رگولاتور چیست و چه کاربردی دارد؟

همه دستگاه‌های الکترونیکی برای کارکردن با توان از پیش تعیین‌شده، یعنی ولتاژ و جریان، طراحی شده‌اند. در حالی که مصرف جریان دینامیک است و به بار دستگاه بستگی دارد، منبع ولتاژ ثابت و ایده آل برای عملکرد صحیح دستگاه ثابت است. یک تنظیم کننده ولتاژ وظیفه حفظ این ولتاژ ایده آل مورد نیاز دستگاه را بر عهده دارد. لپ تاپ، شارژر دیواری و قهوه ساز شما همگی دارای تنظیم کننده ولتاژ هستند.

در این وبلاگ مفهوم رگولاتور ولتاژ و انواع مختلف آن را با دقت بیشتری بررسی می کنیم و آی سی های متداول رگولاتور ولتاژ و کاربردهای رایج آن ها را توضیح خواهیم داد

رگولاتور ولتاژ چیست؟

رگولاتور به عنوان یک عنصر الکترونیکی، یک نوع دستگاه کنترلی است که وظیفه تنظیم ولتاژ یا جریان در یک مدار الکتریکی را بر عهده دارد. این عناصر برای اطمینان از استقرار ولتاژ یا جریان در محدوده‌های مشخص و دقیق به کار می‌روند. رگولاتورها به عنوان یک واسطه میان منبع تغذیه (مثل باتری یا منبع تغذیه خارجی) و مراحل مختلف یک سیستم الکتریکی یا الکترونیکی عمل می‌کنند.

واحد منبع تغذیه یک دستگاه الکترونیکی برق ورودی را به نوع مورد نظر (AC-DC یا DC-AC) و ویژگی های ولتاژ/جریان مورد نظر تبدیل می کند. تنظیم کننده ولتاژ جزء واحد منبع تغذیه است که تامین ولتاژ ثابت را در تمام شرایط عملیاتی تضمین می کند. ولتاژ را در هنگام نوسانات برق و تغییرات بارها تنظیم می کند. می تواند ولتاژ AC و DC را تنظیم کند.
یک تنظیم کننده ولتاژ معمولاً ولتاژ ورودی بالاتری را دریافت می کند و ولتاژ خروجی کمتر و پایدارتری را منتشر می کند. استفاده ثانویه آنها همچنین برای محافظت از مدار در برابر افزایش ولتاژ است که به طور بالقوه می تواند به آنها آسیب برساند / سرخ کند.

انواع رگولاتورها

رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator) 

• خطی (Linear): این نوع رگولاتورها با استفاده از ترانزیستورها و دیودها به منظور تنظیم ولتاژ عمل می‌کنند.در رگولاتورهای خطی از یک ترانزیستور به صورت سری یا شنت برای تثبیت ولتاژ خروجی استفاده می‌شود، این ترانزیستور توسط یک مدار تقویت کننده دیفرانسیلی با بهره بالا کنترل می‌گردد. مدار کنترلی، ولتاژ خروجی را با یک ولتاژ مرجع دقیق مقایسه می‌کند و سیستم عبور جریان را برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت تنظیم می کند. آن ها به طور استاندارد دارای ۳ پایه هستند (ورودی ، خروجی و زمین). نحوه اتصال این قطعات به مدار به شکل زیر است:
پایه ورودی به پایه مثبت منبع ولتاژ وصل می شود.
پایه زمین که پایه وسط است بایستی به پایه منفی منبع تغذیه متصل گردد.
پایه خروجی همان ولتاژ تنظیم شده و ثابت است که به تغذیه های مورد نیاز در مدار متصل می شود.

• سوئیچینگ (Switching): همانطور که در بالا به آن اشاره کردیم، یکی از معایب رگولاتورها ی خطی، تلفات بالای آن ها می باشد. اما رگولاتور های سوئیچینگ دارای بازده بالا و تلفات بسیار کمتری نسبت به رگولاتور های خطی می باشند. ورودی این رگولاتور ها نه تنها می تواند برابر خروجی آن ها بوده، بلکه می تواند کمتر هم باشد. همچنین دامنه ولتاژ ورودی قطعه نیز می تواند مقدار بسیار بیشتری از رگولاتور های خطی باشد. این رگولاتور ها دارای بازدهی حداقل برابر با ۸۵% هستند که در مقایسه با بازده زیر ۵۰% رگولاتور های خطی، مقداری بسیار مناسب می باشند. این رگولاتورها با استفاده از تکنولوژی سوئیچینگ برای تنظیم ولتاژ و جریان به کار می‌روند. رگولاتورهای سوئیچینگ، یک دستگاه سری را با فرکانس بالا روشن/خاموش می‌کنند و چرخه وظیفه ولتاژ انتقال یافته به عنوان خروجی را تغییر می‌دهند. توپولوژی های رایج آنها buck، boost و buck-boost است. مبدل های باک در هنگام کاهش ولتاژ کارآمدتر هستند و همچنان می توانند جریان خروجی را افزایش دهند. مبدل های تقویت کننده می توانند ولتاژ خروجی را به بیش از ولتاژ ورودی افزایش دهند.

رگولاتور جریان (Current Regulator) 

رگولاتورهای جریان مسئول تنظیم جریان در یک مدار هستند. آنها معمولاً در مواردی که نیاز به جریان ثابت داریم، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

رگولاتورهای متغیر (Adjustable Regulator) 

این نوع رگولاتورها به کاربر این امکان را می‌دهند تا ولتاژ یا جریان خروجی را به طور دلخواه تنظیم کند.

از جمله کاربردهای متداول آنها می‌توان به منابع تغذیه، باتری‌ها، مدارهای تلفن همراه، مدارهای رادیو و دستگاه‌های الکترونیکی دیگر اشاره کرد.

 رگولاتور های الکترومکانیکی 
همان طور که از اسم این رگولاتور ها مشخص است، آنها ترکیبی از مشخصه های الکتریکی و مکانیکی هستند. از این نوع رگولاتور ها در مدارات اولیه جنراتورهای خودرو و برق AC استفاده می شده است. در این مدل رگولاتور ها، عمل رگولاسیون و یا تنظیم ولتاژ توسط یک، دو و یا سه رله و مقداری مقاومت انجام می شود ک در نهایت برقی با ولتاژ ۶ و یا ۱۲ ولت را تولید می کند. این مقدار با تغییر میزان مصرف بار و یا مقدار دور موتور، تغییری نمی کند و همواره ثابت می ماند.

ویژگی های رگولاتور

رگولاتورها ویژگی‌های مختلفی دارند که برای تنظیم و کنترل ولتاژ یا جریان در یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی ضروری هستند. در زیر ویژگی‌های اصلی رگولاتورها را می‌توانید مشاهده کنید

ثبات ولتاژ (Voltage Stability) 

رگولاتورها باید ولتاژ خروجی را در مقادیر تعیین شده نگه دارند و تغییرات ولتاژ ورودی را تا حد ممکن جلوگیری کنند.

ثبات جریان (Current Stability) 

در صورتی که رگولاتور برای تنظیم جریان مورد استفاده قرار گیرد، باید جریان خروجی را با دقت تنظیم کند و از تغییرات ناخواسته جلوگیری کند.

کارکرد خطی یا سوئیچینگ 

رگولاتورها ممکن است به صورت خطی یا سوئیچینگ عمل کنند. رگولاتورهای خطی برای تنظیم ولتاژ با استفاده از ترانزیستورها و دیودها کار می‌کنند، در حالی که رگولاتورهای سوئیچینگ از تکنولوژی سوئیچینگ استفاده می‌کنند.

دمای عملکرد 

رگولاتورها باید در شرایط دمایی مختلف به طور اعتبارسنجی کار کنند و از دمای اضافی خود جلوگیری کنند.

تنظیم‌ پذیری (Adjustability) 

برخی از رگولاتورها قابلیت تنظیم ولتاژ یا جریان را به کاربر می‌دهند، در حالی که برخی دیگر ثابت هستند.

کارایی (Efficiency) 

رگولاتورها باید با کمترین اتلاف توان عمل کرده و بهره‌وری بالایی داشته باشند.

محدوده تغذیه (Input Range) 

محدوده ولتاژ ورودی که رگولاتور می‌تواند به درستی عمل کند، مهم است.

حمایت از اتلاف‌های حرارتی (Thermal Protection) 

رگولاتورها باید دارای حمایت در برابر افزایش دما و اتلاف‌های حرارتی زیاد باشند.

کوچک‌ترین انحناها (Low Ripple) 

ولتاژ یا جریان خروجی را باید با حداقل انحنا (Ripple) ارائه دهند.

سرعت پاسخگویی (Transient Response) 

رگولاتورها باید به سرعت به تغییرات ولتاژ یا جریان ورودی یا خروجی پاسخ دهند.

هر یک از این ویژگی‌ها بستگی به نوع و کاربرد رگولاتور ممکن است تغییر کند. انتخاب رگولاتور مناسب بر اساس نیازهای مدار و سیستم مورد نظر بسیار حائز اهمیت است.

کاربرد رگولاتور

رگولاتورها در مدارات الکتریکی و الکترونیکی برای تنظیم ولتاژ یا جریان و نگهداری پایداری سیگنال‌های برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. این عناصر در انواع دستگاه‌ها و سیستم‌ها به کار می‌روند. برخی از کاربردهای رایج رگولاتورها عبارتند از

منابع تغذیه الکترونیکی 

در منابع تغذیه (پاور سوپلاي) مانند باتری‌ها، آداپتورها و سیستم‌های تغذیه سوئیچینگ، رگولاتورها برای تنظیم ولتاژ خروجی به مقادیر دقیق و مشخص به کار می‌روند.

مدارهای مخابراتی و رادیو 

در دستگاه‌های مخابراتی و تجهیزات رادیو، رگولاتورها برای تنظیم ولتاژ و جریان برق ورودی به سیگنال‌های الکتریکی و RF (فرکانس رادیوی) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدارهای الکترونیکی مختلف 

در مدارهای الکترونیکی که از اجزای مختلفی با ولتاژ‌ها و جریان‌های متنوع استفاده می‌کنند، رگولاتورها برای اطمینان از تنظیم درست و پایداری ولتاژ و جریان ورودی و خروجی استفاده می‌شوند.

تجهیزات پزشکی 

در دستگاه‌ها و تجهیزات پزشکی که به ولتاژ و جریان دقیق برای عملکرد صحیح نیاز دارند، رگولاتورها به عنوان عناصر اساسی استفاده می‌شوند.

دستگاه‌های خودرو 

در سیستم‌های الکتریکی خودروها، رگولاتورها برای تنظیم ولتاژ در شارژرهای باتری و سیستم‌های روشنایی و سیگنال‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدارهای سنسور و ابزارهای اندازه‌گیری 

در مدارهای حسگرها و تجهیزات اندازه‌گیری، رگولاتورها به منظور ایجاد ولتاژ‌ها و جریان‌های پایدار برای سنسورها و دستگاه‌های اندازه‌گیری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دستگاه‌های حفاظتی 

در دستگاه‌های حفاظتی مانند مدارهای UPS (نوپا)، رگولاتورها برای اطمینان از انطباق ولتاژ با مقادیر مشخص و تضمین انرژی پایدار به مصارف حیاتی استفاده می‌شوند.

استفاده از رگولاتورها در این کاربردها به حفظ پایداری ولتاژ و جریان، کاهش اتلاف انرژی و افزایش عمر مفید تجهیزات کمک می‌کند.