رگولاتورها

مقدمه :
با پيشرفت الکترونيک و ايجاد حوزه هاي تخصصي ، نياز به قطعات الکترونيکي و سريع بيشتر و بيشتر شد و رگولاتورها هم ، چون به عنوان منابع تأمين انرژي و توان دستگاهها و وسايل ديگر استفاده مي شدند از اهميت خاصي برخوردار شدند .
در حدود ۳۵ سال قبل با پيشرفتي که در زمينه منابع تغذيه صورت گرفت ، رگولاتورهاي سوئيچينگ پا به عرصه وجود گذاشتند و به تدريج جهت روبرو شدن با نيازهاي مختلف تکامل يافتند که امروزه اينگونه منابع پيشرفت بسزايي را در صنعت الکترونيک داشته اند .

در پروژه حاضر سعي شده که انواع رگولاتورهاي سوئيچينگ و مختصري درباره ي روش کاري آنها و بررسي و تفصيل رگولاتور نوع Buck (Step-down) بپردازيم .
در فصل اول از پروژه حاضر ، ابتدا توضيح مختصري درباره رگولاتورهاي خطي ، مزايا و معايب آنها آورده شده است و سپس مزايا و معايب رگولاتورهاي سوئيچينگ را بررسي کرده ايم و در پايان فصل نيز دو نوع کلي رگولاتور سوئيچينگ را توضيح داده ايم .
در فصل دوم عوامل مؤثر در انتخاب آرايش مناسب و همچنين انواع رگولاتورها از لحاظ ، با و بدون ترانسفورماتور بيان شده و در پايان نيز رگولاتور نوع Buck را به طور مفصل تحليل کرده ايم .

در فصل سوم ، به تفصيل و تحليل و روش هاي محاسبه ي اجزاء تشکيل دهنده رگولاتور پرداخته ايم و در فصل چهارم نيز نکاتي از قبيل رگولاسيون بار و خط و همچنين حفاظت بار در برابر تغذيه و خودش را مورد بررسي قرار داده ايم و در پايان ، در فصل پنجم طرح کلي خود را بر اساس تراشه LM3524D و نتايج و پيشنهادات خود را در مورد نحوه ي طراحي اين رگولاتور بيان نموده ايم .

مزايا و معايب چگونگي عملكرد رگولاتورهاي سوئيچينگ
فصل اول
رگولاتورها قطعات بسيار مهمي هستند که مي توان از آنها براي تأمين انرژي و توان دستگاهها و وسايل ديگر استفاده کرد .

رگولاتورها به دو نوع عمده تقسيم مي شوند که عبارتند از : ۱- خطي ۲- سوئيچينگ
در گذشته از رگولاتورهاي خطي به وفور استفاده مي شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآيي و بازده خوبي نداشتند به تدريج منسوخ شده و جاي خود را به رگولاتورهاي سوئيچينگ دادند.
اين منابع از اوايل دهه ي ۱۹۷۰ همزمان با عرضه ي ترانزيستور هاي قدرت مطرح شدند و به تدريج جهت روبرو شدن با نيازهاي مختلف تکامل پيدا کردند . امروز اين گونه منابع در ابعاد مختلفي همانند : ولتاژ ورودي يا توان خروجي بالا و قيمت پايين و … توسعه يافته اند انتخاب بين يک منبع تغذيه سوئيچينگ يا خطي مي توان براساس کاربرد آنها انجام شود . که داراي مزايا و معايب خاص خود مي باشند و براين اساس يکي از اين دو را انتخاب مي کنيم . و همچنين حوزه هاي متعددي وجود دارد که تنها يکي از اين دو مي تواند مورد استفاده قرار گيرند و يا کاربرهايي که يکي از آنها بر ديگري برتري دارد . در زير مزايا و معايب منابع تغذيه خطي و سوئيچينگ را بررسي مي کنيم .

۱-۱) مزايا و معايب رگولاتورهاي خطي :

۱-۱-۱) مزاياي رگولاتورهاي خطي عبارتند از :
‌أ سادگي مدار ( طراحي مدار بسيار ساده و با قطعات کمي ، به راحتي پايدار مي شود ) .
‌ب قابليت تحمل بار زياد ، نويز ناچيز در خروجي و زمان پاسخ دهي بسيار کوتاه .
‌ج براي توانهاي کمتر از ۱۰ وات ، ارزانتر از مدارهاي مشابه سوئيچينگ تمام مي شود .

۲-۱-۱) معايب رگولاتورهاي خطي عبارتند از :
‌أ تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار مي رود ( ورودي بايد حداقل ۲ تا ۳ ولت بيشتر از خروجي باشد ) .
‌ب قابليت انعطاف کم و افزون هر خروجي به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافي است .
‌ج بهره ي کم در حدود ۳۰% تا ۴۰% مي باشد . اين تلفات توان در ترانزيستور خروجي توليد حرارت مي نمايد و نياز به ترانزيستور قوي تري است تا حدود ۱۵ وات ، روش هاي معمول مفيد است ، ولي بيش از آن نياز به سرمايش تحت فشار مي باشد .

‌د راندمان مدار هنگامي خوب است که مقدار ولتاژ خروجي ، به ولتاژ ورودي نزديک باشد .
در شکل (۱-۱) نمونه اي از يک رگولاتور ساده خطي نشان داده شده است .

شکل ۱-۱ : نمونه اي از يک رگولاتور خطي ساده .
ولتاژ خروجي در اين رگولاتور به صورت زير محاسبه مي شود :

در شکل (۱-۱) ترانزيستور بايد از نوع قدرت باشد زيرا بايد جريان بالايي را تحمل کند .
نکات عملي در مورد ترانزيستور :
‌أ حداکثر جريان بار بوسيله حداکثر جريان کلکتور ترانزيستور سري تعيين مي شود .
‌ب اختلاف بين ولتاژ ورودي و خروجي به ترانزيستور سري اعمال مي شود ، بنابراين حداکثر براي اين ترانزيستور توسط ولتاژ خروجي و حداکثر ورودي تعيين مي گردد .
‌ج حاصلضرب جريان بار در تقريباً توان تلف شده اين ترانزيستور مي باشد .
البته براي بهتر شدن عملکرد يک رگولاتور خطي ، مي توان حفاظت هاي ويژه و قطعات ويژه اي را اضافه کرد که به تفصيل اين مباحث نمي پردازيم و در همين جا بحث رگولاتورهاي خطي را به پايان مي رسانيم و بحث در مورد رگولاتورهاي سوئيچينگ را آغاز مي کنيم .
۲-۱) مزايا و معايب رگولاتورهاي سوئيچينگ :

۱-۲-۱) مزاياي منابع سوئيچينگ عبارتند از :
‌أ افزايش راندمان در حدود ۶۸% تا ۹۰% و اين کارکرد ترانزيستور در نواحي و اشباع را به انتخاب حرارت گير يا خنک کننده و ترانزيستور کوچکتر منجر کرده است .

‌ب به دليل اينکه قدرت خروجي از يک ولتاژ DC بريده شده که به شکل AC در يک قطعه مغناطيسي ذخيره مي شود تأمين مي گردد ، لذا با اضافه کردن تنها يک سيم پيچ مي توان خروجي ديگري را به دست آورد ، که در مقايسه بسيار ارزانتر و ساده تر تمام مي شود .
‌ج به دليل افزايش فرکانس کاري به حدود ۵۰ تا ۶۰ کيلوهرتز ، اجزاء ذخيره کننده انرژي مي توانند خيلي کوچکتر انتخاب شوند و بدين دليل از نظر سايز و اندازه کوچک هستند.
‌د برخلاف منابع خطي ، در توان هاي خيلي بالا قابل استفاده هستند .
‌ه قابل تغيير بدون افزاينده يا کاهنده و غيره .
همه موارد ذکر شده در بالا ، به کاهش عزينه و توان تلفاتي و افزايش بهره دهي و انعطاف پذيري منجر مي شود.
۲-۲-۱) معايب منابع سوئيچينگ عبارتند از :
‌أ طرح چنين منابعي اصولاً مشکل و پيچيده است .
‌ب نويز قابل ملاحظه اي ايجاد مي کنند و البته مي توان با کمک فيلتر و محافظ آن را کاهش داد ( EMI ، RFI و ريپل بيک پوتيک خروجي ).
‌ج ماهيت کار اين منابع که براساس برش يک ولتاژ DC است باعث مي شود که زمان رسيدن ولتاژ خروجي به مقدار مطلوب در مقايسه با منابع خطي زياد باشد اين زمان اصطلاحاً زمان پاسخ گذرا گويند .
‌د شامل ترکيبات خارجي اضافه از جمله ، خازن ها و سلفها مي باشد .

تمامي موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدي و افزايش قيمت مؤثر هستند ولي البته با طراحي بهتر قابل بهبود مي باشند . تا به حال در مورد مزايا و معايب رگولاتورهاي خطي و سوئيچينگ بحث شد و از مطالب فوق مي توان نتيجه گرفت که اين منابع حوزه هاي کاري مشخصي را دارند که عموماً براي مدارهاي با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهاي تغذيه شونده با باطريهاي قابل حمل ، تغذيه سوئيچينگ برتري دارد ولي براي ولتاژهاي ثابت و کم ، منابع خطي ارزانتر و بهترند .
۳-۱) چگونگي عملکرد يک منبع تغذيه سوئيچينگ :
همانطور که ذکر شد يک رگولاتور خطي براساس تأمين جريان و ولتاژ مطلوب در خروجي بوسيله يک نيمه هادي قدرت که در حالت خطي بکار گرفته شده است کار مي کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجي با ورودي در جريان بار تواني است که در اين عنصر نيمه هادي بايد تلف شود که بعضاً زياد است و مهمترين عامل پائين بودن راندمان مي باشد .

دليل اين امر هم ، همانطور که در ابتداي بحث رگولاتورهاي خطي ذکر شد عملکرد ترانزيستور در حالت خطي است يعني جايي که ولتاژ در سرسوئيچ و جريان عبوري آن هر دو زياد است .
اما يک رگولاتور سوئيچينگ را مي توان بعنوان يک منبع خطي در نظر گرفت ، در حالي که در يک منبع از نوع سوئيچينگ ، تغيير سطح ولتاژ خروجي از طريق تغيير در روشن به خاموش يا اصطلاحاً زمان کارکرد ترانزيستور خروجي انجام مي گيرد . به دليل کارکرد ترانزيستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نيمه هادي در مقايسه با حالت خطي خيلي کم است .
دليل نامگذاري اين منابع به نامهاي خطي و سوئيچينگ هم حالت عملکرد عنصر نيمه هادي است .

۴-۱) انواع منابع تغذيه سوئيچينگ :

منابع تغذيه سوئيچينگ به دو نوع کلي قابل تقسيم بندي هستند :
‌أ فوروارد Forward
‌ب فلاي بک Flybaek
با وجود شباهت هاي فراوان ، تفاوتهاي متمايز کننده اي هم وجود دارد ، نحوه ي عملکرد و چگونگي قرارگيري عنصر مغناطيسي تعيين کننده ي نوع مدار است .
عناصر اصلي هريک از انواع اين منابع عبارتند از :
‌أ يک منبع سوئيچ جهت تهيه موج pwm.
‌ب القاگر ( در مورد منابع پيشرفته ، القاگر جاي خود را به ترانس مي دهد ) .
‌ج سوئيچ قدرت (ترانزيستور قدرت )
‌د خازن ذخيره کننده ي انرژي در خروجي
‌ه شبکه هاي حس کننده و عمل کننده بازخورد .

۱-۴-۱) رگولاتور سوئيچينگ حالت فوروارد :
آرايش کلي منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل (۲-۱) است .

شکل ۲-۱ : رگولاتور حالت فور دارد .

حال به توضيح مختصري در مورد قطعات بکار رفته مي پردازيم .
‌أ سوئيچ قدرت : يک ترانزيستور قدرت يا يک MOSFET يا IGBT مي باشد که فرکانس قطع و وصل آن بايد از فرکانس کاري مدار خيلي بالاتر باشد .

‌ب القاگر : يک عنصر ذخيره کننده انرژي است و عملکرد مدار خيلي شبيه پيستون و چرخ طيار است . البته امکان وجود يک ترانسفورماتور به جاي القاگر به منظور تغيير سطح ولتاژ و ايجاد ايزولاسيون وجود دارد ( اوليه ي اين ترانس جاي القاگر و ثانويه آن بار و فيلتر خروجي را تغذيه مي کند ) .
‌ج خازن : يک عنصر ذخيره کننده انرژي است براي اينکه مقدار ولتاژ خروجي در مقدار مشخص خود باقي بماند و ريپل زيادي نداشته باشد .

‌د يکسوکننده : يک ديود فوق سريع است که معمولاً از ديود شاتکي استفاده مي شود که البته بايد زمان قطع و وصل آن بسيار کم باشد .
نحوه ي عملکرد مدار :
همانطور که پيستون انرژي ندارد ( در يک پيستون و چرخ طيار ) و انرژي از سوي چرخ طيار تأمين مي شود و در چرخه بعدي پيستون به مجموعه ي چرخ طيار انرژي مي دهد ، در اينجا هم هنگامي که سوئيچ باز است با چرخش جريان از طريق ديود انرژي از سوي القاگر تأمين مي شود و در چرخه بعدي با بسته شدن سوئيچ ، القاگر مجدداً توسط منبع ورودي انرژي دار مي شود .
هر دوره از مدار فوق به دو بخش قابل تقسيم است که عبارتند از :
‌أ Ton : هنگامي که سوئيچ بسته است ، جريان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختيار فيلتر و بار قرار مي گيرد در اين حالت ديود خاموش است .
‌ب Toff : هنگامي که سوئيچ باز مي شود ، در اين حالت القاگر ، فيلتر و بار از طريق ديود تأمين مي گردد و کار بدون تغيير در سطح ولتاژ خروجي ادامه مي يابد .
براي محاسبه ولتاژ خروجي نسبت به ولتاژ ورودي مي توان نوشت :
D-C سوئيچ ( Duty Cycle) : متوسط ولتاژ خروجي را کنترل مي کند ( عملاً ۵% تا ۹۵% ) پس در اين حالت ولتاژ خروجي برابر خواهد بود با :

که ولتاژ خروجي و ولتاژ ورودي مي باشد .
پس چنين منابعي ولتاژ با پلاريته ي مخالف و بزرگتر از ولتاژ ورودي نمي توانند توليد کنند .

۲-۴-۱) رگولاتور سوئيچينگ حالت فلاي بک :

آرايش کلي منابع نوع فلاي بک مطابق مدار شکل (۳-۱) مي باشد .

شکل ۳-۱ : رگولاتور سوئيچينگ حالت فلاي بک

نحوه عملکرد مدار :
با روشن شدن سوئيچ قدرت ، القاگر از طريق منبع پر انرژي مي گردد ، در اين حالت ديود قطع مي باشد . با خاموش شدن سوئيچ ، جريان بار از طريق ديود ، القاگر و تغذيه ادامه مي بابد .
تحت حداقل کاري ، D.C به ۵۰% مي رسد و Tflbk برابر کل دوره کاري منهاي Ton خواهد بود . پس در اين حالت ولتاژ خروجي برابر است با :

و از رابطه فوق نتيجه مي گيرم که :

پس چنين منابعي ولتاژ بزرگتر از ولتاژ ورودي را مي توانند توليد کنند .
توجه به اين نکته که علي رغم شباهت هاي فراوان حالت فلاي بک و فوروارد ، تفاوت عمده ي اين دو در هنگام خاموشي سوئيچ قدرت است که در اين زمان ، در مدار فوروارد تغذيه ي باز از راه القاگر و ديود ادامه مي يابد ، در حالي که در مدار فلاي بک اين کار از راه تغذيه ، القاگر و ديود انجام مي شود .

مطالب بيان شده فوق مختصري در مورد نحوه ي عملکرد و آشنايي با رگولاتورهاي فوروارد و فلاي بک بود که البته در فصل بعد انواع رگولاتورهاي فوروارد و فلاي بک را توضيح مي دهيم .