مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

بنام خداوند بخشنده مهربان

يك رگلاتور ولتاژ مودري است كه يك ولتاژ تقريبا” ثابت را به عنوان ورودي دريافت مي كند و به عنوان خروجي ولتاژي پايين تر از ولتاژ اوليه تحويل مي دهد كه اين ولتاژ خروجي در برابر محدوده مسيعي از تغييرات بار خروجي و يا ولتاژ ورودي ثابت مي ماند و ب اصطلاح گوله شده است – البته در بعضي از انواع منابع تغذيه suntching ولتاژ خروجي حتي بالاتر از ولتاژ ورودي نيز هست . يك منبع تغذيه ولتاژ ac را از منبع تحويل مي گيرد و آن را كويي كند و سپس با استفاده از متغير مناسب ورودي IC رگو لاتور فراهم مي شود و در خروجي ولتاژ گوله شده را خواهيم داشت .

Ic هاي رگولاتور ولتاژ در محدوده وسيعي از ولتاژهاي خروجي موجود هستند . اين Icها همچنين مي توان براي هر ولتاژ خروجي دلخواه با انتخاب مقاومتهاي خروجي مناسب بكار برد .

بلاگ دياگرام يك منبع تغذيه معمولي در شكل نشان داده شده است . ولتاژ متناوب موجود (معمولا” 120v) به يك ترانسفورماتور متصل شده است كه سطح ولتاژ را بالا يا پايين مي آورد ( معمولا” در مدارها ولتاژهاي پايين مورد نياز است ) ولتاژ خروجي ترانسفورماتور به يك يكسو ساز نيم موج يا تمام موج ( عموما” تمام موج ) ديودي متصل است . خروجي يكسو ساز به يك فيلتر مناسب متصل است تا تغييرات و متاژاين ناجيه نرمتر شود . اين ولتاژ كه با ripple يا اعد جاج همراه است به عنان ورودي يك IC رگولاتور ولتاژ مورد استفاده قرار مي گيرد خروجي اين IC ها در برابر تغببرات وسيع جريان با اعد جاج معيار كم همراه است.

_* فيلتر ها

وجود مدار در يكسو ساز براي تبديل ولتاژ متناوب ورودي با ميانگين صفر به سيگنال و تعارضي كه ميانگين غير صفر داشته باشد ضروري است . اما خروجي مدار يكسو ساز به هيچ وجه يك سيگنال dc خاص نيست البته براي مداري مانند شارژ كننده باطري ماهيت نوساني سيگنال تا زماني كه سطح dc آن به شارژ معقول باطري بيان جامد اهميت چنداني نخواهد داشت اما براي مداري مانند ضبط يك 1 راديو فركانسهاي غير صفر موجود در ورودي در كار مدار اختلال ايجاد خواند كرد براي همين منظور ولتاژ توليد شده بايد سپار نوح ترو داراي تغييرات كم تو نسبت به خروجي مدار مدار يكسو ساز باشد.

p-( 1⁰)

*دكو لاسيون و ولتاژ ripple

در اين قسمت به طراحي چند معيار براي مقايسه كيفيت كار مدارهاي فيلتر مي پردازيم : شكل 2₌ يك خروجي فيلتر ساده را نشان مي دهد . خروجي اين فيلتر داراي يك سطح dc و مقداري اعدجاج) ( ripple مي باشد اگر چه باطري عموما” داراي خروجي dc مي باشد اما ولتاژ dc حاصل از يك سو سازي و فيلترينگ يك منبع متناوب داراي اعد جاج خواهد بود . هرچه مقدار اين اعدجاج ها به نسبت سطح dc كمتر باشد عملكرد مدار بهتر ارزيابي مي شود .

فرض كنيد بوسيله يك ولتمتر ولتاژ dc و ac سيگنال خروجي را اندازه بگيريم . در اين صورت تعريف مي كنيم :

1-

* رگولاسيون ولتاژ ( voltage regulation)

عامل مهم ديگر ارزيابي كيفيت عملكرد بيك رگولاتور ولتاژ مقدار تغييرات ولتاژ خروجي در محدوده عملياتي مدار مي باشد . ولتاژ خروجي هنگامي كه از خروجي مدار جرياني كشيده مي شود كمتر از حالت بي باري است . مقدار تييرات ولتاژ خروجي در حالت بي باري و يا بار كامل مورد توجه بسيار فرد ااستفاده كننده از منبع تغذيه خواهد بود . اين وجه عملكرد مدار با استفاده از تعريف زير سنجيده مي شود .

2-

اگر مقدار ولتاژ بي باري با ولتاژ بار کامل مساوي باشد V.R برابر صفر خواهد بود که بهترين حا لت ممکن است . اين مقدار نمايانگر اين است که منبع تغذيه مورد نظر يک منبع تغذيه ايده آل است که در آن ولتاژ خروجي مستقل از جريان کشيده شده از منبع است . ولتاژ خروجي بسياري از منابع با افزايش جريان خروجي آنها کاهش مي يابد . هر چه مقدار کاهش اين ولتاژ کوچکتر باشد درصد r.v کمتر است و عملکرد منبع تغذيه بهتر ارزيابي مي شود .

* ضريب اعوجاج سيگنال يکسو شده:

اگرچه ولتاژ يکسو شده، يک سيگنال فيلتر شده نيست اما به هر حال داراي يک جزء dc و يک جزء ac است. بنابراين ما مي‌توانيم اين مقادير dc و ac را محاسبه کرده و ضريب اعوجاج سيگنال يکسو شده نيم موج يا تمام موج را محاسبه کنيم. محاسبات نشان مي‌دهند که سيگنال تمام موج داراي درصد کمتري از اعوجاج است و بنابراين نسبت به سيگنال نيم موج از کيفيت بهتري برخوردار است. البته درصد اعوجاج هميشه مهمترين عامل محسوب نمي‌شود. اگر پيچيدگي و يا هزينه مدار براي ما مهم باشند و درصد اعوجاج در درجه دوم اهميت باشد يک سيگنال نيم موج نيز انتظارات را برآورده مي‌سازد. هم‌چنين اگر مدار يکسوساز جريان کمي را به بار تحويل دهد و نيز يکسوساز موج قابل قبول خواهد بود. از طرفي ديگر وقتي مي‌خواهيم منبع تغذيه حاصل کمترين اعوجاج ممکن را داشته باشد، بهتر است که کار را با يکسوساز تمام موج شروع کنيم، زيرا همانطور نشان خواهيم داد اين سيگنال داراي ضريب اعوجاج کمتري نسبت به سيگنال نيم‌موج است.

براي سيگنال نيم موج سطوح dc برابر است با Vdc=0.318vm. مقدار متوسط جزء ac اين سيگنال نيز به صورت زير قابل محاسبه است:

و داريم:

3-

براي سيگنال تمام موج سطح dc برابر است با Vdc=0.636vm. بنابراين:

(Append.B)

مقدار ضريب اعوجاج سيگنال تمام موج حدود 5/2 برابر کوچکتر از سيگنال نيم‌موج است پس سيگنال تمام موج بهتر فيلتر شده است. توجه داشته باشيد که مقادير ضريب اعوجاج براي اين دو سيگنال هرگز به ولتاژ ماکسيمم بستگي ندارند. يعني اگر ولتاژ ماکسيمم افزايش پيدا کند سطح dc و سطح ac هر دو به يک نسبت افزايش پيدا مي‌کنند و ضريب اعوجاج ثابت مي‌ماند.

* يک فيلتر خازني ساده

يک مدار فيلتر پرکاربرد مدار فيلتر خازني ساده است. خازن موازي خروجي يکسوساز وصل مي‌شود و ولتاژ خروجي از دو سر خازن گرفته مي‌شود. شکل

و 40b يکسو از تمام موج قبل و بعد از اتصال فيلتر خازني از دو سر خازن را نشان مي دهد . همانطور که مي بينيم اين سيگنال ها داراي يک سطح dcو مقداري اعد جاج حول اين سطح dc مي باشد .

شکل 5 يکسو ساز تمام موج و موج خروجي حاصل از آن هنگامي که به بار متصل است را نشان مي دهد . اگر هيچ باري يه فيلتر متصل نمي بود مرجع خروجي به صورت ايده آل برابر ولتاژ ماکسيسم حاصل از مدار يکسو ساز مي بود . اما به طور کلي هدف از ساخاتن منبع تغذيه عبارت است از فراهم کردن يک ولتاژ dc بدون اعد جاج براي استفاده در ساير مدارهاي الکترونيکي که در نتيجه آن جرياني در ترمينال خروجي منبع برقرار مي شود .

بنابر اين چون هميشه باري به خروجي متغير متصل خواهد بود . بايد اين مسئله را در محاسباتتان در نظر بگيريم .

براي سيگنال تمام موج نشان داده شده در شکل 5، دو بازه زماني تعريف شده است. زماني است كه طي آن يك ديود از يكسو ساز در وضعيت هدايت قرار مي گيرد و خازن را تا سطح ماكسيسم ولتاژ يكسو ساز شارژ مي كند . زماني است كه طي آن ولتاژ يكسو ساز از ولتاژ ماكسيسم پائين تر مي آيد و خازن دوباره شارژ مي شود .

اگر خازن فقط كمي دشارژ شود ( دراثويك با ر سبك ) ولتاژ ميانگين به ولتاژ ماكسيسم بسيار نزديك خواهد بود همچنين مقدار اعدجاج نيز براي بار سبك كمك است . اين مسئله به ما نشان مي دهد كه فيلترخازني براي بارهاي سبك ولتاژ dc بالاتر و اعد جاج كمتر براي بارهاي سنگين ولتاژ بالا پائين تر و اعد جاج بيشتري را فراهم مي كند . براي اينكه اين مسئله را بهتر درك كنيم بايد موج خروجي را بيشتر بررسي كنيم . و روتبط بين سيگنال ورودي يكسو نشده ، مقدار خازن ، مقدار مقاومت ، و ضريب اعدجاج مدار را تعيين كنيم .

شكل 6 مرجع خروجي فيلتر را نشان مي دهد كه با خطوط مستقيم شارژ و دشارژ تقريب زده شده است . اين تقريب ، تقريب معمولي است زيرا محاسبات غير خطي بسيار پيچشده هستند و همچنين محاسبات خطي به خوبي با اندازه گيري هاي آزمايشگاهي برابري مي كند . شكل 6 موج خروجي تمام موج فيلتر شده را نشان مي دهد با تحليل اين شكل مربع داريم :

-5

-6

البته اين روابط فقط به خود شكل موج ها بستگي دارند و بايد آنها را بيشتر به اجزاء مدار ارتباط دهيم چون شكل اعد جاج سيگنال هاي نيم موج و تمام موج مشابه يكديگرند اين روابط در هر دوي مدارات صادق هستند .

× ولتاژ اعد جاج

Apend .B

 

كه در آن ب فركانس موج سينوسي ورودي منبع تغذيه است ( كه معمولا soht ) ، Iac ميانگين جريان كشيده شده از فيلتر به وسيله بار و مقدار خازن فيلتر است. يك تقريب ساده كننده در اين عبارت اين است كه فرض كنيم براي بارهاي سبك مقدار Vdc با Vm برابر است و بنابر

در نهايت اگر مقدار عمومي فركانس يعني soht در اين تساوي لحاظ كنيم :

 

كه در آن Idc بر حسب ميل آمپر ، برحسب ميكرو فاراد و Rl برحسب كيلو اهم است .

* ولتاژdc، و Vac

با استفاده از تساوي هاي 5،6 و V-a مي بينيم كه ولتاژ dc فيلتر برابر است با

در اينجا هم با استفاده از اين تقريب كه براي بارهاي سبك ميتوانيم بنويسيم : كه در آن اگر f= soht باشد :

 

كه د رآنVm ولتاژ ماكسيم ورودي گيسو ساز برحسب ولت ، Idc جريان بار بر حسب ميلي آمپر و با خازن فيلتر بر حسب ميكرو فاراد است .

* اعد جاج خازن فيلتر

با استفاده از تعريف اعد جاج تساوي{ } و تساوي مربوط به ولتاژ اعد جاج v-c} { به فرمول براي محاسبه ضريب اعدجاج يكسو ساز تمام موج با فيلتر خازني مي زنيم.

9-a

چون Vdc وIdc با ضريب Rl يعني بار فيلتر با هم متناسب هستند مي توانيم ضريب اعد جاج را اين چنين نيز بيان كنيم :

كه در ان Idc بر حسب ميلي آمپر، c برحسب ميكرو فاراد ، Vdc بر حسب ولت و Rl بر حسب كيلو اهم است اين ضريب اعدجاج همانطور كه مي بينيم با بار تناسب متقيم و با مقدار خازن تناسب معكوس دارد .

* زمان هدايت و جريان ماكسيم ديود

در بخشهاي پيشين مشخص شد كه هر چه مقدار خازن بيشتر باشد مقدار اعد جاج كمتر بوده و مقدار ولتاژ dc افزايش پيدا مي كند كه اين بمنزله عملكرد فيلتري بهتر است . بنابر اين ممكن است استنباط كنيم براي ارتقاء عملكرد فيلتر تنها لازم است كه متداو خازن را افزايش دهيم . اما اينكار جريان ماكسيم ديود يكسو ساز را تحت تاثير قرار مي دهد و همانطور كه نشان خواهيم داد هرچه مقدار خازن بيشتر باشد جريان ماكسيم ديود يكسو سازنيز بيشتر است .

اگر به عملكرد يكسو ساز خازن فيلتر برگرديم مي بينيم كه در عملكرد اين دو عنصر دو زمان مجزا قابل تشخيص است وقتي خازن تا ولتاژ ماكسيم يكسو ساز شارژ مي شود يك زمان عدم هدايت ديد سپري مي شود ( شكل s-b) در اين زمان خازن دوباره دشارژ مي شود ( زمان t2) بعد از سپري شدن t2 در زمان t1 ولتاژ خروجي يكسو ساز از ولتاژ خازن بيشتر مي شود و خازن دوباره تا ولتاژ ماكسيم بالا مي رود . جريان متوسط فراهم شده براي خازن و بارد ر اين زمان برابر جريان متوسط كشيده شده و خازن در زمان دشارژ است .

شكل 7 شكل موج جريان ديود براي يكسو سازي نيم موج را نشان مي دهد دقت كنيد كه ديود در زمان كوتاهي در حالت هدايت است . همانطور كه مي دانيم هر چه خازن بزرگتر باشد ، مقدار افت ولتاژ كمتر بوده و در نتيجه زمان شارژ خازن كمتر است در اين زمان كم شارژ ديود بايد همان مقدار جريانمتوسط را عبور دهد و اين كار را تنها بايد با افزايش جريان ماكسيم انجام داد . شكل 8 ولتاژ خروجي و جريان ديود را براي خازنهاي كئچك و بزرگ نشان مي دهد عامل مهمي كه بايد به آن توجه نمود افزايش جريان ماكسيم ديود با افزايش مقدار خازن است . چون جريان متوسط كشيده شده از منبع بايد با جريان متوسط ديود در زمان شارژ برابر باشد مي توان در شكل 8 نوشت :

 

كه در آن به دست مي آيد :

 

كه در آن داريم :

T₁= زمان هدايت ديود

براي ولتاژ

I_{dc = جريان متوسط كشيده شده از مدار فيلتر}

_Ipeac= جريان ماكسيم – ديود

* فيلتر Rc

مي توان اعد جاج ولتاژ خروجي يك فيلتر خازني را كاهش داد . اين كار با افزودن يك طبقه Rc مانند شكل 9 امكان پذير است اما وتاژ dc خروجي را كاهش مي دهد هدف شبكه اضافه شده اين است كه جزء dc ولتاژ توليد شده روي خازن C₁را به خازن C₂منتقل كند و جزء ac آنرا تضعيف كند اين كار نسبت اعدجاج به سطح dc را كاهش مي دهد كه به منزله عملكرد فيلتري مناسب تر است . البته بايد براي اين بهبود عملكرد بهايي را پرداخت و اين بهاء عبارت است از خروجي ولتاژ dc كمتر به دليل وجود افت ولتاژ dc روي مقاومت و همچنين هزينه دو جزء مداري اضافه شده .

شكل 10 عملكرد فيلتر را براي يكسو ساز تمام موج نشان مي دهد . چون يكسو ساز مستقيما به يك خازن متصل است جريان ماكسيم ديود چندين برابر بيشتر از جريان متوسط كشيده شده از منبع است . ولتاژ توليد شده روي خازن c1 سپس در شبكه مقاومتت خازن (Rc2) بيش از پيش فيلتر مي شود تا ولتاژ خروجي با درصد اعدجاج كمتر روي c2 توليد شود . با كه در اينجا با Rl نمايش داده شده است از راه مقاومت R يك جريان dc را به خاطر ولتاژ dc كه روي آن ايجاد شده است و از ولتاژdc خازن c1 كمترمي باشد ، مي كشد .اين مدار فيلتري نيز مانند فيلتر خازني ساد ه عملكرد بهتري را در بارهاي سبك خواهد داشت در حاليكه در بارهاي سنگين شاهد افزايش قابل توجه درصد اعدجاج و كاهش دكولاسيون ولتاژ (voultage regoution) خواهيم بود .

تحميل ولتاژهاي ac,dc توليد شده در خروجي فيلتر با جداسازي سيگنالهاي ac,dc ولتاژ توليد شده روي خازن c1 و استفاده از خاصيت supoopos امكان پذير است . مي توانيم رفتار مدار Rc جداگانه براي ولتاژ dc توليد شده روي c1 و سپس جزءac واتاژ c1 بررسي ميكنيم . مقادير به دست آمده سپس مي توانند براي محاسبه كلي درصد اعدجاج دكولاسيون ولتاژ به كار آيند .

* عملكرد dc قسمت Rc

شكل 11-a مدار معادل قسمت Rc و بار براي ولتاژ dc روي خازن c1 را نشان مي دهد . در اين قسمت هر دو خازن مدار باز شده اند . محاسبه ولتاژ dc توليد شده روي خازن C1 را در قسمتهاي قبل شرح داديم . اكنون با دانستن مقدار ولتاژ dc توليد شده روي خازن c1 ولتاژ dc توليد شده در خروجي به راحتي قابل محاسبه است همانطور كه در شكل مي بينيم ولتاژ dc ورودي در يك شبكه تقسيم مقاومتي تضعيف مي شود و در نهايت ولتاژ خروجي Vdc برابر است با :

(11)

 

 

*عملكرد Ac قسمت Rc

شكل 11-b مدار معادل قسنت Rc بار را براي ولتاژ ac توليد شده روي خازن C₁ نشان مي دهد . ورودي قسمت فيلتر در اين قسمت همان جزء اعد جاج است كه با يك منبع سينوسي تقريب زده شده است . هم قسمت Rc اضافه شده و هم بار ولتاژ ac خروجي را تحت تاثير قرار مي دهد .

براي خازن c2 با مقدار مثلا در فركانس اعدجاج f=soh_zامپرانس ac برابر است با :

 

همانطور كه در شكل 11-b مي بينيم اين امپلانس به صورت موازي با بار خروجي بسته شده است . براي مثال براي يك بار خروجي 2_kz، تركيب موازي اين دو امپلانس امپلانسي برابر عبارت زير به دست خواهد آمد :

 

اين مقدار همانطور كه انتظار مي رفت نزديك به مقدار امپلانس خود خازن است چرا كه امپلانس خازن بسيار كوچكتر از امپلانس خروجي است و امپلانس تركيب موازي از هر دو امپلانس كوچكتر است . براي داشتن يك قانون سرانگشتي مي توانيم از اثر بار گزاري با روي خازن C₂تا زماني كه بار حداقل 5 برابر از امپلانس خازن بزرگتراست صرف نظر كنيم به خاطر محدوديت با روي منابع تغذيه معمولا امپلانس بار بسيار بزرگتر از امپلانس خازن است كه در محدوده ميكرو فاراد است مي باشد .

در بحث بالا فرض كرديم كه فركانس اعدجاج برابر Sohz خواهد بود . با مراجعه به تساوي و با استفاده از مقادير خازن بر حسب mf مي اتوانيم بنويسيم :

12-aنيم موج

12-b تمام موج

با استفاده از قانون سر انگشتي كه امپلانس تركيب موازي خازن و بار تقريبا برابر امپلانس خود خازن خواهد بود مي توانيم تضعيف ac قسمت Rc را به شرح زير محاسبه كنيم :

 

* مدار هاي چند برابر كننده ولتاژ :

با دادن تغييراتي در مدار فيلتر مي توان به ولتاژهايي بالاتر از ماكسيم ولتاژ يكسو ساز رسيد .استفاده از اين مدارها به ما اين امكان را مي دهد كه از ترانسفور ماتور ها يي با مشخصه هايي كوچكتر استفاده كنيم و ولتاژ را در اين مدارها دو،سه ، چهار برابر و يا بيشتر بالا ببريم .

شكل 13 يك ، دو برابر كننده ولتاژ نيم موج را نشان مي دهد در نيمه ولتاژ ، D1 در اين زمان به صورت ايده آل اتصال كوتاه است درنتيجه مي توانيم ولتاژ خازن c1 را در انتهاي اين دوره+vm با علامت نشان داده شده در شكل 4-a فرض كنيم . در جريان نيم شكل منفي ولتاژ ديود d2 هدايت مي كند و ديود d1 قطع مي شود . با فرض افت ولتاژ صفر روي ديود ها مي توان در حلقه خارجيKvl را نوشت :

 

 

در نيم سيكل مثبت بعدي ، ديود d2 هدايت نمي كند و خازن c2 در بار تخليه مي شود اگر هيچ باري وجود نداشته باشد هر دو خازن شارژ مي مانند خازن c1 در ولتاژ Vm و خازن c2 در 2Vm اگر همانطور كه انتظار داريم باري به خروجي دو برابر كننده متصل باشد ولتاژ خازن c2 در نيم سيكل مثبت افت مي كند و در نيم سيكل منفي خازن مجددا هردو ولتاژ 2Vm شارژ مي شود . شكل موج ولتاژ خازن c2 مانند شكل ولتاژ يك فيلتر خازني متصل به يك يكسو ساز نيم موج است. ماكسيم ولتاژ معكوس روي هر ديود برابر 2vm خواهد بود .

يك دو برابر كننده ديگو ، دو برابر كننده تمام موج است كه در شكل 15 نشان داده شده است در نيم سيكل مثبت ديود d1 هدايت مي كند و خازن c1 تا ولتاژ Vm شارژ مي شود در اين نيم سيكل ديود d2 قطع است .

در نيم سيكل منفي ديود d2 هدايت مي كند و ديود d1 قطع مي شود و خازن c2 شارژ مي شود اگر هيچ باري از خروجي كشيده نشود ولتاژ مجموع روي c1,c2 برابر 2vm مي باشد در جمع بندي اين دو قسمت مي توان گفت كه مدار دو برابر كننده ولتاژ نيم موج يا تمام موج – ولتاژي معادل دو برابر ولتاژ طرف ثانويه ترانسفورماتورها در خروجي تحويل مي دهد و Piv ديود ها درآن برابر 2vm است . براي استفاده از اين مدارها هيچ نيازي به داشتن ترانس سه سر نيست .

* سه برابر كننده و چهار برابر كننده هاي ولتاژ

شكل 17 مداري را نشان مي دهد كه قادر است سه يا چهار برابر ولتاژ ورودي را در خروجي با يكسو سازي نيم موج توليد كند . از طرح اين مدار واضح است كه چگونه مي توان طبقات ديود – خازني را به اين مدار جهت توليد ولتاژهاي 5،6،7،و .....برابر ولتاژ ورودي اضافه كرد .

نحوهكار مدار به اين صورت است كه در نيم سيكل مثبت با قرار گرفتن ديود d1 در حالت هدايت خازن c1 تا ولتاژ vm شغارژ مي شود در نيم سيكل منفي خازن c2 به وسيله ولتاژ خازن c1 و ولتاژ ترانسفورماتور تا 2vm شارژ مي شود .

در نيم سيكل مثبت ديود DB هدايت مي كند و ولتاژ خازن C2 باعث شارژ شدن خازن CB تا 2VM مي شود . در نيم سيكل منفي ديود هاي D2 و D4 هدايت مي كنند و ولتاژ خازنCBC4, را تا 2VM شارژ مي كند .

ولتاژ توليد شده روي خازن C2 برابر 2VM ، روي C1 بعلاوه برابر 7VM و روي c2 بعلاوه c1 برابر 4vm خواهد بود . اگر طبقات ديود – خازني ديگر هم اضافه شوند ، ولتاژ هر خازن برابر 2vm خواهد بود .

بنابر اين نيمه بالايي مدار مضارب خود vm و نيمه پاييني مدار مضارب زوج vm خواهد نمود .

ولتاژ نامي ترانسفور ماتور تنها برابر vm است و هر ديود بايد‍PIV برابر Rvm را تحمل نمايد . اگر بار كوچكتر باشد و شستي خازنها نيز كم باشد ولتاژهاي dc بسيار بالايي بوسيله اين مدار قابل توليد است .

* رگولاتور هاي ولتاژ Discret

تركيبات بسيار وسيعي از مدارات قادر به انجام عمل رگو لاسيون ولتاژ يا جريان مي باشد . رگولاسيون ولتاژ و جريان را مي توان در اشكال 18 و 19 توضيح داد. در شكل 18-a ولتاژ بي باري منبع با نمايش داده شده است جريان خروجي در اين حالت برابر است . حالت بار كامل در شكل 18-b نمايش داده شده است . حالت ايده آل اين است كه براي هر مقدار باري بين حالتهاي بي باري و بار كامل برقرار باشد . به عبارت ديگر ولتاژ ترمينال مستقل از R_l باشد .متاسفانه در حال حاضر هيچ منبعي چه نيمه هادي چه الكترو مكانيكي وجود ندارد كه ولتاژ ترمينالي كاملا مستقل از بار كشيده شده فراهم كند . رگولاسيون ولتاژ با فرمول 2 تعريف مي شود . براي تعريف كردن رگولاسيون جريان مي توانيم بنويسيم :

= رگو لاسيون جريان

* رگولاتور هاي زنر و ترميستو

از نظر اصلي در تركيب پايه براي رگولاسيون ولتاژ يا جريان وجود دارد كه هر كدام در شكل 20 نشان داده شده اند البته رگو لاتور هاي پيچيده از مزاياي هر دو نوع تركيب بندي استفاده مي كنند .

در حال حاظر هدف ما طراحي يك دستگاه رگو لاتور ولتاژ است . ساده ترين اين دستگاه ها كه از نوع تركيب موازي است در شكل 22 نشان داده شده است همانطور كه مي بينيم اين دستگاه تنها از يك ديود زنر و يك مقاومت سري تشكيل شده است . براي عملكرد صحيح ديود زنر بايد در و ضعيت شكست قرار گيرد . بنابر اين اولين نياز اين دستگاه محاسبه مينيم Rl براي اقطاع اين شرط است . قبل از قرار گرفتن در وضعيت شكست ديود زنر يك اتصال باز است .

در اين وضعيت ولتاژ بار با قانون تقسيم ولتاژ محاسبه مي شود . د رابتداي شروع عملكرد زنري داريم :

اگر از اين اطلاعات استفاده كنيم مقدار مينيم Rl بدست مي آيد .

 

‌در يك موارد خاص اگر فرض كنيم در اين صورت مينيمم Rl برابر so اهم بدست مي آيد . براي هر مقدارRl كمتر در اين مقدار ولتاژ ترمينال از ولتاژ شكست ديود زنر كمت مي شود و ديود زنر دروضعيت شكست قرار نمي گيرد .

 

در داريم :

 

 

 

در طراح ياين مدار فرض كرديم كه مقاومت سري ديود زنر برابر صفر باشد اين فرض براي It كمتر از 200mA با تقريب خوبي برقرار است بنابراين براي اين مدار ماكسيمRl ممكن است اثر Pt روي رگولاسيون ولتاژ با بدست آوردن معادل تونن قسمتي از مدار كه در شكل 25 نشان داده شده است امكان پذير است :

 

 

با جايگذاري مدار معادل تونن و :

 

بنابر اين به اين نتيجه مي رسيم كه R_tتاثير ناچيزي روي مينيمم خواهد داشت براي

 

 

يك رگو لاتور موازي كه از مسيتور براي انجام عمل رگولاسيون سود مي برد در شكل 27نشان داده شده است هرگونه كاهش در vt به دليل تغييرات بار منجر به كاهش جريان ترميستور خواهد شد . بنابر اين دماي الان ترميستور كاهش خواهد يافت كه اين امر باعث افزايش مقاومت تريمستور مي شود . در نتيجه مقاومت معادل افزايش مي آبد و ولتاژ ترمينال برابر نيز افزايش خواهد يافت . ابين افزايش ولتاژ كاهش اوليه آني را خنثي مي كند .

 

افزايش ولتاژ بر روي هر يك از كميتهاي بحث بالا تاثير عكس خواهد گذاشت .

مشخصات يك رگولاتور ولتاژ با استفاده از عناصر اكتيو مانن ترانزيستور بطور قابل ملاحظه اي بهبود مي يابد . يك نوع بسيار ساده رگولاتور ولتاژ ترانزيستوري نوع سري در شكل 2809 نشان داده شده است . در اين تركيب بندي ترانزيستور مانند مقاومت متغيري عمل خواهد كرد كه مقاومت آن با نقطه كار تعيين خواهد شد . عملكرد پايه اين مدار به بهترين وجه با استفاده از مدار شكل b-28 قابل توضيح است دراين شكل ترانزيستور با يك مقاومت معادل يعني Pt جايگزين شده است . براي تغييرات بار لگر بخواهيم Vl‌ثابت بماند بايد نسبت R_l به R_tثابت بماند :

 

يا

 

درنتيجه براي افزايش يا كاهش Rl ، Rt بايد در همان جهت و به همان نسبت تغيير كند تا ولتاژ Vl ثابت بماند .

در اين مدار با افزايش جريان ولتاژ ترمينال تمايل به كاهش پيدا مي كند . اما اگر قانون ولتاژ را در حلقه خارجي بنويسيم داريم :

 

چون V_Eثابت است كاهش V_lمنجر به كاهش V_BEبه نوبه خود منجر به افزايش سطح هدايت ترانزيستور مي شود و مقاومت ؟ به يك ميزان كاهش مي دهد . مانطور كه قبلا توضيح داديم كاهش اين مقاومت همان عامل مورد نياز براي انجام عمل رگولا سيون ولتاژ است .

مدار رگولاتور ولتاژي كه ار ترانزيستور در تركيب بندي موازي استفاده مي كند در شكل 29 نشان اده شده است .

در اين مدار هر گونه تغيير در ولتاژ ترمينال عينا به V_BE ترانزيستور منتقل مي شود . زيرا :

 

اگر Vl كاهش پيدا كند ، جريان مقاومت Rs تير كاهش پيدا مي كند جريان مقاومت Rs نيز كاهش پيدا مي كند زيرا با كاهش ولتاژ ترمينال سطح هدايت ترانزيستور پايين مي آيد V_BE كاهش جريان مقاومت Rs باعث كاهش افت ولتاژ روي آن مي شود و اين عمل كاهش ولتاژ ترمينال را خنثي مي كند . در منطق تقزيبي داريم :

 

براي افزايش ولتاژ ترمينال نيز مي توان بحث مشابهي در نظر گرفت .

يك رگو لاتور معمولي كه از ترانزيستور ديگري براي اهداف كنترلي استفاده مي كند در شكل 30 نشان داده شده است .ولتاژ بين ؟ ترانزيستور كنترلي Qs

V_BE2با استفاده از ولتاژ مقاومت نمونه برداري يعني R2 و ولتاژ ديود زنر تعيين مي شود اگر ولتاژ ترمينال به هر دليلي افزايش پيدا كند ولتاژ V2 و در نتيجه ولتاژ V_BE2نيز افزايش پيدا مي كند چرا كه اين تغيير ولتاژ در ترانزيستور كنترلي Q تقويت مي شود و به Q1 انتقال پيدا مي كند . افزايش V_BE2همگام با افزايش I_b2و I_C2منجربه كاهش tQ1 مي شود با اين فرض كه I_Rbتقريبا ثابت است يا بسيار كم كاهش پيدا مي كند و، نتيجه نهايي عبارت است از كاهش سطح هدايت ترانزيستور Q1 كه منجر به افزايش مقاومت خوبي آن مي شود و با افزايش افت ولتاژ روي اين مقاومت عمل رگو لاسيون ولتاژ انجام مي گيرد . در منطق تقريبي داريم :

 

حال مي خواهيم براي اين رگو لاتور ولتاژ و براي ورودي نشان داده شده جريانها و ولتاژ هاي شاخه هاي مختلف را محاسبه كنيم . تقريبات فرض شده

 

عبارتند از :

داريم :

 

 

 

 

با فرض

 

 

 

 

 

با فرض

 

 

 

 

همانطور كه در شكل 30 مي بينيم R₂ يك مقاومت متغير است . تغيرات اين مقاومت ولتاژ ترمينال را كنترل مي كند . واضح است كه بالاترين ولتاژ ممكن 30 ولت است ( براي V_i=30_v) زيرا در اين نقطه كار V_C1= O_vمي شود و ترانزيستور به اشباع مي رود . پايين ترين ولتاژ ممكن 15_v است كه بازه R_{1 و} يا

ممكن مي شود . يك منبع تغذيه كامل يك منبع تغذيه كه از رگولاتوري شبيه آنچه در شكل 30 نشان داده شده استفاده مي كند و شكل 32 نشان داده شده است . يك زوج لارلينگتون جايگزين ترانزيستور شكل 28 شده است تا حساسيت رگولاتور به تغييرات Vl را شديد تر كند در مدار شكل 30 تغييرات Ic2 در تغييرات IR3 منعكس مي شود كه اين مسئاله حساسيت Ib را به تغييرات ولتاژ ترمينال كاهش مي دهد . براي مينيمم سازي اين اشكال Rb بايد هرچه بزرگتر باشد در حالي كه همچنان جريان كافي براي عملكرد درست مدار را فراهم كند . بهترين راه جايگزيني Rb با يك منبع جريان است . منبع جريان در حالت ايده آل داراي مقاو مت بي نهايت و جريان مورد نياز مي باشد اين قسمت در مدار منبع تغذيه همانطور كه در شكل نشان داده شده است گاهي اوقات پيش رگولاتور خوانده مي شود . همچنين براي اينكه حساسيت رگولاتور به تغييرات ولتاژ ترمينال را هر چه بيشتر افزايش دهيم يك تقويت كننده تفاضلي استفاده كرده ايم كه ورودي هاي آن مقاومت نمونه بر روي ديود زنر هستند ورودي رگوله نشده يك سيگنال تمام موج متصل به يك فيلتر خازني است خازن 10nf در خروجي براي پايين آوردن نوسان مدار همچنين فيلتينگ بيشتر خروجي است . خروجي ترمينال با تغيير r1 قابل تغيير خواهد بود .

*Ic هاي رگولاتور ولتاژ

رگولاتور هاي ولتاژ دسته وسيعي از ic را تشكيل ميدهند اين Ic ها مدارات مرجع ، تقويت كننده خطا ، مدار كنترل و مدارات حفاظت باراضافي را در يك تراشه گرد آورده اند اگر چه ساختمان داخلي اين Ic ها متفاوت از رگو لاتورهاي discrete است اما عملكرد اين دو بسيار شبيه يكديگر است ما در اين قسمت عملكرد Ic هاي پر كاربرد 3 ترمينالي ولتاژ ثابت و ولتاژ قابل تنظيم را بررسي خواهيم كرد .

يك منبع تغذيه را مي توان به آساني با استفاده يك ترانزيستور متصل به برق شهر براي پائين آوردن سطح ولتغاژ و يك سو ساز نسيم موج يا تمام موج يك فيلتر خازني ساده و Ic هاي رگولاتور ولتاژ ساخت

يك تقسيم بندب پايه براي رگولاتور هاي ولتاژ عبارت است از رگو لاتورهاتيي با ولتاژ مناسب رگو لاتورهايي با ولتاژ منفي و رگو لاتورهايي با ولتاژ قابل تنظيم ، محدوده عملياتي اين Ic ها را از محدوده صد ميلي آمپر چند ده آمپر قابل تغير است . توضيحاتي در مورد انواع مختلف اين Ic ها و همچنين ترمينولوژي اين محدوده از الكترونيك د رادامه مي آيد .

رگو لاتورهاي ولتاژ با 3 ترمينال :

رگو لاتور ولتاژي كه ولتاژ ثابت – منفي را در محدوده معيني از جريان توليد مي كند در شكل 34 نشان داده شده است اين رگو لاتور ولتاژ رگوله نشده را در ترمينال ورودي خود در يافت مي كند ؟ و در خروجي ولتاژ رگوله شده را توليد مي كندVo و ترمينال سوم به زمين مدار متصل مي شود . براي اينكه Ic خاص با مشخصات IC عبارتند از محدوده ولتاژ ورودي مي تواند در اين محدوده تغيير كند بدون اينكه به عمل رگو لاسيون آسيبي برسد . اختلاف ولتاژ ورودي خروجي را نيز بايد در اين كار Ic ها را رعايت كرد . اين مسئله بدان معني است كه براي توليد ولتاژ خروجي به ميزان كافي بزرگ باشد مشخصات Ic شامل رگولاسيون با رگولاسيون خط نيز مي باشد . رگولاسيون با رگولاسين خط به ترتيب عبارتند از تغييرات ولتاژ خروجي در تنيجه به ترتيب جريان خروجي و ولتاژ ورودي .

يك گروه از رگولاتورهاي ولتاژ مثبت ثابت Ic هاي سري 78 كه ولتاژهاي خروجي بين sv تا 24v را توليد مي كند شكل 35-a طرز به كار گيري بسياري از اين Ic ها را نشان مي دهد ولتاژ يكسو شده و رگوله نشده به پايه يك اين Ic ها كه پايه ورودي است متصل مي شود . خازن هاي متصل شده از ورودي يا خروجي به زمين جهت حفظ ولتاژ dc و حذف فركانس هاي بالاي مو جود در ولتاژ متصل شده اند ولتاژ خروجب در پايه دو برالي اتصال به بار توليد مي شود پايه 3 مرجع مدار Ic و يا زمين است . دو عدد بهد از پيشوند 78 در اين سري از ic ها ولتاژ خروجي رگوله شده را بيان مي كنند . جدول شماره 1 اطلاعاتي را در اين زمينه در اختيار قرار مي دهد .

Ic ها ي رگولاتور ولتاژ منفي در سري 79 هستند ( شكل 35 را ببينيد ) اين Ic ها مانند Ic هاي سري 78 هستند با اين تفاوت كه ولتاژ منفي توليد مي كنند . جدول شماره 2راطلاعاتي را در اين زمينه در اختيار مي گذارد رگولاتورهاي ولتاژ مهم چنين در تركيب بندي هايي كه امكان تنظيم ولتاژ خروجي به هر مقدار دلخواه را فر اهم مي سازد موجود است . براي مثال Ic ي LM317 قادر است ولتاژهاي خروجي بين 1.2v تا 37v توليد كند . شكل 36 يك راه استفاده از LM317 را نشان مي دهد .

انتخاب دقيق و مناسب مقاومتهاي R1 و R2 امكان تنظيم ولتاژ خروجي براي هر مقدار دلخواه امكان پذير است . در اين تركيب بندي مداري داريم:

براي مقادير و و براي بدست آوردن ولتاژ مثلا 14v مي‌توانيم R1 را 240 اهم و R2 را 2.4k اهم انتخاب کنيم.

* منابع تغذيه علمي:

مدار استاندارد يک منبع تغذيه عملي عبارت است از يک ترانسفورماتور متصل به برق شهر براي پائين آوردن سطح ولتاژ, يک يکسوساز ديودي براي يکسوسازي نيم موج يا تمام موج و يک خازن به عنوان فيلتر براي توليد ولتاژ dc رگوله نشده. ولتاژ رگوله نشده سپس به عنوان ورودي به يک IC رگولاور ولتاژ متصل مي‌شود. طراحي‌هاي زير نحوه کار اين مدارها را به ما نشان مي‌دهند:

طرح 1: Load carrent=400mA

ترانسفورماتور مدار، ولتاژ ورودي خط را از 120vms به ولتاژ ثانويه 187ms روي هر نيمه ثانويه خود پائين مي‌آورد. در نتيجه ولتاژ ماکسيمم روي هر نيمه برابر است با:

ولتاژ اعوجاج با استفاده از تساوي r.c اين چنين محاسبه مي‌شود:

ولتاژ اعوجاج ماکسيمم (با استفاده از تساوي 6) برابر است با:

سطح dc ولتاژ خازن برابر است با:

Vdc=Vm-Vr(peak)=25.456v-2(353qv)=18.378v

در کاتالوگ 7812 مي‌نيمم ولتاژ ورودي براي نگهداري ولتاژ خروجي روي 12v، 14.6 ذکر شده است. در اين منبع تغذيه مي‌نيمم ولتاژ ورودي 18.378v است.

کوچک‌ کردن فيلتر خازني و يا اضافه کردن بار خروجي منجر به افزايش ولتاژ اعوجاج و کاهش مي‌نيمم ولتاژ ورودي مي‌شود. تا زماني که اين ولتاژ بالاي 14.6v نگه داشته شود 7812 عمل رگولاسيون ولتاژ را به خوبي انجام خواهد داد.

کاتالوگ 7812، ماکسيمم تغييرات ولتاژ خروجي را 60mv نشان مي‌دهد. اين بدان معني است که رگولاسيون ولتاژ اين منبع تغذيه برابر است با:

 

 

طرح 2: براي جريان خروجي 200mA داريم:

ولتاژ dc روي خازن فيلتر:

Vdc=rm-vr(peak)=15v-3.326v=11.674

مي‌نيمم ولتاژ ورودي:

Vin(min)=Vm-2Vr(peak)=8.348v

کاتالوگ 780s، مي‌نيمم ولتاژ ورودي را 7.3v معرفي مي‌کند. پس اين مدار درست کار مي‌کند. اما اگر باد را به 40mA افزايش دهيم:

Vdc=15v-6.65v=8.35

Vin(min)=15v-216.65v=1.7v

اين مقدار بسيار کمتر از 7.35 مورد نياز است. براي دو برابر کردن بار در اين مدار (از 200mA و 400mA) بايدخازن را نيز حدودا به دو برابر افزايش داد. اگر خازن در همان مقدار 250Mf ثابت نگه‌داشته شود ماکسيمم جريان خروجي اين چنين به دست مي‌آيد:

بنابراين :

بنابراين :

طرح 3، يک نمونه از به کارگيري Lm317 است. در اين طرح ولتاژ خروجي برابر است با:

با بررسي ولتاژ فيلتر خازني مي‌بينيم که اختلاف ورودي – خروجي در حدود 2v براي بارهاي کمتر از 200mA برقرار است.

* رگولاتورهاي Switching پايه، توپولوژيهاي Buck و Boost و Inverter حدودا 14 توپولوژي پايه براي طراحي منابع تغذيه switching موجود است. هر توپولوژي ويژگيهاي خاص خود را دارد و براي اهداف معيني مناسب است. بعضي از اين توپولوژيها براي ساختن مبدلهاي AC/DC در توانهاي کم (C200W) مناسبند. بعضي براي ولتاژهاي ورودي بالاتر ( مناسبند). بعضي براي ولتاژهاي ورودي حدود 120v مناسبند. بعضي براي ولتاژهاي خروجي بالا (>200v) و يا براي کاربردهايي توپولوژيهاي ديگر بهره مي‌گيرند و به نسبت قطعات کشان داراي پايداري خوبي هستند.

بنابراين براي انتخاب توپولوژي مناسب، بايد با محاسن، معايب و کاربرد تمامي توپولوژيها آشنا بود. انتخاب نامناسب توپولوژي مي‌تواند طراحي يک منبع تغذيه را از پايه ويران کند. در ادامه اين گزارش به بررسي دو توپولوژي پايه منابع تغذيه switching يعني توپولوژيهاي Buck و Boost مي‌پردازيم و محاسن، معايب و کاربرد آنها را توضيح مي‌دهيم. جريانهاي ماکسيمم ترانزيستور و فشارهاي ولتاژي را برحسب توان خروجي بيان مي‌کنيم. نحوه بستگي جريان ورودي به توان خروجي را نشان مي‌دهيم. راندمان و افت‌هاي سوئيچينگ DC و AC از ديگر مسايل مورد بحث خواهند بود.

براي نشان دادن چرايي نياز به رگولاتورهاي switching، اين بحث را با مقايسه اين رگولاتورها با رگولاتورهاي خطي آغاز مي کنيم.

* رگولاتورهاي خطي، نياکان رگولاتورهاي switching
توپولوژي پايه رگولاتورهاي خطي مدار مجتمع در شکل a40 نشان داده شده است. اين مدار از يک مقاومت متغير در قالب يک ترانزيستور (باياس شده در ناحيه خطي) که به صورت سري با بار خروجي قرار دارد تشکيل شده است. يک تقويت کننده خطا ولتاژ خروجي را با استفاده از شبکه نمونه برداري مقاومتي R1 و R2 با ولتاژ مرجع مقايسه مي‌کند. ولتاژ خروجي تقويت کننده خطا بواسطه يک تقويت کننده جريان، بيس ترانزيستور قدرت را تغذيه مي‌کند.

نحوه کار رگولاتور بدين صورت است که اگر ولتاژ خروجي بالا رود (چه بر اثر افزايش ولتاژ ورودي و چه به اثر کاهش بار خروجي) ولتاژ بيس ترانزيستور پائين مي‌رود. (با فرض اينکه ترانزيستور NPN باشد). اين امر مقاومت ترانزيستور را افزايش مي‌دهد و در نتيجه ولتاژ خروجي را کاهش مي‌دهد تا ولتاژ نمونه‌برداري شده با ولتاژ مرجع برابر شود. اين حلقه فيدبک منفي براي کاهش ولتاژ خروجي در نتيجه کاهش ولتاژ ورودي و يا افزايش بار نيز وجود خواهد داشت. در اين موارد تقويت کننده خطا ولتاژ بيس را اندکي بالاتر مي برد، مقاومت ترانزيستور کاهش پيدا مي‌کند و ولتاژ خروجي بالا مي‌رود.