بررسی 6 عامل برای انتخاب رگولاتور ولتاژ در یک مدار الکترونیکی

رگولاتورها و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ، یک قطعه‌ی اساسی در دستگاه‌های الکترونیکی و مکمل میکروکنترلرها هستند. این قطعات عملکرد قابل اعتماد را ارائه می‌دهند. مدارها و بردهای الکترونیکی به ولتاژ ورودی ثابت نیاز دارند و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ اطمینان می‌دهند که این نیازها برآورده شوند. اما شناخت این قطعات آن هم به صورت عمومی برای بسیاری از افراد اهمیت دارد. مهندس‌های الکترونیک از این موارد را با جزئیات کامل اطلاع دارند. ولی اگر مدیر یک مجموعه هستید و اطلاعات کمی نسبت به این قطعه‌ها دارید، کافیست این پست را تا انتها مطالعه کنید. هدف ما ارتقا دانش کاربران فارسی زبان است. همچنین رشد اطلاعات عمومی مدیران در شرکت‌های مختلف را مد نظر داریم. بنابراین اگر این مطلب از بلاگ دانشجو کیت برای شما ارزشمند بود و به اطلاعاتتان اضافه کرد، آنرا با دیگران به اشتراک بگذارید تا دانش فنی مدیرها و کاربران فارسی زبان در این حوزه و IoT رشد پیدا کند.

کاربری تنظیم‌کننده‌های ولتاژ

همه چیز از اتومبیل‌ها تا تصفیه‌کننده‌های هوا و گوشی‌های تلفن همگی از رگولاتورها و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ استفاده می‌کنند. برخی دستگاه‌ها حساس‌تر از دیگران هستند و برخی منابع تغذیه نوسانات بیشتری دارند، که انتخاب بهترین تنظیم‌کننده‌های ولتاژ برای هر کاربرد را دشوار می‌کند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ یکی از اجزای مهم در مهندسی برق و الکترونیک هستند و برای تنظیم ولتاژ خروجی به مقدار مشخصی از ولتاژ ورودی استفاده می‌شوند. کاربردهای تنظیم‌کننده‌های ولتاژ بسیار گسترده هستند و در صنایع و دستگاه‌های مختلف به کار می‌روند. در ادامه تعدادی از کاربردهای معمول تنظیم‌کننده‌های ولتاژ را بررسی می‌کنیم.

• منابع تغذیه متغیر: تنظیم‌کننده‌های ولتاژ متغیر به عنوان منابع تغذیه قابل تنظیم استفاده می‌شوند. این منابع تغذیه امکان تنظیم ولتاژ خروجی را فراهم می‌کنند و در آزمایشگاه‌ها، دستگاه‌های اندازه‌گیری، و برخی از دستگاه‌های الکترونیکی پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• تغذیه تجهیزات دیجیتال: در بسیاری از دستگاه‌های دیجیتالی مانند کامپیوترها، لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و دوربین‌های دیجیتال، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به منظور تأمین ولتاژ خروجی پایدار و مطابق با نیازهای الکترونیکی داخلی استفاده می‌شوند.
• الکترونیک قدرت: در صنایعی مانند الکترونیک قدرت، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ برای تأمین ولتاژهای مورد نیاز در مدارات توانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اینجا تنظیم‌کننده‌های ولتاژ می‌توانند ولتاژ خروجی مستقیم (DC) را از منابع تغذیه متناوب (AC) تبدیل کنند و به مدارهای مختلفی از این صنعت، از جمله مبدل‌های DC به DC، مبدل‌های DC به AC و سیستم‌های تغذیه قدرت توان کم تا بالا، ارائه می‌دهند.
• صنایع اتوماسیون: در دستگاه‌های صنعتی و اتوماسیون صنعتی، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ برای تأمین ولتاژ مورد نیاز برای کارکرد صحیح تجهیزات و سیستم‌ها به کار می‌روند.
• تجهیزات پزشکی: در دستگاه‌های پزشکی نیاز به ولتاژهای پایدار و دقیق برای تأمین عملکرد صحیح دستگاه‌ها و سنسورها وجود دارد. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ در تجهیزاتی مانند دستگاه‌های اندازه‌گیری پزشکی و دستگاه‌های پزشکی قابل حمل استفاده می‌شوند.
• اتومبیل‌ها: در صنعت خودروسازی نیز تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به منظور تأمین ولتاژهای مورد نیاز برای سیستم‌های الکترونیکی مختلف در اتومبیل‌ها به کار می‌روند، از جمله سیستم‌های ترمز ضدقفل (ABS) و سیستم‌های ناوبری و سیستم‌های سوخت‌رسانی.

تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به عنوان یکی از عناصر اساسی در طراحی و مهندسی الکترونیکی و برق و افزایش قابلیت اعتماد و عملکرد دستگاه‌ها و سیستم‌ها بسیار مهم هستند. انتخاب مناسب و استفاده صحیح از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به افزایش کارایی و پایداری دستگاه‌ها و تجهیزات کمک می‌کند.

تنظیم‌کننده‌های ولتاژ چگونه کار می‌کنند؟

تنظیم‌کننده‌های ولتاژ، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که برای تنظیم و کنترل ولتاژ خروجی در یک مدار الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قطعات وظیفه تبدیل ولتاژ ورودی نسبت به یک مرجع ثابت به ولتاژ خروجی مشخص را دارند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ عمدتا در جاهایی که نیاز به تنظیم دقیق ولتاژ وجود دارد، قرار می‌گیرند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ معمولاً در مدارهای DC به DC (تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ DC) استفاده می‌شوند و برای تأمین ولتاژ‌های پایدار و دقیق به مدارهای الکترونیکی در دستگاه‌ها و سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در یک تلفن بی‌سیم ممکن است یک آداپتور AC وجود داشته باشد که ولتاژ 220VAC را به 12VDC تبدیل می‌کند. سپس در داخل پایه تلفن، یک تنظیم‌کننده ولتاژ وجود دارد تا ولتاژ DC مورد نیاز برای بخش الکترونیک در مدار فراهم کند.

در یک برد یا دستگاه الکترونیکی پیچیده با اجزا مختلف که نیاز به ولتاژهای مختلف دارند، نیاز به تنظیم‌کننده‌های ولتاژ بیشتر واضح است. به عنوان مثال، یک کامپیوتر از یک آداپتور تغذیه برای تبدیل 220VAC به ولتاژ پایین‌تر استفاده می‌کند. سپس اجزا داخلی مختلف مانند مادربرد و... به ولتاژ خاصی برای عملکرد نیاز دارند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ برای تأمین ولتاژ ثابت و قابل اعتماد به هر اجزای داخلی استفاده می‌شوند.

راهنمای انتخاب تنظیم‌کننده ولتاژ

رگولاتورها قطعاتی هستند که همواره در هر مداری به آن‌ها نیاز است. وظایف مختلفی از جمله کاهش ولتاژ به میزانی مشخص و یا تثبیت کردن ولتاژ در دامنه‌ای مشخص از جمله کاربری‌های رگولاتورها هستند. در ادامه 6 نکته را برای انتخاب رگولاتور مناسب بررسی می‌کنیم. البته در آخر بایستی دقت داشته باشید که انتخاب رگولاتور وابسته به طرح مورد نظر توسط طراحی مدار انتخاب می‌شوند. اما این توضیحات عمومی برای آگاهی کاربران غیرمتخصص در نظر گرفته شده است.

1- ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی در مدار

ایده‌آل است که محدوده ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی مورد نیاز که با آن کار می‌کنید را بدانید. هر تراشه رگولاتور تنظیم‌کننده ولتاژ به منظور استفاده برای ولتاژ خروجی خاصی طراحی شده است. به عنوان مثال، در یک دستگاهی که از برق 220 استفاده می‌کند و دارای کنترلر Raspberry Pi با ولتاژ 5V، موتورهای سروو با ولتاژ 12V و موتور استپر با ولتاژ 24V است، شما باید از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ 5V، 12V و 24V استفاده کنید تا مطمئن شوید که همه چیز به خوبی عمل می‌کند. با این حال، اگر دارای یک منبع تامین برای استفاده در موارد متنوعی هستید، می‌توانید تنظیم‌کننده‌های خروجی قابل تنظیم را پیدا کنید که با تنظیم ساده‌ای برای محدوده‌های مختلف ولتاژ خروجی استفاده می‌شوند.

البته رگولاتورها فقط در حالت AC به DC عمل نمی‌کنند. بلکه در مدارهای DC برای تبدیل از بازه‌ای در ولتاژ DC به میزان مشخصی در همان زمینه از رگولاتور بایستی استفاده شود. مثلا رگولاتور خطی 7805 کمک می‌کند که ولتاژ 5V تثبیت شده در مدار داشته باشید.

2- ولتاژ کاهشی (Dropout Voltage)

کاهش ولتاژ (Dropout) حداقل فاصله بین ولتاژ خروجی و ولتاژ ورودی است. به عنوان مثال، اگر در بخشی از برد ورودی 7 ولت داشته باشید و به ولتاژ خروجی 5 ولت نیاز داشته باشید، آنگاه نیاز به حداقل 2 ولت کاهش ولتاژ دارید. میبایست از رگولاتور ولتاژ تثبیت شده 5 ولتی استفاده کنید. کاهش ولتاژ برای هر تراشه تنظیم‌کننده ولتاژ به همراه ولتاژ خروجی مشخص می‌شود. به عنوان مثال، می‌توانید تنظیم‌کننده‌های ولتاژ 5 ولت با محدوده‌های کاهش ولتاژ مختلف پیدا کنید. برای مدارهایی با تفاوت کم بین ولتاژ ورودی و خروجی، نیاز به یک تنظیم‌کننده ولتاژ با کاهش ولتاژ کم (LDO) یا حتی یک تنظیم‌کننده ولتاژ بسیار پایین (ultra-low voltage regulator) وجود دارد.

3- رگولاتورهای خطی یا رگولاتورهای سوئیچینگ؟

یک رگولاتور تنظیم‌کننده خطی نمی‌تواند برای توانی که پایین‌تر از ولتاژ خروجی است استفاده شود. برای ارائه ولتاژ خروجی 5 ولت، حداقل باید ولتاژ ورودی و کاهش ولتاژ تنظیم‌کننده ولتاژ خطی حفظ شود. اگر باید توانهایی که به آن ولتاژ مورد نیاز می‌رسد را جبران کرد، می‌توان از یک رگولاتور سوئیچینگ نوع boost یا step-up استفاده کرد. 

موقعیت دیگری که استفاده از یک رگولاتور تنظیم‌کننده سوئیچینگ می‌تواند مفید باشد، زمانی است که افزایش ناگهانی در مصرف توان ممکن است منجر به کاهش ولتاژ شود. به عنوان مثال، زمانی که یک مصرف کننده با توان قابل توجه وارد عمل می‌شود، مصرف توان افزایش می‌یابد، ولتاژ کاهش می‌یابد و کنترل‌کننده میکرو ریست می‌شود مگر اینکه از یک تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده کنید که بتواند این کاهش را جبران کند.

همچنین ممکن است استفاده از رگولاتورهای تنظیم‌کننده سوئیچینگ در دستگاه‌هایی که تفاوت زیادی بین ولتاژ ورودی و خروجی وجود دارد و به ازای آن توان زیادی از دست می‌رود و گرما تولید می‌شود، منطقی‌تر باشد. اینکه آیا استفاده از رگولاتورهای سوئیچینگ منطقی است یا خیر، به نوع پروژه، محدودیت‌های طراحی و بودجه بستگی دارد. رگولاترهای تنظیم‌کننده سوئیچینگ ممکن است نویز و اختلالاتی را ایجاد کنند که نیاز به جبران در مدار دارند. هزینه هم یک عامل است. برای یک دستگاه رباتیک گران‌قیمت یا تجهیزات پزشکی حساس، استفاده از تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ مسئله کمتری از نظر هزینه خواهد بود. به نسبت محصولی که مصرف عمومی داشته و قرار است قیمتی اقتصادی داشته باشد.

4- انتخاب رگولاتور براساس حساسیت دستگاه

دستگاه‌های بسیار حساس مانند گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های بی‌سیم و تجهیزات پزشکی که با باتری کار می‌کنند، ممکن است نیاز به یک رگولاتور تنظیم‌کننده خاص داشته باشند تا نویز را کاهش دهند. برای اطلاعات بیشتر، بایستی دیتاشیت کالاها را بررسی کنید. یا اینه در شاخه رگولاتور و کاهنده ولتاژ براساس فیلترهایی که تعریف شده‌اند اقلام مناسب را فیلتر کنید.

5- زمان پاسخ رگولاتور در مدار

برای برنامه‌هایی که نیاز به زمان پاسخ سریع دارند مانند کارت‌های گرافیک، تلویزیون‌ها، کامپیوترها، چاپگرها و سیستم‌های امبدد، رگولاتورهای تنظیم‌کننده ولتاژ تخصصی با زمان پاسخ سریع را بایستی در نظر گرفت. فرکانس کاری و سرعت پاسخگویی هر رگولاتور در دیتاشیت آن نوشته شده است. در چنین مدارهایی حتما بایستی از قطعات اورجینال استفاده کرد.

6- مصرف توان و انتخاب رگولاتور

زمانی که از یک تنظیم‌کننده ولتاژ خطی استفاده می‌شود، تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی به دلیل تبدیل آن به گرما از دست می‌رود. زمانی که مصرف توان پایین است، احتمالاً تولید گرما مشکلی نیست. با این حال، بسته به کاربرد، اگر جریان مصرفی به اندازه کافی بالا باشد، میزان گرمای تولید شده ممکن است به مشکل تبدیل شود. گزینه مطرح‌شده بالا برای استفاده از یک تنظیم‌کننده سوئیچینگ به جای تنظیم‌کننده خطی یکی از راه‌حل‌های ممکن است. همچنین می‌توانید از یک پره‌سینک (heatsink) استفاده کنید تا داخل محدوده دمای بهینه باقی بماند.

انواع پکیج‌های رگولاتور خطی

قطعات الکترونیکی براساس سایز پکیج و ابعادی که دارند دسته بندی می‌شوند. رگولاتورهای خطی در انواع مختلف و با پکیج‌ها و سایزهای متنوعی در دسترس هستند تا به نیازهای مختلف برنامه‌های الکترونیکی پاسخ دهند. برخی از این تنوع‌های پیکج رگولاتور خطی شامل موارد زیر است.

• پکیج TO-220: این پکیج به عنوان یکی از معروف‌ترین و پرکاربردترین پکیج‌های رگولاتورهای خطی شناخته می‌شود. TO-220 دارای سه پین است و به عنوان یک پکیج ترانزیستوری معمولاً در مدارات قدرت و کاربردهای گسترده دیگر استفاده می‌شود. این پکیج دارای ابعاد نسبتاً بزرگی است.
• پکیج TO-92: این پکیج کوچکتر از TO-220 است و در مدارات کوچک و مدارات کم توان مورد استفاده قرار می‌گیرد. TO-92 دارای سه پین است و برای رگولاتورهای خطی با ولتاژ و جریان خروجی پایین مناسب است.
• پکیج SOT-223: این پکیج نسبتاً کوچکتر از TO-220 است و از نظر ابعاد متوسطی دارد. این پکیج بیشتر در مدارات تغذیه کوچک و باتری‌ها به عنوان یک رگولاتور خطی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• پکیج SOT-89: این پکیج دارای سه پین است و برای رگولاتورهای خطی با ولتاژ و جریان خروجی متوسط مناسب است. ابعاد این پکیج نیز معمولاً کوچکتر از TO-220 و SOT-223 است.
• پکیج TO-3: این پکیج از TO-220 بزرگتر است و به عنوان پکیج قدرتی شناخته می‌شود. این پکیج معمولاً در مدارات با ولتاژ و جریان خروجی بالا و در برنامه‌های صنعتی و قدرتی استفاده می‌شود.
• پکیج DFN (Dual Flat No-leads): این نوع پکیج بدون پین‌ها است و به عنوان یک پکیج سطحی شناخته می‌شود. این پکیج‌ها بسیار کوچک و بدون پین‌های خارجی هستند و به عنوان یک انتخاب مناسب برای برنامه‌هایی که اندازه فیزیکی کوچکی نیاز دارند ولتاژ و جریان خروجی معمولاً کمتر است.
• پکیج TO-220FP: این پکیج به نوعی تغییریافته‌ای از TO-220 است که دارای پین‌های انعطاف‌پذیر برای اتصال به مدارها است. این پکیج معمولاً در برنامه‌هایی که نیاز به اتصال و ترتیب‌پذیری آسان دارند استفاده می‌شود.
• یکپارچه‌سازی (Integrated Regulators): بعضی از رگولاتورهای خطی به صورت یکپارچه در یک تراشه الکترونیکی (IC) تولید می‌شوند. این تراشه‌ها دارای ولتاژ خروجی ثابت یا قابل تنظیم هستند و معمولاً در پکیج‌های کوچکتر و سطحی قرار دارند.

مهمترین فاکتورها برای انتخاب پکیج مناسب شامل توان مورد نیاز، ابعاد فیزیکی برد، و قابلیت تخریب حرارتی (Heat Dissipation) در محیط کاری هستند. همچنین، پکیج‌ها باید با نیازهای اتصالی و مکانیکی برد شما همخوانی داشته باشند.

جمع بندی

اگرچه تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به نظر ساده می‌آیند، اما بخشی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر منابع تغذیه و قابلیت اعتماد الکترونیکی هستند. دانشجو کیت ارائه دهنده‌ی مجموعه جامعی از خدمات مهندسی است که برای طراحی و رفع مشکلات در دسترس است. انتخاب قطعه مناسب و اصلی در هر مدار الکترونیکی اهمیت دارد. در این پست سعی کردیم که 6 مورد کلی را برای انتخاب رگولاتور در یک مدار الکترونیکی بررسی کنیم. این موارد به صورت عمومی بررسی شدند. البته برای تهیه رگولاتور مناسب بایستی اطلاعات فنی و مهندسی را ملاک قرار دهید. که از موضوع این بلاگ عمومی در فروشگاه خارج است. بهترین گزینه برای انتخاب نظر کارشناس فنی و مهندس طراحی مدار است. که از لحاظ ابعاد و پکیج مورد نظر این گزینه‌ها را مشخص کند.