مدیریت منابع تغذیه

رگولاتور خطی

تنظیم ولتاژ خروجی

یک رگولاتور خطی معمولاً از چندین المان کلیدی تشکیل شده است که برای تنظیم ولتاژ خروجی با هم کار می‌کنند. این اجزا عبارتند از:

  1. ولتاژ ورودی: ولتاژی است که به رگولاتور داده می شود.
  2. المان گذرگاه: معمولاً یک ترانزیستور یا چند ترانزیستور سری شده است که با کنترل شار جریان، ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند.
  3. ولتاژ رفرنس: این قطعه منبع ولتاژ پایدار است که به عنوان مرجع رگولاتور استفاده می‌شود. معمولاً توسط یک دیود زنر یا باند گپ ولتاژ رفرنس ارائه می‌شود.
  4. تقویت کننده خطا: این المان ولتاژ خروجی را با ولتاژ رفرنس مقایسه می‌کند و برای تنظیم ولتاژ خروجی به المان گذزگاه  فیدبک می‌دهد.
  5. مقاومت فیدبک: مقاومتی است که به صورت سری به المان گذرگاه متصل می‌شود و به تقویت کننده خطا فیدبک می‌دهد.
  6. خازن خروجی: این قطعه بین خروجی رگلاتور و زمین وصل می‌شود و با فیلتر کردن نویز با فرکانس بالا به تثبیت ولتاژ خروجی کمک می‌کند.

هنگامی که ولتاژ ورودی اعمال می‌شود، ولتاژ رفرنس یک ولتاژ مرجع پایدار تولید می‌کند که توسط تقویت‌کننده خطا با ولتاژ خروجی مقایسه می‌شود. اگر ولتاژ خروجی خیلی زیاد باشد، تقویت کننده خطا المان گذرگاه را برای کاهش ولتاژ تنظیم می‌کند. اگر ولتاژ خروجی خیلی کم باشد، تقویت کننده خطا المان گذرگاه را برای افزایش ولتاژ تنظیم می‌کند.
مقاومت فیدبک مسیری را برای جریان خروجی فراهم می‌کند و همچنین گین تقویت کننده خطا را تعیین می‌کند. خازن خروجی به رفع نوسانات ولتاژ و کاهش نویز در ولتاژ خروجی کمک می‌کند. به طور کلی، این قطعات با هم کار می‌کنند تا ولتاژ خروجی را تا یک سطح پایدار تنظیم کنند، حتی اگر ولتاژ ورودی یا بار تغییر کند.

سوالات متداول

رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ هردو تنظیم کننده یا رگولاتور ولتاژ هستند که معمولاً در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند.
یک رگولاتور خطی که به عنوان تنظیم کننده ولتاژ خطی نیز شناخته می‌شود، لین المان ولتاژ خروجی را با اتلاف انرژی اضافی به عنوان گرما تنظیم می‌کند. با استفاده از یک المان گذرگاه سری، مانند یک ترانزیستور یا یک دیود، برای تنظیم افت ولتاژ در سراسر عنصر کار می‌کند. رگولاتورهای خطی استفاده آسانی دارند، اما نسبتاً ناکارآمد هستند و ممکن است برای تنظیم ولتاژهای ورودی بالا یا بارهای جریان بالا مناسب نباشند.
یک رگولاتور سوئیچینگ که به عنوان منبع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) نیز شناخته می‌شود، ولتاژ خروجی را با روشن و خاموش کردن ولتاژ ورودی در فرکانس بالا تنظیم می کند. با استفاده از یک سلف یا ترانسفورماتور برای ذخیره انرژی و انتقال آن به بار کار می‌کند، در حالی که یک عنصر سوئیچینگ مانند ترانزیستور یا ماسفت ولتاژ را روشن و خاموش می‌کند. رگولاتورهای سوئیچینگ پیچیده‌تر هستند و ممکن است به اجزای خارجی بیشتری نیاز داشته باشند، اما کارآمدتر از رگولاتورهای خطی هستند و می‌توانند ولتاژ ورودی و بارهای جریان بالاتر را تحمل کنند.
از مزایای اصلی رگولاتورهای خطی می توان به سادگی، صدای کم و هزینه کم اشاره کرد. آنها اغلب در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن تنظیم ولتاژ دقیق و پایدار مورد نیاز است، مانند الکترونیک توان پایین، مدارهای مرجع ولتاژ و حسگر.
مزایای اصلی رگولاتورهای سوئیچینگ راندمان بالا، اندازه کوچک و تحمل ولتاژهای ورودی و بارهای جریان بالا است. آنها اغلب در کاربردهایی استفاده می‌شوند که بازده توان مهم است، مانند منابع تغذیه برای رایانه‌ها، تلفن همراه و سایر لوازم الکترونیکی توان بالا.
به طور کلی، انتخاب بین رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ به نیازها و کاربرد خاص شما، از جمله ولتاژ ورودی و جریان مورد نیاز، ولتاژ خروجی مورد نظر، و ملاحظات بازده و هزینه کلی بستگی دارد.

رگولاتورهای خطی در مقایسه با انواع دیگر رگولاتورهای ولتاژ مانند رگولاتورهای سوئیچینگ نسبتاً ناکارآمد هستند. کارایی یک رگولاتور خطی به اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی و جریان بار بستگی دارد.
بازدهی یک تنظیم کننده ولتاژ خطی به شرح زیر است:

راندمان = توان خروجی / توان ورودی = ولتاژ خروجی x جریان خروجی / ولتاژ ورودی x جریان ورودی

از آنجایی که یک رگولاتور خطی انرژی اضافی را به عنوان گرما تلف می‍کند، با افزایش اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی و افزایش جریان بار، کارایی آن کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی 12 ولت و ولتاژ خروجی 5 ولت باشد، رگولاتور خطی باید انرژی اضافی را به عنوان گرما دفع کند. اگر جریان بار 1 آمپر باشد، رگولاتور خطی باید 7 وات توان را تلف کند، که می‌تواند منجر به اتلاف حرارت بالا و مشکلات مدیریت حرارتی شود.
بازده یک رگولاتور خطی را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد:

راندمان = (ولتاژ خروجی / ولتاژ ورودی) x (جریان بار / جریان کل)

به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی 12 ولت، ولتاژ خروجی 5 ولت و جریان بار 1 آمپر باشد، بازده رگولاتور خطی خواهد بود:

1A/(1A+Iq)) ×  (5V/12V))

که در آن Iq جریان ساکن رگولاتور خطی است. جریان ساکن جریانی است که رگولاتور حتی زمانی که بار وجود ندارد مصرف می‌کند. بازده رگولاتور خطی بسته به رگولاتور خاص و شرایط عملیاتی معمولاً در محدوده 60 تا 80 درصد است. با این حال، رگولاتورهای سوئیچینگ می توانند بازدهی 90 درصد یا بالاتر داشته باشند، که آنها را به انتخاب کارآمدتری برای کاربردهای توان بالا تبدیل می‌کند.

رگولاتورهای خطی محدودیت‌های متعددی دارند که می‌تواند گستره کاربردهای خاص آنها را محدود کند. برخی از محدودیت های اصلی رگولاتور های خطی عبارتند از:

1. راندمان: رگولاتورهای خطی در مقایسه با انواع دیگر رگولاتورهای ولتاژ نسبتاً ناکارآمد هستند، زیرا انرژی اضافی را به شکل گرما دفع می‌کنند. این موضوع می‌تواند مشکلات مدیریت حرارتی ایجاد کند و بازدهی کلی سیستم را کاهش دهد.
2. اتلاف گرما: به دلیل اتلاف توان زیاد، رگولاتورهای خطی می‌توانند بسیار داغ شوند و ممکن است به هیت سینک ها یا مکانیسم های خنک کننده اضافی برای جلوگیری از آسیب به قطعات نیاز داشته باشند.
3. محدوده ولتاژ ورودی: رگولاتورهای خطی معمولاً برای تنظیم محدوده خاصی از ولتاژهای ورودی طراحی می‌شوند و ممکن است نتوانند ولتاژهای ورودی خیلی بالا یا خیلی پایین را کنتر‌ل کنند.
4. محدودیت های جریان خروجی:زگولاتورهای خطی ممکن است قادر به تحمل بارهای جریان بالا نباشند، زیرا ممکن است بیش از حد گرم شوند و آسیب ببینند.
5. ولتاژ dropout محدود: ولتاژ dropout حداقل ولتاژ مورد نیاز برای رگولاتور خطی برای ادامه رگولاسیون است. رگولاتورهای خطی دارای افت ولتاژ محدودی هستند و ممکن است نتوانند ولتاژ خروجی را زمانی که ولتاژ ورودی خیلی نزدیک به ولتاژ خروجی است تنظیم کنند.
6. دقت تنظیم ولتاژ: در حالی که رگولاتورهای ولتاژ خطی به طور کلی در تنظیم ولتاژ خروجی خوب هستند، دقت آنها ممکن است تحت تأثیر تغییرات دما، جریان بار و عوامل دیگر قرار گیرد.

به طور کلی، رگولاتورهای خطی برای کاربردهایی که سادگی و نویز کم مهمتر از راندمان یا توان بالا هستند، مناسب هستند. برای کاربردهایی که نیاز به راندمان بالا، محدوده ولتاژ ورودی وسیع و کنترل جریان بالا دارند، رگولاتورهای سوئیچینگ ممکن است انتخاب بهتری باشند.

رگولاتورهای خطی به دلیل توانایی خود در کاهش نویز در مدارهای الکترونیکی، به ویژه در کاربردهای کم مصرف، شناخته شده اند. این به این دلیل است که رگولاتورهای خطی ولتاژ خروجی پایداری را ارائه می‌دهند که کمتر در معرض نوسانات ناشی از تغییرات ولتاژ ورودی، جریان بار یا سایر منابع نویز است.

رگولاتورهای خطی معمولاً نویز خروجی کمی دارند که همان مقدار فعلی نویز موجود در ولتاژ خروجی است. نویز خروجی در درجه اول تحت تأثیر نویز داخلی رگولاتور است که توسط تقویت کننده خطا، المان گذرگاه و سایر اجزا ایجاد می‌شود. علاوه بر این، رگولاتورهای خطی می‌توانند نویز ورودی را کاهش دهند، که مقدار نویز موجود در ولتاژ ورودی است. این به این دلیل است که رگولاتور ولتاژ خروجی پایداری را ارائه می‌دهد که کمتر تحت تأثیر تغییرات ولتاژ ورودی قرار می گیرد.
در برخی موارد، رکولاتورهای خطی می‌توانند با استفاده از خازن خروجی، نویز فرکانس بالا را در ولتاژ خروجی فیلتر کنند. خازن می‌تواند به صاف کردن هرگونه نوسانات ولتاژ و کاهش نویز فرکانس بالا کمک کند و پایداری و قابلیت اطمینان کلی مدار را بهبود بخشد.
به طور کلی، رکولاتورهای ولتاژ خطی می‌توانند انتخاب خوبی برای کاربردهایی باشند که کم بودن نویز دارای اهمین است، مانند مدارهای حسگر، مدارهای صوتی و الکترونیک توان پایین. با این حال، انتخاب نوع مناسب رگولاتور خطی و اجزای خارجی برای اطمینان از اینکه عملکرد نویز با الزامات کاربرد مطابقت دارد، مهم است.

انتخاب بین منبع تغذیه سوئیچینگ و رگولاتور خطی به نیازهای خاص کاربرد مدنظر شما بستگی دارد. هر دوی این رگولاتورهای ولتاژ مزایا و معایب خود را دارند و بهترین انتخاب به عواملی مانند محدوده ولتاژ ورودی، پایداری ولتاژ خروجی، راندمان، هزینه و نویز بستگی دارد.
منابع تغذیه سوئیچینگ معمولاً کارآمدتر از رگولاتورهای خطی هستند، به خصوص در کاربردهایی که اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی زیاد است یا جریان بار زیاد است. رگولاتورهای سوئیچینگ می‌توانند ولتاژهای ورودی و بارهای جریان بالاتر را تحمل کنند و آنها را به انتخاب بهتری برای کاربردهای توان بالا تبدیل کند. آنها همچنین جمع و جور تر و مقرون به صرفه تر از رگولاتورهای خطی هستند.
با این حال، منابع تغذیه سوئیچینگ می‌توانند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بیشتری نسبت به رگولاتورهای خطی ایجاد کنند، که می‌تواند بر عملکرد قطعات الکترونیکی مجاور تأثیر بگذارد. همچنین می‌توانند پیچیده‌تر طراحی شوند و به اجزای خارجی اضافی مانند سلف و خازن نیاز داشته باشند. علاوه بر این، رگولاتورهای سوئیچینگ می توانند ریپل خروجی و نویز بالاتری نسبت به رگولاتورهای خطی داشته باشند، که می تواند در برخی از کاربردها نگران کننده باشد.
از سوی دیگر رگولاتورهای خطی ساده، آسان برای استفاده و  دارای صدای خروجی کم هستند. آنها برای کاربردهایی که سر و صدای کم، ولتاژ خروجی پایدار و سادگی مهمتر از راندمان یا قدرت بالا هستند، ایده آل هستند. همچنین احتمال کمتری برای تولید EMI نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ دارند.
به طور خلاصه، اگر کارآیی و مدیریت توان بالا نگرانی‌های اصلی هستند، منبع تغذیه سوئیچینگ ممکن است انتخاب بهتری باشد. اگر نویز کم، پایداری و سادگی مهمتر است، یک رگولاتور ولتاژ خطی انتخاب بهتری است.