تنظیم کننده های ولتاژ

مقدمه :

در اکثر آزمایشگاههای برق از منابع تغذیه برای تغذیه مدارهای مختلف الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال استفاده می شود . تنظیم کننده های ولتاژ در این سیستم ها نقش مهمی را برعهده دارند زیرا مقدار ولتاژ مورد نیاز برای مدارها را بدون افت و خیز و تقریباً صاف فراهم می کنند .

منابع تغذیه DC ، ولتاژ AC را ابتدا یکسو و سپس آن را از صافی می گذرانند و از طرفی دامنه ولتاژ سینوسی برق شهر نیز کاملاً صاف نبوده و با افت و خیزهایی در حدود 10 تا 20 درصد باعث تغییر ولتاژ خروجی صافی
می شود.

از قطعات مورد استفاده برای رگولاتورهای ولتاژ می توان قطعاتی از قبیل ، ترانسفورماتور ، ترانزیستور ، دیود ، دیودهای زنر ، تریستور ، یا تریاک و یا آپ امپ (op Amp) و سلف (L) و خازن (C) و یا مقاومت (R) و یا ICهای خاص را نام برد .

* عوامل موثر بر تنظیم ولتاژ :

عوامل مختلفی وجود دارند که در تنظیم ولتاژ در یک تنظیم کننده موثرند از جمله این عوامل را می توان ، تغییرات سطح ولتاژ برق ، ریپل خروجی صافیها، تغییرات دما و نیز تغییرات جریان بار را نام برد .

الف)* تغییرات ولتاژ ورودی :

در تمامی وسایل الکترونیکی و یا سیستم های الکترونیکی و مکانیکی و غیره و در تمامی شاخه های علمی طراحان برای اینکه یک وسیله یا سیستم را با سیستم های مشابه مقایسه کنند معیاری را در نظر می گیرند که این معیار در همه جا ثابت است .

در یک تنظیم کننده معیاری به نام تنظیم خط وجود دارد که میزان موفقیت یک تنظیم کننده ولتاژ در کاهش تغییرات ولتاژ ورودی را با این معیار می سنجند و به صورت زیر تعریف می کنیم :

فرمول (1ـ2)

که در آن ، تغییرات ولتاژ ورودی ، تغییرات ولتاژ خروجی ، ولتاژ خروجی متوسط (DC) می باشد .

ب)تغییرات ناشی از تغییر دما :

یکی دیگر از عاملهای تعیین کننده در یک تنظیم کننده ولتاژ خوب تغییرات ناشی از دماست .

معیاری که تغییرات نسبی ولتاژ را برحسب دما بیان می کند ضریب دمای تنظیم کننده نام دارد که آن را با T.C نشان می دهیم و بصورت زیر تعریف می شود :

(فرمول 2-2)

T.C = Temperature coefficient

در رابطه فوق ، تغییرات ولتاژ خروجی در اثر تغییرات دمای و مقدار متوسط (DC) ولتاژ خروجی است .

معمولاً TC برحسب (Parts - per - million) بیان می شود و به صورت زیر تعریف می شود .

(فرمول 3-2)

در زیر چند نمونه از مقادیر ، ، و ... برای بعضی از سری
IC های رگولاتور ولتاژ آورده شده است .

Linear integrated circuits voltage regulators

ج)تغییرات ناشی از تغییر بار :

اکثر دانشجویان در آزمایشگاه با این مسئله روبرو شده اند که وقتی ما ولتاژی را از یک منبع می گیریم و با مالتی متر اندازه گیری می کنیم ( چه در حالت DC و چه در حالت ac ) وقتیکه به مدار وصل می کنیم مقدار آن با حالت بدون بار کمی اختلاف دارد ، دلیل آن تغییر بار است ، چون وقتی به مدار وصل نیست (بار) و وقتی به مدار وصل می شود بار تا مقدار خیلی زیادی کم می شود در حقیقت مقاومت بار تنظیم کننده ولتاژ ، مقاومت ورودی مداری است که از بیرون به آن متصل می شود و بنابراین می تواند تغییرات نسبتاً وسیعی داشته باشد .

در یک تنظیم کننده ولتاژ ایده آل مقاومت داخلی صفر است تا تغییر مقاومت بار تأثیری در ولتاژ خروجی آن نداشته باشد . در عمل تنظیم کننده ها دارای مقاومت داخلی کمی هستند و به همین دلیل کمی ولتاژ خروجی را تحت تأثیر قرار می دهند .

میزان این تأثیرپذیری را با معیاری به نام تنظیم بار یا ، نشان می دهیم که بصورت زیر تعریف می شود .

فرمول (4-2)

: ولتاژ در بار کامل (حداکثر بار ) .

: ولتاژ در بی باری .

* قسمتهای مختلف یک تنظیم کننده

الف)ترانسفورماتور:

جریان متناوب با دامنه و بسامد ثابت ، منبع اولیه انرژی الکتریکی است ( در بسیاری از کشورها و از جمله ایران و اروپا منبع سینوسی با ولتاژ موثر 220 ولت و فرکانس 50 هرتز به کار می رود و در ایالات متحده این منبع سینوسی با ولتاژ موثر 110 تا 220 ولت وفرکانس 60 هرتز می باشد ) تقریباً همه مدارهای الکترونیکی برای تضمین کارکرد مناسب به ولتاژهای ثابت نیاز دارند.

برای مثال ، بیشتر ریزکامپیوترها به منبع های 5 ولتی قادر به تأمین جریان A 100 نیاز دارند . دیگر سیستمهای سیگنال ـ پرداز اغلب به منبع های 12 و 15 ولتی نیاز دارند که در آنها جریان حاصل با شرایط بار تغییر می کند به علاوه بیشتر محرکهای موتور و سیستمهای کنترل به منبع های dcیی نیاز دارند که سطوح ولتاژ آنها را می توان برای برآوردن شرایط کار مطلوب تنظیم کرد .

وظیفه ترانسفورماتور ، تنظیم سطح ac به گونه ای است که دامنه dc مناسب بدست آید که ترانسفورمر می تواند از نوع افزاینده یا کاهنده باشد و ظرفیت توانی که می تواند جابجا کند باید برای تغذیه بار کافی باشد و اتلافهای یکسوساز ، پالایه و تنظیم کننده را تأمین کند . نسبت دورها ، از دامنه خروجی لازم نسبت به دامنه ورودی ac بدست می آید .

ب)یکسوسازها

بعد از ترانسفورماتور ، در یک منبع تغذیه ، یکسو کننده وجود دارد . وظیفه یکسوکننده تبدیل ولتاژ سینوسی به سیگنال dc پالسی است .

* یکسوساز نیم موج :

با استفاده از یکسوکننده های نیم موج می توان نیم سیکلهای مثبت یا منفی یک ولتاژ متناوب را حذف نمود . ولتاژ ورودی VI معمولاً توسط یک ترانسفورماتور ورودی تأمین می شود . چنانچه از ولتاژ آستانه هدایت دیود صرفنظر کنیم در نیم سیکلهای مثبت ولتاژ ورودی ، دیود هدایت نموده و می توان آن را بصورت یک مقاومت کوچک درنظر گرفت بنابراین جریان (i) در این نیم سیکلها از تقسیم VIبر مجموع مقاومت های و بدست می آید .

اگر ولتاژ ورودی دارای شکل موج سینوسی با دامنه باشد دامنه جریان از تقسیم بر مجموع مقاومتهای و بدست می آید .

اگر در مدار یک آمپرمتر DC به صورت سری قرار گیرد این آمپرمتر مقدار متوسط جریان را نشان خواهد داد . با توجه به تعریف مقدار متوسط یک تابع متناوب داریم :

فرمول (5-2)

در انتگرال فوق به جای متغیر (t) از متغیر استفاده شده است .

ولتاژ DC دوسر مقاومت ، از ضرب مقاومت در جریان بدست
می آید ، که جریان نیز از تقسیم بر عدد همانطور که در رابطه (1) بدست آمد ، بدست می آید . در مورد ولتاژ دوسر دیود دو حالت وجود دارد ، اولاً هنگامیکه دیود قطع است ، تمام ولتاژ ورودی در دوسر دیود ظاهر
می شود و ثانیاً ، اگر دیود هدایت کند ولتاژ لحظه ای دوسر دیود ، بوده بنابراین ولتاژ دوسر دیود عبارت است از :

فرمول (6-2)

مقادیر موثر جریان و ولتاژ نیز از روابط زیر بدست می آید:

فرمول (7-2)

فرمول (8-2)

* بازده یکسوکننده نیم موج :

نسبت توان DC تحویلی به مقاومت بار به توان متوسط ورودی را می توان به عنوان بازده یکسوکننده تعریف نمود که برابر است با :

فرمول (9-2)

* یکسوساز تمام موج :

مدار یکسوساز تمام موج در حقیقت از 2 مدار نیم موج تشکیل شده که هرکدام

در یکی از نیم سیکلهای ولتاژ سینوسی ورودی هدایت می کند ، در نیم سیکل مثبت ولتاژ ورودی ، فقط دیود هدایت نموده و جریان را از مقاومت بار عبور می دهد و در نیم سیکل منفی ولتاژ ورودی ، دیود هدایت نموده و جریان به مقاومت بار می رسد .

* مقادیر متوسط جریان و ولتاژ :

اگر مدار یکسوساز تمام موج را با یکسوساز نیم موج مقایسه کنیم متوجه می شویم که جریان در مدار تمام موج 2 برابر حالت نیم موج است .

و ولتاژ DC نیز از ضرب جریان بدست آمده بالا در مقاومت بدست می آید .

* حداکثر ولتاژ معکوس :

در یکسوکننده نیم موج دیدیم که وقتی دیود D در حالت قطع قرار می گرفت تمامی ولتاژ ورودی بر روی آن ظاهر می شد و بنابراین حداکثر ولتاژ معکوس دیود برابر بود .

در یکسوکننده تمام موج وقتی دیود قطع است دیود در حالت هدایت بوده و تقریباً اتصال کوتاه است و ولتاژ دوسر دیود برابر می باشد و برای دیود نیز وقتی که دیود وصل است ، دیود قطع و اوج ولتاژ معکوس برابر می‌باشد . بنابراین باید بدانیم که در انتخاب دیودها برای مدار یکسوکننده تمام موج ، اندازه ولتاژ شکست دیود از بیشتر باشد تا دیود وارد ناحیه شکست نشود .

* صافی خازنی :

در شکلهای مدارهای یکسوکننده که شکل موج ولتاژ خروجی در این مدارها با شکل موج ولتاژ ورودی تفاوتی اساسی پیدا نموده و در واقع این مدارهای یکسوکننده از یک ولتاژی که شامل هیچ گونه مؤلفه DC نیست یک ولتاژ DC توأم با ریپل (ripple) یا به عبارتی ناصاف بوجود می آورد . برای حذف ریپل موجود در خروجی یکسوکننده می توان از صافی خازنی استفاده کرد اینکار بوسیله موازی کردن یک خازن با مقاومت در مدار مثلاً یکسوکننده نیم موج بدست می آید . این صافی در حقیقت مانع رسیدن فرکانسهای بالای موجود در شکل موج ورودی ، به مقاومت بار گردیده و با این عمل به صاف تر شدن ولتاژ خروجی کمک می کند (صافی پایین گذر) .

مباحث کلی درباره فیلتر

یک مدار یکسوساز برای تبدیل سیگنالی با مقدار متوسط صفر به مقدار متوسط غیرصفر مورد نیاز است . البته ، ولتاژ dc ضربان دار بدست آمده ، کاملاً dc نیست و حتی نمونه قابل قبولی از آن نمی باشد . اگرچه در مداری نظیر یک شارژ باطری ، ضربان دار بودن مشکل بزرگی نیست ، با این وجود ، برای مدارات منبع تغذیه یک رادیو ، ضبط صوت ، کامپیوتر و دیگر دستگاههای الکترونیک ضربان با فرکانس 50 سیکل روی ولتاژ dc خروجی ظاهر می شود و در اثر آن کار کلیه مدارت نادرست انجام می گیرد . در چنین موردی و موارد گوناگون دیگر dc بدست آمده بایستی صاف تر از ولتاژی باشد که مستقیماً از یکسوساز نیم موج یا تمام موج بدست می آید .

فیلتر رگولاسیون ولتاژ و ولتاژ موجک

قبل از ورود به جزئیات مدار فیلتر ، بایستی روش متداول ارزیابی مداری که اثر آن را به عنوان یک فیلتر مورد مقایسه قرار می دهیم بدقت ملاحظه شود . اگرچه باطری علی الاصول دارای ولتاژ خروجی dc یا پیوسته است ، ولتاژ بدست آمده از منبع ac با یکسوسازی و فیلتر کردن ، دارای مقداری ریپل یا موجک خواهد شد .هر اندازه تغییرات ac نسبت به سطح dc کمتر باشد ، عمل فیلتر بهتر صورت گرفته است .

فرض کنید ولتاژ مدار فیلتر را با یک ولتمتر dc و یک ولتمتر ac اندازه گیری کنیم . در آن صورت ولتمتر dc تنها مقدار متوسط یا سطح dc ولتاژ خروجی را نشان خواهد داد و ولتمتر ac فقط مولفه rms ولتاژ ac را اندازه گیری خواهد کرد (با فرض اینکه سیگنال از طریق یک خازن به ولتمتر اخیرالذکر منتقل شود) .

تعریف : موجک یا ریپل

مثال : برای اندازه گیری سیگنال خروجی یک مدار فیلتر ، با استفاده از یک ولتمتر dc و ac ، ولتاژ dc برابر 25V و ولتاژ موجک (1.5 V) ولت (مؤثر) بدست آمده است . موجک خروجی فیلتر را حساب کنید .

اگر اندازه ولتاژ در بار کامل درست به اندازه ولتاژ در بی باری باشد ، رگولاسیون ولتاژ یا تنظیم بار محاسبه شده 0% است که بهترین صورت ممکن می باشد . این به آن معنی است که منبع ولتاژ مستقل از جریان کشیده شده عمل می کند و دارای ولتاژ ثابتی است . ولتاژ خروجی اغلب منابع تغذیه با کشیده شدن جریان کاهش می یابد . کاهش کمتر ولتاژ به معنی کار بهتر مدار منبع تغذیه است .

ضریب موجک سیگنال یکسوشده

ولتاژ یکسوشده یک ولتاژ صاف نیست و بنابراین خروجی دارای مؤلفه dc و نیز موجک است . ملاحظه خواهید کرد که سیگنال یکسوساز تمام موج نسبت

به یکسوساز نیم موج دارای مؤلفه dc بیشتر و موجک (ریپل) کمتری است .

زمان ، زمانی است که در آن دیودهای یکسوساز تمام موج هدایت می کنند و خازن فیلتر را تا مقدار قله (نوک) ولتاژ ورودی ، شارژ می کند . زمانی است که در طول آن ولتاژ یکسو شده تا پایین تر از ولتاژ نوک افت می کند و خازن در بار تخلیه می گردد . چون سیکل شارژ ـ دشارژ در هر نیم سیکل یک یکسوکننده تمام موج اتفاق می افتد ، بنابراین زمان تناوب شکل موج یکسو شده ، یعنی نصف فرکانس سیگنال ورودی است .

که در آن ، جریان به میلی آمپر ، C ظرفیت به میکروفاراد ، و به کیلواهم است .

مثال : ولتاژ موجک یک یکسوساز تمام موج را بدست آورید که ظرفیت خازن فیلتر آن و جریانی که بار می کشد ، 80 m A باشد .

که در آن ولتاژ نوک یکسوساز ، جریان بار بر حسب میلی آمپر ، و C ظرفیت خازن به میکروفاراد است .