دانلود مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ فایل ورد (word)

توضیحات

  مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ فایل ورد (word) دارای 77 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ فایل ورد (word)  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ فایل ورد (word)،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ فایل ورد (word) :

اصول رگولاتورهای خطی ولتاژ

چكیده
این مقاله درباره عملكرد رگولاتورهای خطی ولتاژ می‌باشد. متداول‌ترین روش‌های رگولاسیون مطرح خواهند شد. در قسمت رگولاتورهای خطی، انواع استاندارد، LDO و نیمه LDO به همراه مثالهای مداری ، تشریح خواهند شد. البته رگولاتورهای سویچینگ دارای انواع كاهشی، كاهشی – افزایشی ، افزایشی و بازگشتی نیز وجود دارند. همچنین مثالهایی از كاربردهای عملی با استفاده از این رگولاتورها ارائه می‌شود.

مقدمه
رگولاتور خطی بلوك ساختاری اساسی تقریبا هر منبع تغذیه الكترونیكی می‌باشد. استفاده از IC رگولاتور خطی آسان است و بطور كامل حفاظت شده (fool proof) می‌باشد و آنقدر ارزان است كه معمولا یكی از ارزان‌ترین اجزای یك سیستم الكترونیكی می‌باشد. این مقاله اطلاعاتی برای درك عمیق‌تر عملكرد رگولاتور خطی ارائه می‌دهد و كمك می‌كند تا كاربردها و مشخصه‌های رگولاتور به خوبی معلوم گردد. تعدادی مدار واقعی از رگولاتورهای تجاری كه در حال حاضر موجودند، ارائه می‌شود.
محصولات جدید در حوزه تنظیم كننده‌های LDO واقع شده اند كه در بسیاری از كاربردها، مزایای بیشتری نسبت به رگولاتورهای استاندارد ارائه می‌دهند.

عملكرد رگولاتورهای خطی ولتاژ

مقدمه
هر مدار الكترونیكی نیاز به ولتاژ تغذیه‌ای دارد كه معمولا ثابت فرض می‌شود. یك رگولاتور ولتاژ، این ولتاژ خروجی dc ثابت را فراهم می‌كند و شامل مجموعه‌ مداراتی است كه بطور مداوم ولتاژ خروجی را بدون توجه به تغییرات جریان بار یا ولتاژ ورودی، در مقدار طراحی، ثابت نگه می‌دارد(فرض بر این است كه جریان بار و ولتاژ ورودی در محدوده عملكرد تعیین شده برای قطعه می‌باشند).
رگولاتور ولتاژ خطی پایه

یك رگولاتور خطی به كمك یك منبع جریان كنترل شده با ولتاژ، ولتاژ معین و ثابتی را در پایانه خروجی‌اش ایجاد می‌كند. (شكل 1 را ببینید).

ژ
شكل 1ـ دیاگرام عملكرد رگولاتور خطی
مجموعه مدارات كنترلی باید ولتاژ خروجی را حس كند و منبع جریان را( به میزانی كه مورد نیاز بار است) برای نگه داشتن ولتاژ خروجی در میزان مطلوب تنظیم نماید. محدودیت طراحی منبع جریان، حداكثر جریان باری را كه رگولاتور می‌دهد، در حالی كه همچنان به صورت رگوله باشد، معین می‌كند. ولتاژ خروجی با یك حلقه فیدبك كه به نوعی جبران سازی برای حصول اطمینان از پایداری حلقه نیاز دارد، كنترل می‌شود. بیشتر رگولاتورهای خطی دارای جبران سازی داخلی هستند و بدون نیاز به به اجزای

خارجی، كاملا پایدار می‌باشند. برخی رگولاتورها( مانند انواع LDO ) ، به مقداری ظرفیت خازنی خارجی كه از خروجی به زمین وصل شده است، برای حصول اطمینان از پایداری تنظیم كننده احتیاج دارند. مشخصه دیگر هر رگولاتور خطی این است كه برای اصلاح ولتاژ خروجی بعد از تغییر در جریان بار، به مقدار محدودی زمان نیاز دارد. این تاخیر زمانی بیانگر مشخصه پاسخ زودگذر است كه نشان می‌دهد یك رگولاتور بعد از تغییر بار با چه سرعتی می تواند به شریط حالت پایدار بازگردد.
عملكرد حلقه كنترلی

عملكرد حلقه كنترلی در یك رگولاتور خطی واقعی با استفاده از دیاگرام مختصر شده شكل 2 توضیح داده خواهد شد. (وظیفه حلقه كنترلی در همه انواع رگولاتورهای خطی ، یكسان است).

شكل 2ـ دیاگرام یك رگولاتور خطی واقعی

قطعه عبوری Q1 در این رگولاتور از یك زوج دارلینگتون NPN كه بوسیله یك ترانزیستور PNP راه‌اندازی می‌شود، تشكیل شده است (این topology یك رگولاتور استاندارد است) .جریان خارج شده از امیتر ترانزیستور عبوری (كه همان جریان بار IL می‌باشد) بوسیله QQ2 و تقویت كننده خطای ولتاژ كنترل می‌شود. جریان عبوری از مقسم مقاومتی R2,R1 در مقایسه با جریان بار، ناچیز است. حلقه فیدبكی كه ولتاژ خروجی را كنترل می‌كند با استفاده از R2,R1 برای حس كردن ولتاژ خروجی و اعمال این ولتاژ به ورودی معكوس كننده تقویت كننده خطای ولتاژ، ایجاد می‌گردد. ورودی غیر معكوس كننده به ولتاژ مرجع وصل است كه به این معنی است كه تقویت كننده خطا بطور دائم ولتاژ خروجی‌اش را (و همچنین جریان را از طریقQ1) طوری تنظیم می‌كند كه ولتاژهای دو سر ورودی‌اش ، برابر گردد. عملكرد حلقه فیدبك بطور مداوم خروجی را در یك مقدار معین كه ضریبی از ولتاژ مرجع است (كه بوسیله R2,R1 تنظیم می‌شود)، بدون توجه به تغییرات جریان بار، ثابت نگه می‌دارد. باید توجه داشت كه یك افزایش یا كاهش ناگهانی در جریان بار (یا یك تغییر پله‌ای در مقاومت بار) باعث می‌شود ولتاژ خروجی آنقدر تغییر كند تا حلقه بتواند آنرا تصیح كند و در یك سطح جدید تثبیت گردد(كه به این، پاسخ زودگذر گفته می‌شود). تغییر ولتاژ خروجی بوسیله R2,R1 حس می‌شود و به صورت یك سیگنال خطا در ورودی تقویت كننده خطا ظاهر می‌گردد و باعث می‌شود تا جریان از طریق Q1 تصحیح گردد.
انواع رگولاتورهای خطی (LDO ، استاندارد و نیمه LDO)
سه نوع اساسی از رگولاتورهای خطی شرح داده می‌شود : رگولاتور استاندارد (شامل دارلینگتونNPN ) ، Low-Dropout یا رگولاتور LDO و رگولاتور نیمه LDO .
مهمترین تفاوت این سه نوع رگولاتور ، ولتاژ dropout می‌باشد كه كمترین افت ولتاژی است كه برای حفظ رگولاسیون ولتاژ خروجی مورد نیاز است. نكته مهمی كه باید در نظر گرفت این است كه رگولاتور خطی با كوچكترین ولتاژی كار كند كه كمترین تلفات توان داخلی وبیشترین راندمان را داشته باشد. رگولاتور LDO به كمترین مقدار ولتاژ نیاز دارد، در حالی كه رگولاتور استاندارد به بیشترین مقدار ولتاژ احتیاج دارد. تفاوت مهم دیگر رگولاتورها ، جریان پایه زمین است كه رگولاتور در زمان تحریك یا به راه اندختن

جریان بار مشخص شده‌اش به آن نیاز دارد. رگولاتور استاندارد كمترین جریان پایه زمین را دارد ، در حالی كه نوع LDO به طور كلی بالاترین جریان را دارد (این تفاوتها در بخش‌های بعدی شرح داده خواهد شد). جریان افزایش‌یافته پایه زمین ، نامطلوب است زیرا یك جریان هدر رفته می‌باشد. به این دلیل كه باید منبع آنرا تامین كند ولی به بار داده نمی‌شود.

رگولاتور (NPN) استاندارد
در اولین رگولاتورهای ولتاژ ساخته شده به صورت IC ، برای قطعه عبوری از پیكربندی دارلینگتون NPN استفاده شد و آنها به عنوان رگولاتورهای استاندارد معرفی شدند. (شكل 3 را ببینید) .

شكل 3ـ رگولاتور (NPN) استاندارد
نكته مهم در رگولاتورهای استاندارد این است كه برای رگولاسیون خروجی ، ترانزیستور عبوری به یك ولتاژ كمینه كه با رابطه زیر داده می‌شود، نیاز دارد:
VD(MIN)= 2VBE + VCE
این ولتاژ در گستره‌ دمایی 55- درجه تا 150 درجه سانتیگراد، بوسیله كارخانه بین حدود 5/2 تا 3 ولت تنظیم می‌شود تا محدودیت‌های عملكرد تعیین شده ، تضمین گردد. ولتاژی كه خروجی به ازای آن واقعا از حالت رگولاسیون خارج می‌شود ( كه ولتاژ dropout نام دارد)، برای رگولاتور استاندارد ، مقداری بین 5/1 تا 2/2 ولت دارد ( كه هم به جریان بار وهم به دما وابسته است). ولتاژ dropoutرگولاتور استاندارد ، بالاترین (بدترین) مقدار را در بین این سه نوع رگولاتور دارد. جریان پایه زمین در این رگولاتور خیلی كم است (LM309 می‌تواند جریان بار یك آمپر را با جریان پایه زمین كمتر از 10 میلی‌آمپر تامین نماید) . علتش این است كه جریان تحریك بیس ترانزیستور عبوری (كه به

پایه زمین می‌رسد) برابر است با جریان بار تقسیم بر بهره قطعه عبوری. در رگولاتور استاندارد، شبكه قطعه عبوری از یك ترانزیستور PNP و دو ترانزیستور NPN تشكیل یافته است كه در نتیجه بهره جریان كل آن خیلی زیاد است(بیشتر از 300) . نتیجه استفاده از یك قطعه عبوری با چنین بهره جریان بالایی این است كه به جریان خیلی كوچكی برای تحریك بیس ترانزیستور عبوری نیاز است كه به جریان پایه زمین كمتری منجر می‌شود. جریان پایه زمین این رگولاتور كمترین (بهترین ) مقدار را در بین سه نوع رگولاتور دارد.

رگولاتور Low – Dropout (LDO)
رگولاتور LDO از این جهت با رگولاتور استاندارد تفاوت دارد كه قطعه عبوری در LDO تنها از یك ترانزیستور PNP ساخته شده است (شكل 4 را ببینید).

شكل 4ـ رگولاتور LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نیاز در رگولاتور LDO برای رگولاسیون، ولتاژ روی ترانزیستور PNP می‌باشد.
VD(MIN) = VCE

حداكثر ولتاژ dropout تعیین شده یك رگولاتور LDO حدود07 تا 08 ولت در جریان كامل است و مقدار واقعی آن حدود 06 ولت می‌باشد. ولتاژ dropout مستقیما به جریان بار بستگی دارد كه به معنی این است كه در مقادیر خیلی كم جریان بار، ممكن است ولتاژ d ropout به كوچكی 50 میلی ولت باشد. رگولاتور LDO پایین ترین ( بهترین ) مقدار ولتاژ dropout را در بین سه نوع رگولاتور دارد. ولتاژ dropout پایین‌تر ، دلیل تسلط رگولاتورهای LDO در عرصه كاربردهای با توان باتری می‌باشد زیرا آنها استفاده از ولتاژ ورودی موجود را به حداكثر رسانده اند و می‌توانند با راندمان بالاتری كار كنند. رشد بسیار سریع محصولات با مصرف عمومی (با توان باتری) در سالهای اخیر باعث

تكامل در خط تولید رگولاتورهای LDO شده است. جریان پایه زمین در یك رگولاتور LDO تقریبا برابر جریان بار تقسیم بر بهره تك ترانزیستور PNP می‌باشد. در نتیجه جریان پایه زمین یك رگولاتور LDO از همه رگولاتورهای دیگر بالاتر است. برای مثال، یك رگولاتور LP2953 كه جریان كامل تحویلی آن 250 میلی آمپر می‌باشد، جریان پایه زمین 28 میلی آمپر یا كمتر دارد كه به معنی بهره PNP برابر 9 یا كمی بیشتر می‌باشد. LM2940 یك رگولاتور یك آمپری می‌باشد كه جریان پایه زمین ماكزیمم 45 میلی آمپر در جریان كامل دارد. این به معنای بهره 22 یا كمی بیشتر برای ترانزیستور عبوری PNP در جریان مربوطه‌می‌باشد.
رگولاتور نیمه LDO

یك نوع متفاوت از رگولاتور استاندارد، رگولاتور نیمه LDO می‌باشد كه دو ترانزیستور PNP,NPN را به عنوان قطعه عبوری بكار می‌برد ( شكل 5 را ببینید).

شكل 5ـ رگولاتور نیمه LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نیاز روی این رگولاتور برای رگولاسیون با رابطه زیر داده می‌شود:
VD(MIN) = VBE+ VCE

برای ولتاژ dropout در رگولاتور نیمه LDO كه جریان معینی را تحویل می‌دهد ، بیشینه‌ای حدود5/1 ولت تعیین شده است. ولتاژ dropout واقعی وابسته به دما و جریان بار است. ولی نباید انتظار داشت كه حتی در كمترین میزان بار در دمای 25 درجه سانتی‌گراد از حدود 9/0 ولت پایین‌تر برود . ولتاژ dropout برای رگولاتور نیمه LDO بیشتر از رگولاتور LDO ، ولی كمتر از رگولاتور استاندارد می‌باشد. جریان پایه زمین در این رگولاتور مانند رگولاتور استاندارد به طور مناسبی پایین است (معمولا در جریان كامل كمتر از 10 میلی آمپر).

خلاصه
مقایسه‌ای بین سه نوع رگولاتور در شكل 6 نشان داده شده است.

شكل 6ـ مقایسه انواع رگولاتورهای خطی
رگولاتور استاندارد برای كاربردهای توان AC بهترین است كه هزینه پایین و جریان بار زیادش آنرا به انتخاب ایده‌آل تبدیل می‌كند. در كاربردهای توان AC ، ولتاژ روی رگولاتور معمولا حداقل 3 ولت است، پس ولتاژ dropout بحرانی نخواهد بود. بطور جالب توجهی ، در این نوع كاربرد (كه در آن افت ولتاژ در رگولاتور بیشتر از 3 ولت است). رگولاتورهای استاندارد نسبت به انواع LDO واقعا موثرترند (زیرا این رگولاتورها طبق جریان پایه زمین‌شان ، تلفات توان داخلی بسیار كمتری دارند). رگولاتورهای LDO برای كاربردهای باتوان باتری مناسب‌ترند، زیرا ولتاژ dropout پایین تر آنها با كاهش تعداد سلول‌های باتری مورد نیاز برای تهیه ولتاژ خروجی رگوله شده مستقیما باعث

صرفه‌جویی در هزینه می‌شود. اگر تفاضل ولتاژ ورودی‌ – خروجی پایین باشد (مثلا 1 تا 2 ولت)، LDO از استاندارد موثرتر است. زیرا حاصل ضرب جریان بار در این تفاضل به تلفات توان كمتری منجر می‌شود.
انتخاب بهترین رگولاتور برای كاربرد مورد نظر
بهترین گزینه برای یك كاربرد خاص با برآوردكردن شرایطی مثل شرایط زیر مشخص می‌شود:

حداكثر جریان بارـ نوع منبع ولتاژ ورودی(ACیا باتری) ـ دقت ولتاژ خروجی(تلرانس) ـ جریان خاموشی (بدون سیگنال ورودی) ـ ویژگیهای خاص (پایه Shutdown )، پرچم خطا و غیره)
حداكثر جریان بار
زمانی كه یك IC رگولاتور انتخاب می‌كنید، حداكثر جریان مورد نیاز در آن كاربرد را باید به دقت مد نظر بگیرید. مشخصه جریان بار در یك IC رگولاتور یا به صورت یك مقدار تكی و یا به صورت مقداری كه به تفاضل ولتاژ ورودی – خروجی وابسته است، تعریف می‌شود( این موضوع در بخش بعدی در مدارهای محافظ شرح داده خواهد شد).
رگولاتور انتخاب شده باشد بتواند در بدترین شرایط عملكرد، جریان كافی به بار بدهد.

منبع ولتاژ ورودی (باتری یا AC)
ولتاژ ورودی موجود(منبع AC یا باتری) براینكه چه رگولاتوری برای یك كاربرد خاص مناسب‌تر است، تاثیر زیادی دارد.

باتری : در كاربردهای باتوان باتری، رگولاتورهای LDO معمولا بهترین گزینه‌اند زیرا ولتاژ ورودی موجود را كامل‌تر مورد استفاده قرار می‌دهند (و از مدت زمان دشارژ شدن باتری می‌توانند طولانی‌تر كار كنند). برای نمونه یك باتری 6 ولتی با الكترودهای سربی و الكترولیت اسید سولفوریك رقیق(یك نوع باتری معروف) ولتاژ پایانه‌ای حدود 3/6 ولت در زمان شارژ كامل و حدود 5/5 ولت در نقطه پایانی حالت دشارژ خود دارد. اگر یك طراح بخواهد یك منبع 5 ولتی رگوله شده كه با این باتری تغذیه می‌شود بسازد به یك رگولاتور LDO نیاز دارد ( زیرا ولتاژ dropout آن حدود 5/0 تا 3/1 ولت می‌باشد).

AC: اگر یك تغذیه DC از یك منبع AC یكسو شده داشته باشیم، ولتاژ dropout رگولاتور به آن اندازه بحرانی نخواهد بود زیرا ولتاژ ورودی اضافی رگولاتور با افزایش ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور AC ایجاد می‌شود ( بوسیله اضافه كردن دورهای سیم پیچی ثانویه). در این كاربردها یك رگولاتور استاندارد معمولا اقتصادی‌ترین گزینه است و جریان بار بیشتری فراهم می‌كند.هر چند، در بعضی موارد ، مزایای اضافی ودقت بیشتر ولتاژ خروجی در بعضی از رگولاتورهای جدید LDO، آنها را بدل به بهترین انتخاب كرده است.
دقت ولتاژ خروجی(تلرانس)

رگولاتورهای خطی واقعی معمولا مشخصه ولتاژ خروجی دارند كه تضمین می‌كند خروجی رگوله شده تا حدود حداكثر 5 درصد با مقدار اسمی اختلاف داشته باشد. این دقت برای بیشتر كاربردها كافی است. رگولاتورهای جدید زیادی وجود دارند كه تلرانس‌های خروجی كوچكتری دارند(به طور معمول كمتر از 2 درصد) و با استفاده از فرآیند laser-trim (ساخته شده با لیزر) ایجاد می‌شوند. همچنین، بسیاری از رگولاتورهای جدید مشخصه های خروجی جداگانه‌ای دارند كه دمای اتاق و گستره دمایی عملكرد كامل و همچنین شرایط بار كامل و بی‌باری را پوشش می‌دهند.

جریان خاموشی
جریان خاموشی كه در زمان عدم استفاده(چه زمان خاموش بودن وچه زمانی كه جریان بار زیادی تحویل داده نمی‌شود) بوسیله یك قطعه از منبع كشیده می‌شود، در كاربردهای باتوان باتری اهمیت فوق العاده‌ای دارد. در بعضی كاربردها، ممكن است یك رگولاتور در بیشتر اوقات قطع( در حالت انتظار) باشد و فقط زمانی كه رگولاتور اصلی دچار اشكال می‌شود، جریان بار را تامین كند. در این موارد، جریان خاموشی، عمر باتری را تعیین می‌كند. بسیاری از رگولاتورهای LDO جدید برای جریان خاموشی پایین بهینه شده اند( مثلا 75 تا 150 میكرو آمپر) و نسبت به رگولاتورهای معمولی كه چندین میلی‌آمپر می‌كشند،‌ عملكرد خیلی بهتری دارند.

ویژگیهای خاص
بسیاری از رگولاتوهای LDO مزایایی عرضه می‌كنند كه باعث می‌شود طراح انعطاف بیشتری داشته باشد. Shut down : یك پایه Shut down با توان پایین اجازه می‌دهد تا رگولاتور با استفاده از یك گیت منطقی یا میكرو كنترلر خاموش شود. این ویژگی همچنین باعث می‌شود كه بتوان رگولاتور را برای كاربرد خاموش و روشن كردن خیلی سریع، سیم بندی نمود كه در یكی از مثالهای طراحی شرح داده خواهد شد.

محافظت در برابر تخلیه بار:
رگولاتورهایی كه به صورت خودكار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در برابر جرقه‌های ناشی از اضافه ولتاژ(تخلیه بار) نیاز به محافظت داخلی دارند. در این موارد ، رگولاتور به طور معمول خروجی را در حین ایجاد جرقه های ناشی از اضافه ولتاژ ، قطع می‌كند و پس از آن دوباره آنرا وصل می‌كند.

محافظت در برابر ولتاژ ورودی معكوس:
این خاصیت، در كاربردهایی كه در آن كاربر می‌تواند بطور اتفاقی پلاریته باتریها را جابجا كند، مانع از آسیب رسیدن به رگولاتور می‌شود.
پرچم خطا
این پرچم در زمانی كه خروجی به مقداری كمتر از پنج درصد مقدار اسمی‌اش تنزل یابد، به مدارات كنترلی یا نظارت هشدار می‌دهد وبه عنوان یك پرچم اخطار در نظر گرفته شده كه می‌تواند به كنترلر هشدار دهد كه ولتاژ تغذیه آنقدر پایین است كه ممكن است باعث عملكرد غیر عادی CPU یا مدارات منطقی به هم پیوسته گردد.
مدارهای محافظی كه داخل IC های رگولاتور خطی ساخته شده‌اند

IC های رگولاتور خطی شامل مدارات محافظ داخلی هستند ك آنها را در برابر جریان بار اضافی و یا دمای كار بالا ایمن می‌نماید . دو مدار محافظی كه تقریبا در همه IC های رگولاتور خطی یافت می‌شوند عبارتند از : قطع كننده دمایی و محدودكننده جریان
شبكه زنجیره ای فرمان
قطع كننده دمایی، محدوده كننده جریان و تقویت كننده خطای ولتاژ سه حلقه كنترلی جداگانه و مجزا درست می‌كنند كه سلسله مراتب (ترتیب اولویت) معینی دارند كه اجازه می‌دهد یكی از آنها، اثر بقیه را خنثی نماید. ترتیب اولویت فرمان (واهمیت ) حلقه‌ها به این صورت است:‌ 1ـ‌ محدود كننده دما(IC دمای پیوند یا تلف توان را تنظیم می‌كند) 2ـ‌ محدود كننده جریان (IC جریان بار را تنظیم می‌كند) 3ـ كنترل ولتاژ (IC ولتاژ خروجی را تنظیم می‌كند)

این سلسله مراتب به این معنی است كه یك رگولاتور خطی تمایل دارد در حالت ولتاژ ثابت كه در آن ، تقویت كننده خطای ولتاژ، ولتاژ خروجی را در یك مقدار معین نگه می‌دارد، كار كند. به هر حال، فرض می‌شود كه جریان بار و دمای پیوند، هر دو پایین‌تر از مقادیر آستانه‌شان قرار دارند. اگر جریان بار از مقدار مشخص شده بیشتر شود، مدارات محدود كننده جریان كنترل را بدست می‌گیرد تا جریان بار به مقدار مشخص تنظیم شده‌اش برسد(اثر تقویت كننده خطای ولتاژ را خنثی می‌كند). تقویت كننده

خطای ولتاژ تنها زمانی می‌تواند به كنترل ادامه دهد كه جریان بار به اندازه كافی كاهش یافته باعث شود مدارات محدود كننده جریان، كنترل را رها كند. این موضوع به تفصیل در بخش محدودیت جریان توضیح داده شده است. افزایش در دمای تراشه (بدون توجه به علت آن) تا حد نزدیك به آستانه محدودیت (حدود 160 درجه سانتی‌گراد) باعث می‌شود تا قطع كننده دمایی ترانزیستور قدرت را از كار بیندازد كه به این ترتیب باعث كاهش جریان بار و تلفات توان داخلی می‌گردد. توجه كنید كه محدود كننده دما می‌تواند مدارات محدود كننده جریان و تقویت كننده خطای ولتاژ، هر دو را خنثی نماید. قطع كننده دمایی در بخش بعدی شرح داده می‌شود.نكته مهم این است كه رگولاتور تنها زمانی كه در حالت ولتاژ ثابت است، ولتاژ خروجی‌اش را ثابت نگه می‌دارد. در حالت محدود كردن جریان، ولتاژ خروجی به اندازه‌ای كه برای نگه داشتن جریان بار در مقدار مشخص تنظیم شده لازم است، كاهش خواهد یافت.در حالت محدود كردن دما، ولتاژ خروجی كاهش می‌یابد و جریان بار به هر میزانی (شامل صفر) می‌تواند كاهش یابد: زمانی كه قطعه در حالت قطع دمایی كار می‌كند هیچ عمل دیگری انجام نمی‌دهد.

قطع كننده دمایی
مدار قطع كننده دمایی یك IC است كه از بیش از اندازه بالارفتن دمای پیوند و آسیب رسیدن به قطعه جلوگیری می‌كند. (شكل 7 را ببینید). این كار با كنترل دمای تراشه وكاهش تلفات توان داخلی برای نگه داشتن دما در مقدار معین شده(معمولا حدود 160 درجه سانتی گراد ) انجام می‌گردد.

شكل 7ـ قطع كردن دمایی

عملكرد مدار :
حس كننده دما (Q1) ، برای حصول اطمینان از ردیابی دمایی خیلی دقیق، نزدیك به ترانزیستور قدرت بر روی تراشه قرار گرفته است. مقاومت‌های R2 , R1 ، بیس Q1 را در حدود 35/0 ولت ، مطابق با VBE روشن Q1، در دمای حدود 160 درجه سانتی گراد ، نگه می‌دارند . به محض اینكه دمای تراشه بالا می‌رود، Q1 در نهایت به آستانه روشنایی (حدود 160 درجه ) می‌رسد و شروع به كشیدن جریان ازمنبع جریان كه طبقه توان را تغذیه می‌كند، می‌نماید. در نتیجه جریان بار كاهش می‌یابد ( یا به كلی قطع می‌شود) كه در نتیجه آن تلفات توان داخلی رگولاتور نیز كاهش خواهد یافت .در مواردی كه محدودیت‌ دمایی رخ می‌دهد ،ولتاژ خروجی و جریان، هر دو كاهش می‌یابند.

زمانی كه ولتاژ خروجی پایین‌تر از مقدار اسمی‌اش باشد، سیگنال خطای ظاهر شده در تقویت كننده خطای ولتاژ، باعث می‌شود تقویت كننده ،ولتاژ خروجی را با بالابردن خروجی‌اش،تصحیح نماید(و با دادن جریان بیشتر به ترانزیستور عبوری ). مدار محدود كننده دمایی می‌تواند تمام جریان را از خروجی تقویت كننده خطا، بكشد و ولتاژ و جریان خروجی رگولاتور را به اندازه موردنیاز پایین نگه دارد تا دمای پیوند حدود 160 درجه بماند. همانطور كه نشان داده شد، محدود كننده دما می‌تواند زمانی كه لازم است از آسیب رسیدن به IC جلوگیری شود، اثر حلقه كنترل ولتاژ را خنثی نماید.

محدود كننده جریان
كار محدود كننده جریان جلوگیری از آسیب رسیدن به IC حین قرار گرفتن یك اضافه بار در خروجی رگولاتور است (یعنی زمانی كه امپدانس بار خیلی پایین است). بدون محدود كننده جریان، رگولاتور جریان بار اضافی خواهد كشید و ترانزیستور عبوری داخل قطعه از بین خواهد رفت. برای جلوگیری از این اتفاق، مدار محدود كننده جریان حلقه كنترل ولتاژ را خنثی می‌نماید و تغذیه ترانزیستور عبوری را كاهش می‌دهد كه در نتیجه به حداكثر سطح جریان مطمئنه، اضافه نمی‌گردد. دونوع اساسی مدار محدود كننده جریان وجود دارد كه در رگولاتورهای خطی بكارگرفته می‌شود( كه در بخش بعد شرح داده خواهد شد) : محدود كننده جریان ثابت – محدودكننده جریان مستقل از ولتاژ (كه گاهی اوقات محدود كننده اتصال كوتاه نامیده می‌شود)

محدود كننده جریان ثابت
حداكثر جریانی را كه یك رگولاتور خطی می‌تواند به بار بدهد در برگه اطلاعات مشخص شده است. بطور كلی بسیاری از رگولاتورها (و بیشتر رگولاتورهای LDO ) تنها یك مقدار معین برای حداكثر جریان مشخص می‌كنند. این مقدار برای هر ولتاژ ورودی یا خروجی كه در اندازه ماكزیمم مشخصات قطعه وجود دارد،تضمین شده است. برای مثال LP2952 برای دادن جریان حداقل 250 میلی آمپر بدون رفتن به حالت محدودیت جریان، تاوقتی كه خروجی در گستره 25/1 تا 29 ولت وولتاژ ورودی حداقل 8/0 ولت بالاتر از خروجی قرار دارد، تضمین شده است. در شكل 8 یك نقشه مختصر از مداری كه محدودیت جریان ثابت را فراهم می‌كند، نشان داده شده است. این یك طراحی مجزا (و نه بصورت مدار مجتمع ) می‌باشد. (مدار استفاده شده در یك IC تنظیم كننده كمی متفاوت است).

شكل 8ـ مدار محدود كننده جریان ثابت
عملكرد مدار:
جریان بار با مقاومت «I SENSE » حس می‌شود كه ولتاژی ایجاد می‌كند كه به طور مستقیم به جریان بستگی دارد.این ولتاژبوسیله تقویت كننده تفاضلی تغییر سطح داده شده و تقویت می‌شود. ولتاژ خروجی تقویت كننده تفاضل یك سیگنال مرجع نسبت به زمین است كه متناسب با جریان بار می‌باشد. این سیگنال جریان بار كه از تقویت كننده تفاضلی می‌آید، به ورودی معكوس‌كننده تقویت كننده خطای محدودیت جریان وارد می‌شود، در حالی كه ورودی غیر معكوس كننده آن، به یك ولتاژ مرجع وصل

می‌شود مقدار این ولتاژ مرجع وقتی رگولاتور حداكثر جریان را تحویل می‌دهد( در نقطه محدودیت جریان)، با ولتاژ خروجی تقویت كننده تفاضلی برابر خواهد بود. توجه كنید تا وقتی كه جریان بار كمتر از آستانه محدودیت باشد، خروجی تقویت كننده خطای جریان بالا می‌باشد(و تقویت كننده خطای ولتاژ ، رگولاتور رادر حالت ولتاژ ثابت نگه می‌دارد) . زمانی كه جریان بار به آستانه محدودیت می‌رسد ، خروجی تقویت كننده خطای جریان تنزل پیدا می‌كند وشروع به كشیدن جریان از خروجی تقویت كننده خطا

ی ولتاژ می‌نماید( به این ترتیب رگولاتور در حالت جریان ثابت قرار می‌گیرد ) . زمانی كه محدودیت جریان رخ می‌دهد ، ولتاژ خروجی رگولاتور ، به مقداری پایین‌تر ا ز مقدار اسمی‌اش تنزل می‌یابد كه بوسیله تقویت كننده خطای ولتاژ به عنوان شرایط افت ولتاژ حس می‌شود. تقویت كننده خطای ولتاژ ، خروجی‌اش را افزایش می‌دهد ولی تقویت كننده خطای جریان می‌تواند تمام جریانی را كه از تقویت كننده خطای ولتاژ می‌آید، بكشد.مانند محدود كننده دما، محدود كننده جریان نیز برای جلوگیری از آسیب

رسیدن به IC ، اثر تقویت كننده خطای ولتاژ را خنثی می‌نماید. خط بار نشان داده شده در شكل 8 نشان می‌دهد كه چگونه ولتاژ خروجی در بالای نقطه‌ای كه جریان بار به مقدار مشخص شده‌اش می‌رسد و رگولاتور در حال گذار به حالت جریان ثابت است، نگه داشته می‌شود. زمانی كه در حالت جریان ثابت هستیم ، IC جریان بار را در مقدار مشخص شده‌اش تنظیم می‌كند. پس ولتاژ خروجی می‌تواند هر مقداری كمتر از صفر داشته باشد. محدود كننده دما می‌تواند همیشه اثر محدود كننده جریان را خنثی

نماید و می‌‌تواند ولتاژ خروجی و جریان را تا هر مقداری كه برای ماندن دمای پیوند در حدود 160 درجه لازم است، كاهش دهد.
برای نمونه اگر LP2952 ( كه با جریان حداقل 250 میلی‌آمپر مشخص شده است) از خروجی به زمین اتصال كوتاه شود، جریانی بزرگتر از 250 میلی آمپر كوچكتر از 530 میلی‌آمپر از خروجی خارج می‌شود( مشخصات محدودیت جریان را در برگه اطلاعات ببینید).هر چند ، اگر ولتاژ ورودی برای تولید توان كافی برای فعال كردن محدودكننده دما، به اندازه كافی زیاد باشد این جریان به محض اینكه LP2952 دمای تراشه‌اش را در حدود 160 درجه تنظیم كند، پایین می‌رود. نكته مهم: مدارات محدود كننده جریان(با توجه به مقتضیات )، سرعت خیلی بالایی دارند و استفاده از خازنهای كنارگذر ورودی در رگولاتور برای جلوگیری از اشكال احتمالی قطعه ناشی از تقابل با امپدانس منبع ورودی مفید است.

محدود كننده جریان مستقل از ولتاژ (اتصال كوتاه)
رگولاتورهای ولتاژی كه نسبتا، جریان بالا(بزرگتر از یك آمپر) هستند، نوعی محدود كننده جریان بكار می‌برند كه در آن حداكثر مقدار مجاز جریان بار به تفاضل ولتاژ ورودی و خروجی قطعه بستگی دارد. دلیل استفاده از چنین محدود كننده‌ای این است كه طبق مشخصه حوزه عملكرد ایمن(SOA) ترانزیستورها، مقدار جریانی كه یك ترانزیستور با افزایش ولتاژ می‌تواند داشته باشد، محدود است.( شكل 9 را ببینید)

شكل 9ـ منحنی‌های SOA برای ترانزیستور 3A/60V NPN
اطلاعات نشان داده شده در منحنی SOA از یك برگه اطلاعات مربوط به ترانزیستور TIP31A(3A/60V) NPN گرفته شده است. اطلاعات مهم منحنی SOA این است كه زمانی كه ولتاژ روی قطعه (VCE) در بالاترین میزان طراحی شده قرار دارد، مقدار جریان عملكرد ایمن به 15 درصد ماكزیمم خود كاهش می‌یابد. اگر جریان كامل طراحی شده ، 3 آمپر باشد، VCE نباید از 14 ولت تجاوز كند. مهم است بدانیم كه ولتاژ ورودی – خروجی روی رگولاتور خطی همان VCE ترانزیستور عبوری می‌باشد. به این معنی كه جریان بار باید مطابق با منحنی SOA ترانزیستور عبوری رگولاتور، محدود شود. اگر بخواهیم در شرایط اضافه بار نیز كار كنیم، منحنی محدودیت جریان رگولاتور خطی باید منطقه زیر منحنی SOA ترانزیستور عبوری را در بر بگیرد. منحنی محدودیت جریان LM317 برای روشن شدن این موضوع، بعدا شرح داده خواهد شد. می‌توان دید كه شكل این منحنی شبیه منحنی SOA شكل 9 است كه در مقیاس خطی رسم شده است.

محدود كردن جریان درمقابل محدود كردن اتصال كوتاه
محدود كننده جریان و محدود كننده اتصال كوتاه مشخصه‌های متفاوتی دارند كه ممكن است باعث سردرگمی شوند. فرض كنید كه طراح بخواهد محدود كننده جریان را تست كند. او می‌تواند یك مقاومت توان قابل تنظیم را به خروجی رگولاتور وصل كند(شكل 10 را ببینید). به محض اینكه مقاومت با مقادیر كمتری تنظیم شود (و جریان بار افزایش یابد)، سرانجام به جایی خواهیم رسید كه محدودیت جریان رخ می‌دهد. محدود كننده جریان ثابت: اگر در ابتدا محدودیت جریان رخ دهد، به محض اینكه رگولاتور از حالت ولتاژ ثابت به حالت كاری جریان ثابت برود، ولتاژ خروجی از مقدار اسمی‌اش تنزل می‌یابد. به محض اینكه مقاومت بار كاهش یابد ومحدودیت جریان رخ دهد،مقدار

ولتاژ خروجی كم می‌شود كه با كاهش مقاومت بار متناسب است(به دلیل اینكه جریان بار ثابت نگه داشته شده است). افت ولتاژ خروجی را می‌توان كم كم ایجاد نمود و ولتاژ خروجی را می‌توان با تنظیم مقاومت بار، بالا وپایین برد.اگر مقاومت بار در بالای نقطه ای كه محدود كننده جریان فعال می‌شود،زیاد شود، رگولاتور به صورت خود كار به حالت ولتاژ ثابت باز می‌گردد(ولتاژ خروجی رگوله شده خواهد بود).

برای دریافت اینجا کلیک کنید