اصول رگولاتورهاي خطي ولتاژ

چكيده
اين مقاله درباره عملكرد رگولاتورهاي خطي ولتاژ مي‌باشد. متداول‌ترين روش‌هاي رگولاسيون مطرح خواهند شد. در قسمت رگولاتورهاي خطي، انواع استاندارد، LDO و نيمه LDO به همراه مثالهاي مداري ، تشريح خواهند شد. البته رگولاتورهاي سويچينگ داراي انواع كاهشي، كاهشي – افزايشي ، افزايشي و بازگشتي نيز وجود دارند. همچنين مثالهايي از كاربردهاي عملي با استفاده از اين رگولاتورها ارائه مي‌شود.

مقدمه
رگولاتور خطي بلوك ساختاري اساسي تقريبا هر منبع تغذيه الكترونيكي مي‌باشد. استفاده از IC رگولاتور خطي آسان است و بطور كامل حفاظت شده (fool proof) مي‌باشد و آنقدر ارزان است كه معمولا يكي از ارزان‌ترين اجزاي يك سيستم الكترونيكي مي‌باشد. اين مقاله اطلاعاتي براي درك عميق‌تر عملكرد رگولاتور خطي ارائه مي‌دهد و كمك مي‌كند تا كاربردها و مشخصه‌هاي رگولاتور به خوبي معلوم گردد. تعدادي مدار واقعي از رگولاتورهاي تجاري كه در حال حاضر موجودند، ارائه مي‌شود.
محصولات جديد در حوزه تنظيم كننده‌هاي LDO واقع شده اند كه در بسياري از كاربردها، مزاياي بيشتري نسبت به رگولاتورهاي استاندارد ارائه مي‌دهند.

عملكرد رگولاتورهاي خطي ولتاژ

مقدمه
هر مدار الكترونيكي نياز به ولتاژ تغذيه‌اي دارد كه معمولا ثابت فرض مي‌شود. يك رگولاتور ولتاژ، اين ولتاژ خروجي dc ثابت را فراهم مي‌كند و شامل مجموعه‌ مداراتي است كه بطور مداوم ولتاژ خروجي را بدون توجه به تغييرات جريان بار يا ولتاژ ورودي، در مقدار طراحي، ثابت نگه مي‌دارد(فرض بر اين است كه جريان بار و ولتاژ ورودي در محدوده عملكرد تعيين شده براي قطعه مي‌باشند).
رگولاتور ولتاژ خطي پايه

يك رگولاتور خطي به كمك يك منبع جريان كنترل شده با ولتاژ، ولتاژ معين و ثابتي را در پايانه خروجي‌اش ايجاد مي‌كند. (شكل ۱ را ببينيد).

ژ
شكل ۱ـ دياگرام عملكرد رگولاتور خطي
مجموعه مدارات كنترلي بايد ولتاژ خروجي را حس كند و منبع جريان را( به ميزاني كه مورد نياز بار است) براي نگه داشتن ولتاژ خروجي در ميزان مطلوب تنظيم نمايد. محدوديت طراحي منبع جريان، حداكثر جريان باري را كه رگولاتور مي‌دهد، در حالي كه همچنان به صورت رگوله باشد، معين مي‌كند. ولتاژ خروجي با يك حلقه فيدبك كه به نوعي جبران سازي براي حصول اطمينان از پايداري حلقه نياز دارد، كنترل مي‌شود. بيشتر رگولاتورهاي خطي داراي جبران سازي داخلي هستند و بدون نياز به به اجزاي

خارجي، كاملا پايدار مي‌باشند. برخي رگولاتورها( مانند انواع LDO ) ، به مقداري ظرفيت خازني خارجي كه از خروجي به زمين وصل شده است، براي حصول اطمينان از پايداري تنظيم كننده احتياج دارند. مشخصه ديگر هر رگولاتور خطي اين است كه براي اصلاح ولتاژ خروجي بعد از تغيير در جريان بار، به مقدار محدودي زمان نياز دارد. اين تاخير زماني بيانگر مشخصه پاسخ زودگذر است كه نشان مي‌دهد يك رگولاتور بعد از تغيير بار با چه سرعتي مي تواند به شريط حالت پايدار بازگردد.
عملكرد حلقه كنترلي

عملكرد حلقه كنترلي در يك رگولاتور خطي واقعي با استفاده از دياگرام مختصر شده شكل ۲ توضيح داده خواهد شد. (وظيفه حلقه كنترلي در همه انواع رگولاتورهاي خطي ، يكسان است).

شكل ۲ـ دياگرام يك رگولاتور خطي واقعي

قطعه عبوري Q1 در اين رگولاتور از يك زوج دارلينگتون NPN كه بوسيله يك ترانزيستور PNP راه‌اندازي مي‌شود، تشكيل شده است (اين topology يك رگولاتور استاندارد است) .جريان خارج شده از اميتر ترانزيستور عبوري (كه همان جريان بار IL مي‌باشد) بوسيله QQ2 و تقويت كننده خطاي ولتاژ كنترل مي‌شود. جريان عبوري از مقسم مقاومتي R2,R1 در مقايسه با جريان بار، ناچيز است. حلقه فيدبكي كه ولتاژ خروجي را كنترل مي‌كند با استفاده از R2,R1 براي حس كردن ولتاژ خروجي و اعمال اين ولتاژ به ورودي معكوس كننده تقويت كننده خطاي ولتاژ، ايجاد مي‌گردد. ورودي غير معكوس كننده به ولتاژ مرجع وصل است كه به اين معني است كه تقويت كننده خطا بطور دائم ولتاژ خروجي‌اش را (و همچنين جريان را از طريقQ1) طوري تنظيم مي‌كند كه ولتاژهاي دو سر ورودي‌اش ، برابر گردد. عملكرد حلقه فيدبك بطور مداوم خروجي را در يك مقدار معين كه ضريبي از ولتاژ مرجع است (كه بوسيله R2,R1 تنظيم مي‌شود)، بدون توجه به تغييرات جريان بار، ثابت نگه مي‌دارد. بايد توجه داشت كه يك افزايش يا كاهش ناگهاني در جريان بار (يا يك تغيير پله‌اي در مقاومت بار) باعث مي‌شود ولتاژ خروجي آنقدر تغيير كند تا حلقه بتواند آنرا تصيح كند و در يك سطح جديد تثبيت گردد(كه به اين، پاسخ زودگذر گفته مي‌شود). تغيير ولتاژ خروجي بوسيله R2,R1 حس مي‌شود و به صورت يك سيگنال خطا در ورودي تقويت كننده خطا ظاهر مي‌گردد و باعث مي‌شود تا جريان از طريق Q1 تصحيح گردد.
انواع رگولاتورهاي خطي (LDO ، استاندارد و نيمه LDO)
سه نوع اساسي از رگولاتورهاي خطي شرح داده مي‌شود : رگولاتور استاندارد (شامل دارلينگتونNPN ) ، Low-Dropout يا رگولاتور LDO و رگولاتور نيمه LDO .
مهمترين تفاوت اين سه نوع رگولاتور ، ولتاژ dropout مي‌باشد كه كمترين افت ولتاژي است كه براي حفظ رگولاسيون ولتاژ خروجي مورد نياز است. نكته مهمي كه بايد در نظر گرفت اين است كه رگولاتور خطي با كوچكترين ولتاژي كار كند كه كمترين تلفات توان داخلي وبيشترين راندمان را داشته باشد. رگولاتور LDO به كمترين مقدار ولتاژ نياز دارد، در حالي كه رگولاتور استاندارد به بيشترين مقدار ولتاژ احتياج دارد. تفاوت مهم ديگر رگولاتورها ، جريان پايه زمين است كه رگولاتور در زمان تحريك يا به راه اندختن

جريان بار مشخص شده‌اش به آن نياز دارد. رگولاتور استاندارد كمترين جريان پايه زمين را دارد ، در حالي كه نوع LDO به طور كلي بالاترين جريان را دارد (اين تفاوتها در بخش‌هاي بعدي شرح داده خواهد شد). جريان افزايش‌يافته پايه زمين ، نامطلوب است زيرا يك جريان هدر رفته مي‌باشد. به اين دليل كه بايد منبع آنرا تامين كند ولي به بار داده نمي‌شود.

رگولاتور (NPN) استاندارد
در اولين رگولاتورهاي ولتاژ ساخته شده به صورت IC ، براي قطعه عبوري از پيكربندي دارلينگتون NPN استفاده شد و آنها به عنوان رگولاتورهاي استاندارد معرفي شدند. (شكل ۳ را ببينيد) .

شكل ۳ـ رگولاتور (NPN) استاندارد
نكته مهم در رگولاتورهاي استاندارد اين است كه براي رگولاسيون خروجي ، ترانزيستور عبوري به يك ولتاژ كمينه كه با رابطه زير داده مي‌شود، نياز دارد:
VD(MIN)= 2VBE + VCE
اين ولتاژ در گستره‌ دمايي ۵۵- درجه تا ۱۵۰ درجه سانتيگراد، بوسيله كارخانه بين حدود ۵/۲ تا ۳ ولت تنظيم مي‌شود تا محدوديت‌هاي عملكرد تعيين شده ، تضمين گردد. ولتاژي كه خروجي به ازاي آن واقعا از حالت رگولاسيون خارج مي‌شود ( كه ولتاژ dropout نام دارد)، براي رگولاتور استاندارد ، مقداري بين ۵/۱ تا ۲/۲ ولت دارد ( كه هم به جريان بار وهم به دما وابسته است). ولتاژ dropoutرگولاتور استاندارد ، بالاترين (بدترين) مقدار را در بين اين سه نوع رگولاتور دارد. جريان پايه زمين در اين رگولاتور خيلي كم است (LM309 مي‌تواند جريان بار يك آمپر را با جريان پايه زمين كمتر از ۱۰ ميلي‌آمپر تامين نمايد) . علتش اين است كه جريان تحريك بيس ترانزيستور عبوري (كه به

پايه زمين مي‌رسد) برابر است با جريان بار تقسيم بر بهره قطعه عبوري. در رگولاتور استاندارد، شبكه قطعه عبوري از يك ترانزيستور PNP و دو ترانزيستور NPN تشكيل يافته است كه در نتيجه بهره جريان كل آن خيلي زياد است(بيشتر از ۳۰۰) . نتيجه استفاده از يك قطعه عبوري با چنين بهره جريان بالايي اين است كه به جريان خيلي كوچكي براي تحريك بيس ترانزيستور عبوري نياز است كه به جريان پايه زمين كمتري منجر مي‌شود. جريان پايه زمين اين رگولاتور كمترين (بهترين ) مقدار را در بين سه نوع رگولاتور دارد.

رگولاتور Low – Dropout (LDO)
رگولاتور LDO از اين جهت با رگولاتور استاندارد تفاوت دارد كه قطعه عبوري در LDO تنها از يك ترانزيستور PNP ساخته شده است (شكل ۴ را ببينيد).

شكل ۴ـ رگولاتور LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نياز در رگولاتور LDO براي رگولاسيون، ولتاژ روي ترانزيستور PNP مي‌باشد.
VD(MIN) = VCE

حداكثر ولتاژ dropout تعيين شده يك رگولاتور LDO حدود۰٫۷ تا ۰٫۸ ولت در جريان كامل است و مقدار واقعي آن حدود ۰٫۶ ولت مي‌باشد. ولتاژ dropout مستقيما به جريان بار بستگي دارد كه به معني اين است كه در مقادير خيلي كم جريان بار، ممكن است ولتاژ d ropout به كوچكي ۵۰ ميلي ولت باشد. رگولاتور LDO پايين ترين ( بهترين ) مقدار ولتاژ dropout را در بين سه نوع رگولاتور دارد. ولتاژ dropout پايين‌تر ، دليل تسلط رگولاتورهاي LDO در عرصه كاربردهاي با توان باتري مي‌باشد زيرا آنها استفاده از ولتاژ ورودي موجود را به حداكثر رسانده اند و مي‌توانند با راندمان بالاتري كار كنند. رشد بسيار سريع محصولات با مصرف عمومي (با توان باتري) در سالهاي اخير باعث

تكامل در خط توليد رگولاتورهاي LDO شده است. جريان پايه زمين در يك رگولاتور LDO تقريبا برابر جريان بار تقسيم بر بهره تك ترانزيستور PNP مي‌باشد. در نتيجه جريان پايه زمين يك رگولاتور LDO از همه رگولاتورهاي ديگر بالاتر است. براي مثال، يك رگولاتور LP2953 كه جريان كامل تحويلي آن ۲۵۰ ميلي آمپر مي‌باشد، جريان پايه زمين ۲۸ ميلي آمپر يا كمتر دارد كه به معني بهره PNP برابر ۹ يا كمي بيشتر مي‌باشد. LM2940 يك رگولاتور يك آمپري مي‌باشد كه جريان پايه زمين ماكزيمم ۴۵ ميلي آمپر در جريان كامل دارد. اين به معناي بهره ۲۲ يا كمي بيشتر براي ترانزيستور عبوري PNP در جريان مربوطه‌مي‌باشد.
رگولاتور نيمه LDO

يك نوع متفاوت از رگولاتور استاندارد، رگولاتور نيمه LDO مي‌باشد كه دو ترانزيستور PNP,NPN را به عنوان قطعه عبوري بكار مي‌برد ( شكل ۵ را ببينيد).

شكل ۵ـ رگولاتور نيمه LDO
حداقل افت ولتاژ مورد نياز روي اين رگولاتور براي رگولاسيون با رابطه زير داده مي‌شود:
VD(MIN) = VBE+ VCE

براي ولتاژ dropout در رگولاتور نيمه LDO كه جريان معيني را تحويل مي‌دهد ، بيشينه‌اي حدود۵/۱ ولت تعيين شده است. ولتاژ dropout واقعي وابسته به دما و جريان بار است. ولي نبايد انتظار داشت كه حتي در كمترين ميزان بار در دماي ۲۵ درجه سانتي‌گراد از حدود ۹/۰ ولت پايين‌تر برود . ولتاژ dropout براي رگولاتور نيمه LDO بيشتر از رگولاتور LDO ، ولي كمتر از رگولاتور استاندارد مي‌باشد. جريان پايه زمين در اين رگولاتور مانند رگولاتور استاندارد به طور مناسبي پايين است (معمولا در جريان كامل كمتر از ۱۰ ميلي آمپر).

خلاصه
مقايسه‌اي بين سه نوع رگولاتور در شكل ۶ نشان داده شده است.

شكل ۶ـ مقايسه انواع رگولاتورهاي خطي
رگولاتور استاندارد براي كاربردهاي توان AC بهترين است كه هزينه پايين و جريان بار زيادش آنرا به انتخاب ايده‌آل تبديل مي‌كند. در كاربردهاي توان AC ، ولتاژ روي رگولاتور معمولا حداقل ۳ ولت است، پس ولتاژ dropout بحراني نخواهد بود. بطور جالب توجهي ، در اين نوع كاربرد (كه در آن افت ولتاژ در رگولاتور بيشتر از ۳ ولت است). رگولاتورهاي استاندارد نسبت به انواع LDO واقعا موثرترند (زيرا اين رگولاتورها طبق جريان پايه زمين‌شان ، تلفات توان داخلي بسيار كمتري دارند). رگولاتورهاي LDO براي كاربردهاي باتوان باتري مناسب‌ترند، زيرا ولتاژ dropout پايين تر آنها با كاهش تعداد سلول‌هاي باتري مورد نياز براي تهيه ولتاژ خروجي رگوله شده مستقيما باعث

صرفه‌جويي در هزينه مي‌شود. اگر تفاضل ولتاژ ورودي‌ – خروجي پايين باشد (مثلا ۱ تا ۲ ولت)، LDO از استاندارد موثرتر است. زيرا حاصل ضرب جريان بار در اين تفاضل به تلفات توان كمتري منجر مي‌شود.
انتخاب بهترين رگولاتور براي كاربرد مورد نظر
بهترين گزينه براي يك كاربرد خاص با برآوردكردن شرايطي مثل شرايط زير مشخص مي‌شود:

حداكثر جريان بارـ نوع منبع ولتاژ ورودي(ACيا باتري) ـ دقت ولتاژ خروجي(تلرانس) ـ جريان خاموشي (بدون سيگنال ورودي) ـ ويژگيهاي خاص (پايه Shutdown )، پرچم خطا و غيره)
حداكثر جريان بار
زماني كه يك IC رگولاتور انتخاب مي‌كنيد، حداكثر جريان مورد نياز در آن كاربرد را بايد به دقت مد نظر بگيريد. مشخصه جريان بار در يك IC رگولاتور يا به صورت يك مقدار تكي و يا به صورت مقداري كه به تفاضل ولتاژ ورودي – خروجي وابسته است، تعريف مي‌شود( اين موضوع در بخش بعدي در مدارهاي محافظ شرح داده خواهد شد).
رگولاتور انتخاب شده باشد بتواند در بدترين شرايط عملكرد، جريان كافي به بار بدهد.

منبع ولتاژ ورودي (باتري يا AC)
ولتاژ ورودي موجود(منبع AC يا باتري) براينكه چه رگولاتوري براي يك كاربرد خاص مناسب‌تر است، تاثير زيادي دارد.

باتري : در كاربردهاي باتوان باتري، رگولاتورهاي LDO معمولا بهترين گزينه‌اند زيرا ولتاژ ورودي موجود را كامل‌تر مورد استفاده قرار مي‌دهند (و از مدت زمان دشارژ شدن باتري مي‌توانند طولاني‌تر كار كنند). براي نمونه يك باتري ۶ ولتي با الكترودهاي سربي و الكتروليت اسيد سولفوريك رقيق(يك نوع باتري معروف) ولتاژ پايانه‌اي حدود ۳/۶ ولت در زمان شارژ كامل و حدود ۵/۵ ولت در نقطه پاياني حالت دشارژ خود دارد. اگر يك طراح بخواهد يك منبع ۵ ولتي رگوله شده كه با اين باتري تغذيه مي‌شود بسازد به يك رگولاتور LDO نياز دارد ( زيرا ولتاژ dropout آن حدود ۵/۰ تا ۳/۱ ولت مي‌باشد).

AC: اگر يك تغذيه DC از يك منبع AC يكسو شده داشته باشيم، ولتاژ dropout رگولاتور به آن اندازه بحراني نخواهد بود زيرا ولتاژ ورودي اضافي رگولاتور با افزايش ولتاژ ثانويه ترانسفورماتور AC ايجاد مي‌شود ( بوسيله اضافه كردن دورهاي سيم پيچي ثانويه). در اين كاربردها يك رگولاتور استاندارد معمولا اقتصادي‌ترين گزينه است و جريان بار بيشتري فراهم مي‌كند.هر چند، در بعضي موارد ، مزاياي اضافي ودقت بيشتر ولتاژ خروجي در بعضي از رگولاتورهاي جديد LDO، آنها را بدل به بهترين انتخاب كرده است.
دقت ولتاژ خروجي(تلرانس)

رگولاتورهاي خطي واقعي معمولا مشخصه ولتاژ خروجي دارند كه تضمين مي‌كند خروجي رگوله شده تا حدود حداكثر ۵ درصد با مقدار اسمي اختلاف داشته باشد. اين دقت براي بيشتر كاربردها كافي است. رگولاتورهاي جديد زيادي وجود دارند كه تلرانس‌هاي خروجي كوچكتري دارند(به طور معمول كمتر از ۲ درصد) و با استفاده از فرآيند laser-trim (ساخته شده با ليزر) ايجاد مي‌شوند. همچنين، بسياري از رگولاتورهاي جديد مشخصه هاي خروجي جداگانه‌اي دارند كه دماي اتاق و گستره دمايي عملكرد كامل و همچنين شرايط بار كامل و بي‌باري را پوشش مي‌دهند.

جريان خاموشي
جريان خاموشي كه در زمان عدم استفاده(چه زمان خاموش بودن وچه زماني كه جريان بار زيادي تحويل داده نمي‌شود) بوسيله يك قطعه از منبع كشيده مي‌شود، در كاربردهاي باتوان باتري اهميت فوق العاده‌اي دارد. در بعضي كاربردها، ممكن است يك رگولاتور در بيشتر اوقات قطع( در حالت انتظار) باشد و فقط زماني كه رگولاتور اصلي دچار اشكال مي‌شود، جريان بار را تامين كند. در اين موارد، جريان خاموشي، عمر باتري را تعيين مي‌كند. بسياري از رگولاتورهاي LDO جديد براي جريان خاموشي پايين بهينه شده اند( مثلا ۷۵ تا ۱۵۰ ميكرو آمپر) و نسبت به رگولاتورهاي معمولي كه چندين ميلي‌آمپر مي‌كشند،‌ عملكرد خيلي بهتري دارند.

ويژگيهاي خاص
بسياري از رگولاتوهاي LDO مزايايي عرضه مي‌كنند كه باعث مي‌شود طراح انعطاف بيشتري داشته باشد. Shut down : يك پايه Shut down با توان پايين اجازه مي‌دهد تا رگولاتور با استفاده از يك گيت منطقي يا ميكرو كنترلر خاموش شود. اين ويژگي همچنين باعث مي‌شود كه بتوان رگولاتور را براي كاربرد خاموش و روشن كردن خيلي سريع، سيم بندي نمود كه در يكي از مثالهاي طراحي شرح داده خواهد شد.

محافظت در برابر تخليه بار:
رگولاتورهايي كه به صورت خودكار مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در برابر جرقه‌هاي ناشي از اضافه ولتاژ(تخليه بار) نياز به محافظت داخلي دارند. در اين موارد ، رگولاتور به طور معمول خروجي را در حين ايجاد جرقه هاي ناشي از اضافه ولتاژ ، قطع مي‌كند و پس از آن دوباره آنرا وصل مي‌كند.

محافظت در برابر ولتاژ ورودي معكوس:
اين خاصيت، در كاربردهايي كه در آن كاربر مي‌تواند بطور اتفاقي پلاريته باتريها را جابجا كند، مانع از آسيب رسيدن به رگولاتور مي‌شود.
پرچم خطا
اين پرچم در زماني كه خروجي به مقداري كمتر از پنج درصد مقدار اسمي‌اش تنزل يابد، به مدارات كنترلي يا نظارت هشدار مي‌دهد وبه عنوان يك پرچم اخطار در نظر گرفته شده كه مي‌تواند به كنترلر هشدار دهد كه ولتاژ تغذيه آنقدر پايين است كه ممكن است باعث عملكرد غير عادي CPU يا مدارات منطقي به هم پيوسته گردد.
مدارهاي محافظي كه داخل IC هاي رگولاتور خطي ساخته شده‌اند

IC هاي رگولاتور خطي شامل مدارات محافظ داخلي هستند ك آنها را در برابر جريان بار اضافي و يا دماي كار بالا ايمن مي‌نمايد . دو مدار محافظي كه تقريبا در همه IC هاي رگولاتور خطي يافت مي‌شوند عبارتند از : قطع كننده دمايي و محدودكننده جريان
شبكه زنجيره اي فرمان
قطع كننده دمايي، محدوده كننده جريان و تقويت كننده خطاي ولتاژ سه حلقه كنترلي جداگانه و مجزا درست مي‌كنند كه سلسله مراتب (ترتيب اولويت) معيني دارند كه اجازه مي‌دهد يكي از آنها، اثر بقيه را خنثي نمايد. ترتيب اولويت فرمان (واهميت ) حلقه‌ها به اين صورت است:‌ ۱ـ‌ محدود كننده دما(IC دماي پيوند يا تلف توان را تنظيم مي‌كند) ۲ـ‌ محدود كننده جريان (IC جريان بار را تنظيم مي‌كند) ۳ـ كنترل ولتاژ (IC ولتاژ خروجي را تنظيم مي‌كند)

اين سلسله مراتب به اين معني است كه يك رگولاتور خطي تمايل دارد در حالت ولتاژ ثابت كه در آن ، تقويت كننده خطاي ولتاژ، ولتاژ خروجي را در يك مقدار معين نگه مي‌دارد، كار كند. به هر حال، فرض مي‌شود كه جريان بار و دماي پيوند، هر دو پايين‌تر از مقادير آستانه‌شان قرار دارند. اگر جريان بار از مقدار مشخص شده بيشتر شود، مدارات محدود كننده جريان كنترل را بدست مي‌گيرد تا جريان بار به مقدار مشخص تنظيم شده‌اش برسد(اثر تقويت كننده خطاي ولتاژ را خنثي مي‌كند). تقويت كننده

خطاي ولتاژ تنها زماني مي‌تواند به كنترل ادامه دهد كه جريان بار به اندازه كافي كاهش يافته باعث شود مدارات محدود كننده جريان، كنترل را رها كند. اين موضوع به تفصيل در بخش محدوديت جريان توضيح داده شده است. افزايش در دماي تراشه (بدون توجه به علت آن) تا حد نزديك به آستانه محدوديت (حدود ۱۶۰ درجه سانتي‌گراد) باعث مي‌شود تا قطع كننده دمايي ترانزيستور قدرت را از كار بيندازد كه به اين ترتيب باعث كاهش جريان بار و تلفات توان داخلي مي‌گردد. توجه كنيد كه محدود كننده دما مي‌تواند مدارات محدود كننده جريان و تقويت كننده خطاي ولتاژ، هر دو را خنثي نمايد. قطع كننده دمايي در بخش بعدي شرح داده مي‌شود.نكته مهم اين است كه رگولاتور تنها زماني كه در حالت ولتاژ ثابت است، ولتاژ خروجي‌اش را ثابت نگه مي‌دارد. در حالت محدود كردن جريان، ولتاژ خروجي به اندازه‌اي كه براي نگه داشتن جريان بار در مقدار مشخص تنظيم شده لازم است، كاهش خواهد يافت.در حالت محدود كردن دما، ولتاژ خروجي كاهش مي‌يابد و جريان بار به هر ميزاني (شامل صفر) مي‌تواند كاهش يابد: زماني كه قطعه در حالت قطع دمايي كار مي‌كند هيچ عمل ديگري انجام نمي‌دهد.

قطع كننده دمايي
مدار قطع كننده دمايي يك IC است كه از بيش از اندازه بالارفتن دماي پيوند و آسيب رسيدن به قطعه جلوگيري مي‌كند. (شكل ۷ را ببينيد). اين كار با كنترل دماي تراشه وكاهش تلفات توان داخلي براي نگه داشتن دما در مقدار معين شده(معمولا حدود ۱۶۰ درجه سانتي گراد ) انجام مي‌گردد.

شكل ۷ـ قطع كردن دمايي

عملكرد مدار :
حس كننده دما (Q1) ، براي حصول اطمينان از رديابي دمايي خيلي دقيق، نزديك به ترانزيستور قدرت بر روي تراشه قرار گرفته است. مقاومت‌هاي R2 , R1 ، بيس Q1 را در حدود ۳۵/۰ ولت ، مطابق با VBE روشن Q1، در دماي حدود ۱۶۰ درجه سانتي گراد ، نگه مي‌دارند . به محض اينكه دماي تراشه بالا مي‌رود، Q1 در نهايت به آستانه روشنايي (حدود ۱۶۰ درجه ) مي‌رسد و شروع به كشيدن جريان ازمنبع جريان كه طبقه توان را تغذيه مي‌كند، مي‌نمايد. در نتيجه جريان بار كاهش مي‌يابد ( يا به كلي قطع مي‌شود) كه در نتيجه آن تلفات توان داخلي رگولاتور نيز كاهش خواهد يافت .در مواردي كه محدوديت‌ دمايي رخ مي‌دهد ،ولتاژ خروجي و جريان، هر دو كاهش مي‌يابند.

زماني كه ولتاژ خروجي پايين‌تر از مقدار اسمي‌اش باشد، سيگنال خطاي ظاهر شده در تقويت كننده خطاي ولتاژ، باعث مي‌شود تقويت كننده ،ولتاژ خروجي را با بالابردن خروجي‌اش،تصحيح نمايد(و با دادن جريان بيشتر به ترانزيستور عبوري ). مدار محدود كننده دمايي مي‌تواند تمام جريان را از خروجي تقويت كننده خطا، بكشد و ولتاژ و جريان خروجي رگولاتور را به اندازه موردنياز پايين نگه دارد تا دماي پيوند حدود ۱۶۰ درجه بماند. همانطور كه نشان داده شد، محدود كننده دما مي‌تواند زماني كه لازم است از آسيب رسيدن به IC جلوگيري شود، اثر حلقه كنترل ولتاژ را خنثي نمايد.

محدود كننده جريان
كار محدود كننده جريان جلوگيري از آسيب رسيدن به IC حين قرار گرفتن يك اضافه بار در خروجي رگولاتور است (يعني زماني كه امپدانس بار خيلي پايين است). بدون محدود كننده جريان، رگولاتور جريان بار اضافي خواهد كشيد و ترانزيستور عبوري داخل قطعه از بين خواهد رفت. براي جلوگيري از اين اتفاق، مدار محدود كننده جريان حلقه كنترل ولتاژ را خنثي مي‌نمايد و تغذيه ترانزيستور عبوري را كاهش مي‌دهد كه در نتيجه به حداكثر سطح جريان مطمئنه، اضافه نمي‌گردد. دونوع اساسي مدار محدود كننده جريان وجود دارد كه در رگولاتورهاي خطي بكارگرفته مي‌شود( كه در بخش بعد شرح داده خواهد شد) : محدود كننده جريان ثابت – محدودكننده جريان مستقل از ولتاژ (كه گاهي اوقات محدود كننده اتصال كوتاه ناميده مي‌شود)

محدود كننده جريان ثابت
حداكثر جرياني را كه يك رگولاتور خطي مي‌تواند به بار بدهد در برگه اطلاعات مشخص شده است. بطور كلي بسياري از رگولاتورها (و بيشتر رگولاتورهاي LDO ) تنها يك مقدار معين براي حداكثر جريان مشخص مي‌كنند. اين مقدار براي هر ولتاژ ورودي يا خروجي كه در اندازه ماكزيمم مشخصات قطعه وجود دارد،تضمين شده است. براي مثال LP2952 براي دادن جريان حداقل ۲۵۰ ميلي آمپر بدون رفتن به حالت محدوديت جريان، تاوقتي كه خروجي در گستره ۲۵/۱ تا ۲۹ ولت وولتاژ ورودي حداقل ۸/۰ ولت بالاتر از خروجي قرار دارد، تضمين شده است. در شكل ۸ يك نقشه مختصر از مداري كه محدوديت جريان ثابت را فراهم مي‌كند، نشان داده شده است. اين يك طراحي مجزا (و نه بصورت مدار مجتمع ) مي‌باشد. (مدار استفاده شده در يك IC تنظيم كننده كمي متفاوت است).

 

شكل ۸ـ مدار محدود كننده جريان ثابت
عملكرد مدار:
جريان بار با مقاومت «I SENSE » حس مي‌شود كه ولتاژي ايجاد مي‌كند كه به طور مستقيم به جريان بستگي دارد.اين ولتاژبوسيله تقويت كننده تفاضلي تغيير سطح داده شده و تقويت مي‌شود. ولتاژ خروجي تقويت كننده تفاضل يك سيگنال مرجع نسبت به زمين است كه متناسب با جريان بار مي‌باشد. اين سيگنال جريان بار كه از تقويت كننده تفاضلي مي‌آيد، به ورودي معكوس‌كننده تقويت كننده خطاي محدوديت جريان وارد مي‌شود، در حالي كه ورودي غير معكوس كننده آن، به يك ولتاژ مرجع وصل

مي‌شود مقدار اين ولتاژ مرجع وقتي رگولاتور حداكثر جريان را تحويل مي‌دهد( در نقطه محدوديت جريان)، با ولتاژ خروجي تقويت كننده تفاضلي برابر خواهد بود. توجه كنيد تا وقتي كه جريان بار كمتر از آستانه محدوديت باشد، خروجي تقويت كننده خطاي جريان بالا مي‌باشد(و تقويت كننده خطاي ولتاژ ، رگولاتور رادر حالت ولتاژ ثابت نگه مي‌دارد) . زماني كه جريان بار به آستانه محدوديت مي‌رسد ، خروجي تقويت كننده خطاي جريان تنزل پيدا مي‌كند وشروع به كشيدن جريان از خروجي تقويت كننده خطا

ي ولتاژ مي‌نمايد( به اين ترتيب رگولاتور در حالت جريان ثابت قرار مي‌گيرد ) . زماني كه محدوديت جريان رخ مي‌دهد ، ولتاژ خروجي رگولاتور ، به مقداري پايين‌تر ا ز مقدار اسمي‌اش تنزل مي‌يابد كه بوسيله تقويت كننده خطاي ولتاژ به عنوان شرايط افت ولتاژ حس مي‌شود. تقويت كننده خطاي ولتاژ ، خروجي‌اش را افزايش مي‌دهد ولي تقويت كننده خطاي جريان مي‌تواند تمام جرياني را كه از تقويت كننده خطاي ولتاژ مي‌آيد، بكشد.مانند محدود كننده دما، محدود كننده جريان نيز براي جلوگيري از آسيب

رسيدن به IC ، اثر تقويت كننده خطاي ولتاژ را خنثي مي‌نمايد. خط بار نشان داده شده در شكل ۸ نشان مي‌دهد كه چگونه ولتاژ خروجي در بالاي نقطه‌اي كه جريان بار به مقدار مشخص شده‌اش مي‌رسد و رگولاتور در حال گذار به حالت جريان ثابت است، نگه داشته مي‌شود. زماني كه در حالت جريان ثابت هستيم ، IC جريان بار را در مقدار مشخص شده‌اش تنظيم مي‌كند. پس ولتاژ خروجي مي‌تواند هر مقداري كمتر از صفر داشته باشد. محدود كننده دما مي‌تواند هميشه اثر محدود كننده جريان را خنثي

نمايد و مي‌‌تواند ولتاژ خروجي و جريان را تا هر مقداري كه براي ماندن دماي پيوند در حدود ۱۶۰ درجه لازم است، كاهش دهد.
براي نمونه اگر LP2952 ( كه با جريان حداقل ۲۵۰ ميلي‌آمپر مشخص شده است) از خروجي به زمين اتصال كوتاه شود، جرياني بزرگتر از ۲۵۰ ميلي آمپر كوچكتر از ۵۳۰ ميلي‌آمپر از خروجي خارج مي‌شود( مشخصات محدوديت جريان را در برگه اطلاعات ببينيد).هر چند ، اگر ولتاژ ورودي براي توليد توان كافي براي فعال كردن محدودكننده دما، به اندازه كافي زياد باشد اين جريان به محض اينكه LP2952 دماي تراشه‌اش را در حدود ۱۶۰ درجه تنظيم كند، پايين مي‌رود. نكته مهم: مدارات محدود كننده جريان(با توجه به مقتضيات )، سرعت خيلي بالايي دارند و استفاده از خازنهاي كنارگذر ورودي در رگولاتور براي جلوگيري از اشكال احتمالي قطعه ناشي از تقابل با امپدانس منبع ورودي مفيد است.

محدود كننده جريان مستقل از ولتاژ (اتصال كوتاه)
رگولاتورهاي ولتاژي كه نسبتا، جريان بالا(بزرگتر از يك آمپر) هستند، نوعي محدود كننده جريان بكار مي‌برند كه در آن حداكثر مقدار مجاز جريان بار به تفاضل ولتاژ ورودي و خروجي قطعه بستگي دارد. دليل استفاده از چنين محدود كننده‌اي اين است كه طبق مشخصه حوزه عملكرد ايمن(SOA) ترانزيستورها، مقدار جرياني كه يك ترانزيستور با افزايش ولتاژ مي‌تواند داشته باشد، محدود است.( شكل ۹ را ببينيد)

شكل ۹ـ منحني‌هاي SOA براي ترانزيستور ۳A/60V NPN
اطلاعات نشان داده شده در منحني SOA از يك برگه اطلاعات مربوط به ترانزيستور TIP31A(3A/60V) NPN گرفته شده است. اطلاعات مهم منحني SOA اين است كه زماني كه ولتاژ روي قطعه (VCE) در بالاترين ميزان طراحي شده قرار دارد، مقدار جريان عملكرد ايمن به ۱۵ درصد ماكزيمم خود كاهش مي‌يابد. اگر جريان كامل طراحي شده ، ۳ آمپر باشد، VCE نبايد از ۱۴ ولت تجاوز كند. مهم است بدانيم كه ولتاژ ورودي – خروجي روي رگولاتور خطي همان VCE ترانزيستور عبوري مي‌باشد. به اين معني كه جريان بار بايد مطابق با منحني SOA ترانزيستور عبوري رگولاتور، محدود شود. اگر بخواهيم در شرايط اضافه بار نيز كار كنيم، منحني محدوديت جريان رگولاتور خطي بايد منطقه زير منحني SOA ترانزيستور عبوري را در بر بگيرد. منحني محدوديت جريان LM317 براي روشن شدن اين موضوع، بعدا شرح داده خواهد شد. مي‌توان ديد كه شكل اين منحني شبيه منحني SOA شكل ۹ است كه در مقياس خطي رسم شده است.

محدود كردن جريان درمقابل محدود كردن اتصال كوتاه
محدود كننده جريان و محدود كننده اتصال كوتاه مشخصه‌هاي متفاوتي دارند كه ممكن است باعث سردرگمي شوند. فرض كنيد كه طراح بخواهد محدود كننده جريان را تست كند. او مي‌تواند يك مقاومت توان قابل تنظيم را به خروجي رگولاتور وصل كند(شكل ۱۰ را ببينيد). به محض اينكه مقاومت با مقادير كمتري تنظيم شود (و جريان بار افزايش يابد)، سرانجام به جايي خواهيم رسيد كه محدوديت جريان رخ مي‌دهد. محدود كننده جريان ثابت: اگر در ابتدا محدوديت جريان رخ دهد، به محض اينكه رگولاتور از حالت ولتاژ ثابت به حالت كاري جريان ثابت برود، ولتاژ خروجي از مقدار اسمي‌اش تنزل مي‌يابد. به محض اينكه مقاومت بار كاهش يابد ومحدوديت جريان رخ دهد،مقدار

ولتاژ خروجي كم مي‌شود كه با كاهش مقاومت بار متناسب است(به دليل اينكه جريان بار ثابت نگه داشته شده است). افت ولتاژ خروجي را مي‌توان كم كم ايجاد نمود و ولتاژ خروجي را مي‌توان با تنظيم مقاومت بار، بالا وپايين برد.اگر مقاومت بار در بالاي نقطه اي كه محدود كننده جريان فعال مي‌شود،زياد شود، رگولاتور به صورت خود كار به حالت ولتاژ ثابت باز مي‌گردد(ولتاژ خروجي رگوله شده خواهد بود).