رگولاتور

مقدمه :
با پیشرفت الکترونیک و ایجاد حوزه های تخصصی ، نیاز به قطعات الکترونیکی و سریع بیشتر و بیشتر شد و رگولاتورها هم ، چون به عنوان منابع تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده می شدند از اهمیت خاصی برخوردار شدند .
در حدود 35 سال قبل با پیشرفتی که در زمینه منابع تغذیه صورت گرفت ، رگولاتورهای سوئیچینگ پا به عرصه وجود گذاشتند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل یافتند که امروزه اینگونه منابع پیشرفت بسزایی را در صنعت الکترونیک داشته اند .
در پروژه حاضر سعی شده که انواع رگولاتورهای سوئیچینگ و مختصری درباره ی روش کاری آنها و بررسی و تفصیل رگولاتور نوع Buck (Step-down) بپردازیم .
در فصل اول از پروژه حاضر ، ابتدا توضیح مختصری درباره رگولاتورهای خطی ، مزایا و معایب آنها آورده شده است و سپس مزایا و معایب رگولاتورهای سوئیچینگ را بررسی کرده ایم و در پایان فصل نیز دو نوع کلی رگولاتور سوئیچینگ را توضیح داده ایم . 

مزایا و معایب چگونگی عملکرد رگولاتورهای سوئیچینگ
فصل اول
رگولاتورها قطعات بسیار مهمی هستند که می توان از آنها برای تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد .
رگولاتورها به دو نوع عمده تقسیم می شوند که عبارتند از : 1- خطی              2- سوئیچینگ
در گذشته از رگولاتورهای خطی به وفور استفاده می شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشتند به تدریج منسوخ شده و جای خود را به رگولاتورهای سوئیچینگ دادند.
این منابع از اوایل دهه ی 1970 همزمان با عرضه ی ترانزیستور های قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کردند . امروز این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند : ولتاژ ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین و ... توسعه یافته اند انتخاب بین یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا خطی می توان براساس کاربرد آنها انجام شود . که دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند و براین اساس یکی از این دو را انتخاب می کنیم . و همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو می تواند مورد استفاده قرار گیرند و یا کاربرهایی که یکی از آنها بر دیگری برتری دارد . در زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ را بررسی می کنیم .

1-1) مزایا و معایب رگولاتورهای خطی :

1-1-1) مزایای رگولاتورهای خطی عبارتند از :
‌أ سادگی مدار ( طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی ، به راحتی پایدار می شود ) .
‌ب قابلیت تحمل بار زیاد ، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه .
‌ج برای توانهای کمتر از 10 وات ، ارزانتر از مدارهای مشابه سوئیچینگ تمام می شود .

2-1-1) معایب رگولاتورهای خطی عبارتند از :
‌أ تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود ( ورودی باید حداقل 2 تا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد ) .
‌ب قابلیت انعطاف کم و افزون هر خروجی به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافی است .
‌ج بهره ی کم در حدود 30% تا 40% می باشد . این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می نماید و نیاز به ترانزیستور قوی تری است تا حدود 15 وات ، روش های معمول مفید است ، ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار  می باشد .
‌د راندمان مدار هنگامی خوب است که مقدار ولتاژ خروجی ، به ولتاژ ورودی نزدیک باشد .
در شکل (1-1) نمونه ای از یک رگولاتور ساده خطی نشان داده شده است .
 
شکل 1-1 : نمونه ای از یک رگولاتور خطی ساده .
ولتاژ خروجی در این رگولاتور به صورت زیر محاسبه می شود :
 
در شکل (1-1) ترانزیستور   باید از نوع قدرت باشد زیرا باید جریان بالایی را تحمل کند .
نکات عملی در مورد ترانزیستور  :
‌أ حداکثر جریان بار بوسیله حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سری   تعیین می شود .
‌ب اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی به ترانزیستور سری  اعمال می شود ، بنابراین حداکثر    برای این ترانزیستور  توسط ولتاژ خروجی و حداکثر ورودی تعیین می گردد .
‌ج حاصلضرب جریان بار در   تقریباً توان تلف شده این  ترانزیستور   می باشد .
البته برای بهتر شدن عملکرد یک رگولاتور خطی ، می توان حفاظت های ویژه و قطعات ویژه ای را اضافه کرد که به تفصیل این مباحث نمی پردازیم و در همین جا بحث رگولاتورهای خطی را به پایان می رسانیم و بحث در مورد رگولاتورهای سوئیچینگ را آغاز می کنیم .
2-1) مزایا و معایب رگولاتورهای سوئیچینگ :

1-2-1) مزایای منابع سوئیچینگ عبارتند از :
‌أ افزایش راندمان در حدود 68% تا 90% و این کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع را به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده  و ترانزیستور کوچکتر منجر کرده است .
‌ب به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می شود تأمین می گردد ، لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را به دست آورد ، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود .
‌ج به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا 60 کیلوهرتز ، اجزاء ذخیره کننده انرژی می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.
‌د برخلاف منابع خطی ، در توان های خیلی بالا قابل استفاده هستند .
‌ه قابل تغییر بدون افزاینده  یا کاهنده  و غیره .
همه موارد ذکر شده در بالا ، به کاهش عزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.
2-2-1) معایب منابع سوئیچینگ عبارتند از :
‌أ طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است .
‌ب نویز قابل ملاحظه ای ایجاد می کنند و البته می توان با کمک فیلتر و محافظ آن را کاهش داد ( EMI ، RFI و ریپل بیک پوتیک خروجی ).
‌ج ماهیت کار این منابع که براساس برش یک ولتاژ DC است باعث می شود که زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد باشد این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ گذرا  گویند .
‌د شامل ترکیبات خارجی اضافه از جمله ، خازن ها و سلفها می باشد .
تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدی و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی بهتر قابل بهبود می باشند . تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که این منابع حوزه های کاری مشخصی را دارند که عموماً برای مدارهای با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطریهای قابل حمل ، تغذیه سوئیچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم ، منابع خطی ارزانتر و بهترند .
3-1) چگونگی عملکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ :
همانطور که ذکر شد یک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک نیمه هادی  قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان می باشد .
دلیل این امر هم ، همانطور که در ابتدای بحث رگولاتورهای خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوئیچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است .
اما یک رگولاتور سوئیچینگ را می توان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت ، در حالی که در یک منبع از نوع سوئیچینگ ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد  ترانزیستور خروجی انجام می گیرد . به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است .
دلیل نامگذاری این منابع به نامهای خطی و سوئیچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است .

4-1) انواع منابع تغذیه سوئیچینگ :
منابع تغذیه سوئیچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند :
‌أ فوروارد    Forward
‌ب فلای بک     Flybaek
با وجود شباهت های فراوان ، تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد ، نحوه ی عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده ی نوع مدار است .
عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از :
‌أ یک منبع سوئیچ جهت تهیه موج pwm.
‌ب القاگر ( در مورد منابع پیشرفته ، القاگر جای خود را به ترانس می دهد ) .
‌ج سوئیچ قدرت (ترانزیستور قدرت  )
‌د خازن ذخیره کننده ی انرژی در خروجی
‌ه شبکه های حس کننده و عمل کننده بازخورد .

1-4-1) رگولاتور سوئیچینگ حالت فوروارد :
آرایش  کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل (2-1) است .
 
شکل 2-1 : رگولاتور حالت فور دارد .

حال به توضیح مختصری در مورد قطعات بکار رفته می پردازیم .
‌أ سوئیچ قدرت : یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET یا IGBT می باشد که فرکانس قطع و وصل آن باید از فرکانس کاری مدار خیلی بالاتر باشد .
‌ب القاگر : یک عنصر ذخیره کننده انرژی است و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار است . البته امکان وجود یک ترانسفورماتور به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد ( اولیه ی این ترانس جای القاگر و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه می کند ) .
‌ج خازن :  یک عنصر ذخیره کننده انرژی است برای اینکه مقدار ولتاژ خروجی در مقدار مشخص خود باقی بماند و ریپل زیادی نداشته باشد .
‌د یکسوکننده  : یک دیود فوق سریع است که معمولاً از دیود شاتکی استفاده می شود که البته باید زمان قطع و وصل آن بسیار کم باشد .
نحوه ی عملکرد مدار :
همانطور که پیستون انرژی ندارد ( در یک پیستون و چرخ طیار ) و انرژی از سوی چرخ طیار تأمین می شود و در چرخه بعدی پیستون به مجموعه ی چرخ طیار انرژی می دهد ، در اینجا هم هنگامی که سوئیچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین می شود و در چرخه بعدی با بسته شدن سوئیچ ، القاگر مجدداً توسط منبع ورودی انرژی دار می شود .
هر دوره از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است که عبارتند از :
‌أ Ton : هنگامی که سوئیچ بسته است ، جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و بار قرار می گیرد در این حالت دیود خاموش است .
‌ب Toff : هنگامی که سوئیچ باز می شود ، در این حالت القاگر ، فیلتر و بار از طریق دیود تأمین می گردد و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه می یابد .
برای محاسبه ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می توان نوشت :
D-C سوئیچ ( Duty Cycle) : متوسط ولتاژ خروجی را کنترل می کند ( عملاً 5% تا 95% ) پس در این حالت ولتاژ خروجی برابر خواهد بود با :
 
که   ولتاژ خروجی و   ولتاژ ورودی می باشد .
پس چنین منابعی ولتاژ با پلاریته ی مخالف و بزرگتر از ولتاژ ورودی نمی توانند تولید کنند .

2-4-1) رگولاتور سوئیچینگ حالت فلای بک :
آرایش کلی منابع نوع فلای بک مطابق مدار شکل (3-1) می باشد .
 
شکل 3-1 : رگولاتور سوئیچینگ حالت فلای بک

نحوه عملکرد مدار :
با روشن شدن سوئیچ قدرت ، القاگر از طریق منبع پر انرژی می گردد ، در این حالت دیود قطع می باشد . با خاموش شدن سوئیچ ، جریان بار از طریق دیود ، القاگر و تغذیه ادامه می بابد .
تحت حداقل کاری ، D.C به 50% می رسد و Tflbk برابر کل دوره کاری منهای Ton خواهد بود . پس در این حالت ولتاژ خروجی برابر است با :
 
و از رابطه فوق نتیجه می گیرم که :
 
پس چنین منابعی ولتاژ بزرگتر از ولتاژ ورودی را می توانند تولید کنند .
توجه به این نکته که علی رغم شباهت های فراوان حالت فلای بک و فوروارد ، تفاوت عمده ی این دو در هنگام خاموشی سوئیچ قدرت است که در این زمان ، در مدار فوروارد تغذیه ی باز از راه القاگر و دیود ادامه می یابد ، در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه ، القاگر و دیود انجام می شود .
مطالب بیان شده فوق مختصری در مورد نحوه ی عملکرد و آشنایی با رگولاتورهای فوروارد و فلای بک بود که البته در فصل بعد انواع رگولاتورهای فوروارد و فلای بک را توضیح می دهیم .