمال می‌کنند. اختلاف به وجود آمده در ولتاژ، خروجی VB اپ امپ را کاهش می‌دهد و در نتیجه مقدار کمتری به ترانزیستور Q۱ وارد شده و جریان کلکتور آن کاهش می‌یابد و مقاومت داخلی کلکتور به امیتر آن یعنی r′CE افزایش می‌یابد. چون مقاومت r′CE با مقاومت R۱ مانند یک مقسم ولتاژ عمل می‌کند، در نتیجه از کاهش ولتاژ خروجی VOUTجلوگیری می‌کند و آن را در یک سطح ثابت نگه می‌دارد.

عکس این عملیات زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ خروجی در آستانه افزایش باشد. نمایی از عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود افزایش و کاهش ولتاژ ورودی و مقاومت بار در تصویر زیر نشان داده شده است.

عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود کاهش ولتاژ ورودی و مقاومت بار

عملکرد مدار رگولاتور ولتاژ شنت در مود افزایش ولتاژ ورودی و مقاومت بار

زمانی که جریان بار و ولتاژ خروجی ثابت باشند، تغییر در ولتاژ ورودی باعث تغییر در جریان شنت (IS) می‌شود. مقدار این تغییر بر اساس رابطه زیر به دست می‌آید:



اگر مقدار ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی در این مدار ثابت باشد، آن گاه تغییر در جریان بار با عث ایجاد تغییری مخالف در جریان شنت می‌شود. مقدار این تغییر به صورت زیر محاسبه می‌شود:


مفهوم فرمول بالا به این صورت است که اگر جریان بار افزایش یابد، مقدار جریان شنت کاهش می‌یابد و اگر جریان بار کاهش یابد، جریان شنت افزایش می‌یابد.

مدار رگولاتور شنت نسبت به مدار رگولاتور سری دارای راندمان کمتری است، اما مزیتی که رگولاتور شنت دارد در این است که به صورت خودکار می‌تواند در برابر اتصال کوتاه از مدار محافظت کند. اگر خروجی اتصال کوتاه شود (VOUT=۰)، آن‌گاه جریان بار توسط مقاومت سری R۱ به بیشینه خود (IS=۰) محدود می‌شود.

مثال ۲

در مدار شکل زیر، اگر بیشینه ولتاژ ورودی برابر با ۱۲٫۵ ولت باشد، مقاومت R۱چه مقدار توان باید داشته باشد.

مدار مثال دو