تعریف رگولاتور ولتاژ سری

رگولاتور ولتاژ سری:
رگولاتور سری (Series Regulator) نوعی از رگولاتورهای ولتاژ محسوب می شود که المان کنترلی به صورت سری با بار خروجی قرار می گیرد.

رگولاتور_ولتاژ4

یک شماتیک از رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال به همراه بلوک دیاگرام آن را می توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

شماتیک یک رگولاتور ولتاژ سری با سه ترمینال

بلوک دیاگرام یک رگولاتور ولتاژ سری

در بلوک دیاگرام تصویر بالا، المان های اساسی یک رگولاتور سری نشان داده شده است. المان آشکارساز خطا (Error Detector) معمولا یک تقویت کننده عملیاتی یا اپ امپ است که به عنوان یک مقایسه کننده عمل می کند. همچنین در این رگولاتور، از ترانزیستورهای قدرت به عنوان المان کنترلی استفاده می شود.

مدار آشکارساز خطا یک نمونه از خروجی را با مقدار ولتاژ مرجع مقایسه می کند و المان ضروری برای جبران سازی را فراهم می آورد.

به عبارت دیگر، با استفاده از مقدار خطای به دست آمده و جبران آن، می توان ولتاژ خروجی را در یک سطح ثابت حفظ کرد.

فرایند رگولاسیون:
یک مدار رگولاتور سری اپ امپی در تصویر زیر نشان داده شده است.

رگولاتور سری اپ امپی

در این قسمت می خواهیم عملکرد این مدار را توضیح دهیم. مدار مقسم ولتاژ مقاومتی که از مقاومت های R2 و R3 تشکیل شده است، هر تغییری در ولتاژ خروجی را اندازه گیری می کند.

زمانی که VIN کاهش یابد و یا به علت کاهش RL، جریان بار IL افزایش یابد، آن گاه مقدار ولتاژ اعمالی به ورودی های معکوس کننده اپ امپ از طریق مدار مقسم ولتاژ نیز به صورت متناسب کاهش می یابد و در نتیجه ولتاژ خروجی در حال کاهش خواهد بود.

چون دیود زنرD1 سایر ورودی های اپ امپ را تقریبا در ولتاژ مرجع (VREF) ثابت نگه می دارد، در نتیجه یک ولتاژ تفاضلی کوچک که به ولتاژ خطا معروف است، در ورودی های اپ امپ به وجود می آید. این ولتاژ خطا تقویت می شود و در نتیجه ولتاژ خروجی اپ امپ یعنیVB افزایش می یابد.

این افزایش خروجی به بیسQ1 اعمال می شود و باعث می شود ولتاژ امیتر (VOUT) افزایش یابد. این روند تا زمانی ادامه می یابد که ولتاژ ورودی معکوس کننده مجددا با مقدار ولتاژ مرجع برابر شود.

این عمل باعث می شود ولتاژ خروجی که در آستانه کاهش بود، تنظیم شود و بنابراین مقدار این ولتاژ تقریبا ثابت حفظ می شود.

ترانزیستور قدرتQ1 معمولا با یک صفحه حرارتی (Heat Sink) مورد استفاده قرار می گیرد؛ زیرا این ترانزیستور باید تمام جریان بار را کنترل کند.

هنگامی که مقدار ولتاژ ورودی افزایش یابد نیز دقیقا معکوس این عملیات انجام می گیرد و در نتیجه ولتاژ خروجی توسط رگولاتور سری ولتاژ در سطح ثابتی حفظ می شود.

در شکل زیر شماتیکی از نحوه کار مدار در هر دو حالت افزایش و کاهش ولتاژ ورودی نشان داده شده است.

شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت کاهش ولتاژ ورودی

شماتیکی از نحوه کار مدار در حالت افزایش ولتاژ ورودی

اپ امپ در مدار رگولاتور ولتاژ سری به صورت تقویت کننده معکوس کننده متصل شده است. در این مدار، ولتاژ مرجع VREF ورودی ترمینال غیر معکوس کننده اپ امپ است و مقسم ولتاژ متشکل از مقاومت هایR2 و R3 یک مدار فیدبک منفی را به وجود می آورند. بهره ولتاژ حلقه بسته در این مدار برابر است با:

بنابراین مقدار ولتاژ تثبیت شده برابر با مقدار زیر خواهد بود:

با استفاده از این آنالیز، می توان به این نتیجه رسید که ولتاژ خروجی توسط ولتاژ زنر و مقاومت های R2 و R3 تعیین می شود.

مقدار این ولتاژ تقریبا از ولتاژ ورودی مستقل است و بنابراین مدار به عنوان رگولاتور ولتاژ به خوبی عمل می کند.

مثال 1:
مقدار ولتاژ خروجی مدار رگولاسیون زیر را به دست آورید.

مدار مثال یک