آشنایی با رگولاتورها , شامل یک جزوه کامل و غنی در مورد رگولاتورها بوده که توسط آقای محمد تقی جعفری بصورت یک جزوه اموزشی کامل جهت انتشار در اختیار سیسوگ قرار گرفته , ما مطالب این جزوه را در چندین قسمت در سایت سیسوگ منتشر خواهیم کرد و در آخر نیز فایل کامل را بصورت دانلود در سایت قرار خواهیم داد.
به نام خدا.
در این مقاله با یکی از مهم ترین قطعاتی که در همه دستگاه های الکترونیک وجود داره، یعنی “رگولاتور” آشنا میشید.
داخل این مقاله یاد میگیرید که:
- رگولاتور چیه؟
- ملاک های انتخاب یک رگولاتور خوب چیه؟
- ودر آخر پرکاربرد ترین رگولاتورها چیا هستن؟
این مقاله به پیشنهاد مدیر محترم سایت سیسوگ به طور رایگان عرضه می شود.
مقدمه
سلام، وقت بخیر. امیدوارم حالتون خوب باشه.
یادمه اولین بار که میخواستم یه بورد طراحی کنم اکثر افرادی که اون موقع حرفه ای بازار بودن جواب های سر بالا می دادن و اینجوری من باورم شده بود که علاوه بر اینکه این کارا خیلی خاصه، کار هر کسی هم نیست و من نمی تونم هیچ وقت یاد بگیرم!!!
شاید فلسفه اینکه من توی الکترونیک وقت گذاشتم تا حرفه ای بشم هم همین باشه که یه روزی پروژه هایی بگیرم که اونا الان توی خواب هم نمی بینن که یه روزی بتونن انجام بدن.
این بهم اثبات شده که نه تنها من، بلکه هرکسی که بخواد، می تونه؛ توی این مسیر عملگرایی خیلی مهمه و باید یه دیدی از مسیر داشته باشه. در کنارش باید صبر و تلاش هم داشته باشه تا به نتیجه دلخواه برسه. البته به قول مهندس حریری عزیز، وجود یه معلم میتونه مسیرو خیلی شیرین و خوشایندتر کنه؛ توکل به خدا رو هم هیچ وقت از یادتون نبرید؛ یادتون نره همه چیز دست خود خداست…
با افتخار بهتون میگم که این مقاله با این مطالب و به این سبک اطلاعات دسته بندی شده در مورد رگولاتورها رو (که مهمترین قطعه برای منبع تغذیه بورد های الکترونیکی محسوب میشن) من نه به فارسی دیدم و نه حتی به انگلیسی و اولین نفری هستم که در این زمینه یک مقاله کامل رو که حاصل دانسته ها و آمیخته با تجاربمه به صورت عمومی قرار دادم.
من به دو دلیل بسیار خوشحالم:
- اول اینکه شما دوستان به خاطر رشد خودتون حاضر شدید همسفر من در این مسیر آموزش بشین و این ینی اینکه آینده تون براتون مهمه و حاضر هستید برای اون هزینه زمانی و مالی کنید.
- سعی کردم مطالب این مقاله رو به ساده ترین شکل ممکن بیان کنم. پس نگران یادگیری نباشید و اگه نکته دیگه ای به ذهنتون اومد زیر هر صفحه برای خودتون یادداشت و برای من هم ارسال کنید تا در ویرایش های بعدی مقاله و کتاب نهایی (که این مقاله قسمتی از اونه) تکمیلش کنم.
چی قراره یاد بگیریم؟
با خوندن این مقاله،
- با رگولاتورها و انواع اونا آشنا میشین.
- مهم تر اینکه یاد میگیرید برای انتخاب یه رگولاتور برای دستگاهتون باید به چه نکاتی توجه کنید.
- و در نهایت با 16 رگولاتور رایج و پرکاربرد آشنا میشید.
وب سایت ها
کتاب ها
- Voltage Regulators for Next Generation Microprocessors Toni López, Reinhold Elferich, Eduard Alarcón
- Design and Control of Matrix Converters: Regulated 3-Phase Power Supply and Voltage Sag Mitigation for Linear Loads Anindya Dasgupta, Parthasarathi Sensarma
- Voltage Regulator Circuit Manual Robert Traister
- Current efficient, low voltage, low drop-out regulators Gabriel Alfonso Rincon-Mora
البته انتظار نداشته باشید همه مطالب این مقاله رو در این کتاب ها و سایت ها پیدا کنید، چون قسمت دوم و سوم این مقاله ینی ملاک های انتخاب رگولاتور و رگولاتورهای رایج، بر اساس تجربه و آزمون و خطا در پروژه های مختلف بین المللی و داخلی حاصل شده و یه جورایی نکاتیه که شاید کمتر کسی از صنف الکترونیک راحت در اختیار بقیه قرار بده.
خب بریم سراغ اصل مطلب
رگولاتور چیست؟
این قسمت رو من به سه قسمت تقسیم کردم:
- تعریف
- اصطلاحات
- و انواع تقسیم بندی
تعریف رگولاتور
برای تعریف رگولاتور بهتره این جوری بگم:
رگولاتور مثل یه سد میمونه که خروجی سد همیشه یه مقدار مشخص و محدود شدست و هر چقدر پشت سد مقدار آب زیاد بشه ما توی خروجی تغییری احساس نمی کنیم.
از طرف دیگه رگولاتور به انگلیسی regulator از regulate کردن میاد که به معنی محدود کردن و تنظیم کردنه، ینی خروجی یه چیز مشخص، معین، تنظیم محدوده.
با این دو تعریف فکر کنم دیگه کامل متوجه شدید که منظور از رگولاتور در الکترونیک ینی یه قطعه ای که خروجی اون پایدار و محدود شدست و قرار نیست مدام تغییر کنه.
“اگه بخوام خیلی دقیق بگم ما باید به جای رگولاتور از رگولاتور ولتاژ استفاده کنیم چون باید معلوم کنیم چی قراره تنظیم بشه.”
یه سری از رگولاتور ها یه قابلیت دیگه ام دارن که افزایش ولتاژه!!! ینی یه سری مدلای رگولاتورها مثل mt3608 ولتاژ خروجیشون از ولتاژ ورودی بیشتره.
مقاله ساخت افزاینده ولتاژ به کمک تراشه MT3608
افزاینده ولتاژ پورت USB به 9 و 12 ولت – کاملا عملی همراه با شماتیک و pcb
اصطلاحات رگولاتورها
و اما اصطلاحات پر کاربرد در رگولاتورها
- Boost یه نوع از رگولاتورهاست که ولتاژ خروجیش از ورودیش بیشتره. به این نوع از رگولاتورها افزاینده یا stepup هم میگیم؛ مثل l6920
- Buck یه نوع از رگولاتورها هستن که ولتاژ خروجیشون از ورودی کمتره و بهشون کاهنده یا stepdown هم میگیم؛ مثل lm7805 یا lm2596
- Boost/Buck رگولاتور هایی هستن که با توجه به شرایط طراحی ما ممکنه خروجی از ورودی بیشتر یا کمتر باشه؛ مثل rt6150
- Linear یه گروهی از رگولاتور ها هستن مثل lm7805 که برای کنترل و محدود کردن ولتاژ خروجی از قطعاتی مثل مقاومت استفاده می کنن. برای همین گرمای زیادی تولید میکنن و نیاز به هیت سینک دارن. در مورد این رگولاتور ها در قسمت رگولاتور های خطی کامل صحبت می کنم.
- Swiching یه گروهی از رگولاتورها هستن مثل lm2586 و xl4016 که برای کنترل و محدود کردن ولتاژ از قطعاتی مثل ماسفت استفاده می کنن که مثل کلید زنی عمل میکنه. جلوتر توی قسمت رگولاتور های سوئیچینگ به طور مفصل در مورد این رگولاتور ها حرف میزنم.
- StepUp همون boost خودمونه
- stepDown همون buck خودمونه
- Synchronous: یه سری رگولاتور ها وقتی ولتاژ ورودی بهشون وصل میشه سریع ولتاژ خروجی پیدا می کنن اما این موضوع در مورد یه سری رگولاتور ها یه مقداری طول میکشه. همین قضیه زمان قطع ولتاژ ورودی هم تکرار میشه، ینی زمانی که ولتاژ ورودی قطع میشه ولتاژ خروجی ما در یه سری رگولاتور ها سریع صفر میشه که بهشون میگیم synchronous و راندمان بالاتری دارن.
- Inverter : رگولاتور هایی که علامت ولتاژ رو برعکس می کنن. مثلا ورودی ما 5 ولته خروجیمون منفی 5 ولت.
- Drop out مقداری از ولتاژ هست که توسط رگولاتور تلف میشه. برای به دست آوردن این مقدار کافیه حداقل ورودی رو از حداکثر خروجی کم کنیم؛ مثلا داخل رگولاتور lm7805 حداقل ورودی ما 7.5 ولته و حداکثر خروجی ما 5 ولت، پس drop out ما میشه 2.5 ولت
- LDO مخفف low drop out هست.به معنی اینکه میزان drop out رگولاتور ما اصولا کمتر از دو ولته مثل ams1117. رگولاتورهایی رو هم داریم که حتی کمتر از نیم ولت drop out دارن مثل mic29302. البته یه سری الزامات و نکات طراحی رو باید برای این نوع رگولاتورها در نظر بگیریم که چون در دوره “رگولاتورها در عمل” برای همه رگولاتورهای رایج طراحی PCB انجام میدیم، کامل با این موارد آشنا میشین.
- Input Voltage Range : همونجوری که هر سدی میتونه یه مقدار مشخص آب رو پشت خودش نگه داره و خراب نشه، رگولاتور هم همینطوره؛ تا یه ولتاژی رو میتونه تحمل کنه، مثلا برای رگولاتورlm7805 طبق دیتاشیت تا 35 ولت می تونیم ورودی داشته باشیم اما با هم توی دوره “رگولاتورها در عمل” آزمایش می کنیم و می بینیم که اگه ولتاژ ورودی بیشتر از 28 ولت بشه یه جورایی منفجر میشه.
- Switching Frequency : یه سری از رگولاتورها که جلوتر با اونا آشنا میشیم از نوع سوئیچینگ هستن و سیستم کاریشون بر اساس کلیدزنیه ینی مدام یه قسمتی قطع و وصل میشه. عدد فرکانس سوئیچینگ ینی تعداد دفعاتی که در یه ثانیه این قطع و وصل صورت می گیره.
- Efficiency یا راندمان برابره با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی که اصولا توی رگولاتورهای خطی این عدد کم و توی رگولاتور های سوئیچینگ این عدد بزرگ تره و طبیعتا هر چقدر بزرگتر باشه بهتره.
- Output Current جریانیه که ما از خروجی یه رگولاتور میتونیم داشته باشیم. مثلا lm2596 جریان خروجیش 3 آمپره یا توی ams11117 حدود 800 میلی آمپره که توی دوره “رگولاتور ها در عمل” همه این موارد رو به صورت عملی تست می کنیم.
- Mounting Style : این اصطلاح مربوط به همه قطعاته و مختص رگولاتورها نیست و منظور طریقه مونتاژ روی PCB هست. ما دو مدل قطعه داریم : SMD یا نصب سطحی و Through Hole که به اشتباه به اونdip هم گفته میشه (توی قسمت ملاک های انتخاب رگولاتور، بخش ابعاد و ظاهر، توضیحات کاملتری رو براتون میگم)
- Package / Case : ماشین هایی که داریم یه دسته بندی بر اساس ظاهر دارن؛ مثلا هاچ بک سدان و شاسی بلند. علاوه بر این درسته بندی، مثلا شاسی بلند میشه شاسی بلند شهری، آفرود و… قطعات الکترونیکیSMD و Through Hole هم مدلای مختلفی دارن که ما به اونا میگیم پکیج های مختلف مث TO-220-5. توی قسمت ملاک های انتخاب رگولاتور، بخش ابعاد و ظاهر،می تونید عکس تمامی پکیج ها رو ببینید.
- ADJ : یه سری از رگولاتور ها قابلیت اینو دارن که ولتاز خروجیشون متغیر باشه که آخر اسم اونا ADJ نوشته میشه و این مخفف کلمهadjust هست، مثل lm2596 adj
- Output Voltage ولتاژ خروجی رگولاتور ماست که میتونه ثابت (fix) یا متغیر (adj) باشه.
- Topology : منظور از توپولوژی چهار حالت افزاینده،کاهنده،افزاینده/کاهنده و معکوس کننده هست
- Operating Temperature : هر قطعه ای چند تا دما داره که یکی از اون بازه های دمایی دمای کاری قطعه مونه؛ این دما رو با دمای محیط اشتباه نگیرید چون الزاما دمای قطعه با دمای محیط یکسان نیست!!! دمای قطعه ما متأثر از دمای محیط و میزان گرمای تولید شده توسط خود قطعه هست.
تا اینجا ما رگولاتور رو تعریف کردیم و اصطلاحات پرکاربرد اونم بررسی کردیم. تو قسمت بعد می خوایم در مورد تقسیم بندی های رایج رگولاتورها با هم صحبت کنیم.
سلام درود بر یاران جان!
مطلب خوبی بود ودید خوبی به عزیزان مبتدی میدهد.
لیکن یک نکته خیلی ظریف هست که جا دارد مطرح بکنم.
در مبدل های کلید زنی عموما از دیود برای یکسویه کردن و جهت دادن به جریان خروجی استفاده می شود.
یعنی یک نوع رکتیفایر در خروجی داریم.
نوعی از رکتیفایر ها هستند که در آنها از ترانزیستور به جای دیود استفاده می شود . مزیت این امر کنترل فعال روی زمان هدایت کلید به صورت اکتیو است.
از این روع این نوع از رکتیفایر ها، همزمان یا Synchronous نامیده میشوند.
در توان های پایین این کلید ها درون تراشه قرار دارند و نیازی به دیود خارجی نخواهد بود.
در توان های بالا شما ملزم به قرار دادن دو عدد سوییچ خواهید بود! یکی سوییچ اصلی و دیگری سوییچی که نقش یکسو کنندگی را بر عهده دارد.
ساختار یا توپولوژی یک بحث بسیار کلی در طبقه بندی مدارات منابع تغذیه است و شاخه های متنوعی نیز دارد.
در متون کهن و توان های بالا ساختار ها ساده تر بودند ولی با گسترش مرز های علم و دانش ساختار های جدیدتر و حتی تلفیقی از دو ساختار در یک ساختار جدید ایجاد شدند. مانند توپولوژی های باک – بوست ، SEPIC یا Split Rail. امروزه تراشه های جدید و مدرن از دل تحقیقات دانشگاهی استخراج شده است.
تا 10 -15 سال پیش اگر کسی میگفت مبدل سوییچینگ با فرکانس 1 مگاهرتز با چشمانی درشت به او نگاه میکردند 🙂 و میگفتند اینها تکنولوژی فضاییه!
در توان های بسیار بالا از ساختار های ساده تر و متفاوتی استفاده می شود.
سلام با تشکر لطفا راهنمایی بفرمایید چطور میشه مدار معادل ای سی l4959 را با رگولاتور های معمولی ۵ و۸ و۱۲ ولت بگار برد ممنونم
عالی بود ممنون
عالی بود
سلام و تشکر از جناب جعفری بابت زحماتی که میکشند.
خیلی ممنون از اینکه این مطالب را با یک انسجام خوب و خلاقانه دارید منتشر میکنید.
به نظر میرسه که برخی از مطالب مندرج در متن این مقاله دارای ایراداتی هست که اگر برطرف بشه خوبه اما اگر هم نشه مشکلی ایجاد نمیکنه چون کسانی که کار حرفه ای میکنند میدانند مشکل چیست و کجای متن ایراد داره و کسانی هم که در حال پیشرفت هستند به مرور زمان و با خواندن چندتا رفرنس میتوانند پی به صحت مطالب ببرند.
اما فارق از اینکه تعاریف به درستی ارائه شده یا نه ، آشنا شدن با این کلمات برای کسی که در اول راه هست خیلی مفیده و صحت این مطالب را بهتره در کار یا پروژه عملی بررسی و درک کنند
1- معمولا Buck و Boost برای تغذیه غیر خطی به کار میره مانند سوئیچینگ ها
2- Drop out :
The dropout voltage is the difference between the output voltage and the input voltage at which the circuit quits regulation with further reductions in input voltage
ترجمه : ولتاژ Drop out از اختلاف ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی در شرایطی که رگولاتر از تنظیم خارج نشده باشد (ولتاژ خروجی با آنجه مطلوب است برابر باشد ) بدست می آید
3- Synchronous
Synchronous switching regulators and controllers generally provide more efficient voltage regulation because the timing of both switches is controllable, plus FETs provide lower resistance than Schottky diodes. .
ترجمه : رگولاتور های سوئیچینگ Synchronous و کنترل کننده هایشان بازدهی بیشتری در رگوله کردن ولتاژ دارند زیرا هر دو مرحله سوئیچ زنی در آنها توسط کنترلر قابل کنترل بوده و همچنین به جای یک دیود شاتکی از یک Fet که مقاوت پایینی دارد استفاده میشود.
4- Efficiency
Efficiency is a measure of how much power is wasted by the regulator.
Efficiency can be calculated by dividing the output power by the input power
ترجمه : بهره وری به معنای اندازه گیری میزان تلفات توان در رگولاتور هست
نحوه بدست آوردن آن با تقسیم کردن توان خروجی بر توان ورودی می باشد
5- Topology کلی
Linear Regulators
Charge Pumps
Switching Regulators
که هر کدام از این توپولوژی ها خودشان دارای زیر شاخه هایی میشوند.
ایراداتی که داخل متن دیدم :
1- رگولاتور lm7805 باک به حساب نمیاد
2- تعریف Synchronous درست نیست کلا چیز دیگست
3- Drop out مقداری از ولتاژ هست که توسط رگولاتور تلف میشه. این جمله درست نیست ولتاژ تلف نمیشه بلکه حداقل اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی که رگولاتور میتونه به درستی کارش رو انجام بده و اگر این اختلاف کمتر از مجاز بشه رگولاتور دیگه نمیتونه ولتاژ تثبیت شده بده
سلام وقت بخیر
ممنونم از مواردی که گفتید
در مورد مورد اول بحث باک به معنی کاهنده هست که در مورد صادقه و موردی نداره
مورد دوم پایین تر هم گفتم باید علت و نتیجه رو میگفتم که نگفتم
مورد سوم هم موارد اتلاف رو یه بررسی بکنید متوجه میشید
بررسی کنیم ببینم اطلاف با ولتاژ رابطش همون‌طور هست که شما گفتید یا نه
رگولاتوری داریم که ورودی ۱۲۰ ولت و ۱۱۰ میلی آمپر هست و خروجی هم ۲۰ ولت حدود ۶۰۰ میلی آمپر الان راندمان میشه ۱۶.۶ درصد ؟؟؟؟!!!! چرا دیتاشیت چیز دیگه میگه بریم یه رگولاتور معروف رو نگاه کنیم مثل lm2596 ورودی ۴۰ولت ۲۶۵ میلی آمپر خروجی ۱۰ ولت جریان ۱ آمپر پس توی این مورد هم راندمان میشه ۲۵ درصد هر چقدر فکر میکنم نمی‌دونم چرا همه شرکت های سازنده آنقدر اطلاعات غلط میدن تو هیچ دیتاشیت راندمان رو کمتر از ۷۰ درصد قید نکرده ولی حساب کتاب ما چیز دیگه داره میگه
سلام وقت بخیر
در این رابطه ان شا الله یه پست کامل و همچنین رفرنس های کافی میذارم که کامل متوجه موضوع بشین.
در مورد نکات دیتاشیت هم باید عرض کنم اون موارد مربوط به یک مثال خاصه و …
به نام خدا
به نظرم تعریفتون از Efficiency اشتباهه.
بازدهی یا Efficiency بر میگرده به تلفاتی که در قطعه اتفاق می افته . نسبت توان خروجی به ورودی رو میشه به عنوان Efficiency در نظر گرفت.
سلام وقت بخیر میگن یه بار یه ایرانی با یه عرب همراه شدن کسی بشون انگور تعارف کرد ایرانیه میگفت این انگوره عربه میگفت این عنبه!
دعواشون شد کسی اومد این دو رو دید گفت قضیه چیه؟
وقتی ماجرا رو فهمید به هر دوشون گفت حرفتون یکیه مدل گفتن تون فرق داره!
توان هم برابر ولتاز درجریانه و جریان با یه ضریب خطایی در ورودی و خروجی یکسانه پس میشه ولتاژ خروجی به ورودی
سلام. جریان در ورودی و خروجی رگولاتورهای سوییچنگ یکسان نیست.
دوستمون درست میگه توان با ولتاژ توی سوییچینگ ها خیلی متفاوت هست چون جریان ورودی با خروجی میتونه خیلی متفاوت باشه بهتره اصلاح بشه این مورد
سلام
در مورد اصطلاح سینکرونوس تا جاییکه میدونم نوع خاصی از رگولاتور های سوییچینگن که بجای دیود از ماسفت استفاده میکنن
سلام وقت بخیر
بله یه نوع از رگولاتورهای خطیه که به جای دیود از فت ها استفاده میشه و سرعت بالاتر داره و همچنین راندمان بهتر، این قسمت رو اگه یه ماهیت اون هم اشاره می کردم بهتر می بود.
حتما هر نقطه نظر دیگه ای هم که داشتید بگین
با تشکر
مطمین هستید که یه مدل رگولاتور خطی هستش ؟ تا جایی که میدونم رگولاتور های سوییچینگی هست که به جای دیود از ماسفت استفاده شده تا با سرعت بالاتر روشن شدن (به دلیل عدم نیاز به ریکاوری دیود و فرمان روشن شدن توسط کنترلر) و همچنین عدم افت ولتاژ روی ماسفت(بسیار ناچیز به دلیل مقاومت هدایت بسیار کم ) تلفات رو بشدت کم میکنند واسه نمونه میتونید رگولاتور باک بوست رو ببینید مثل tps55288 که باک و بوست هستش و از دوتا ماسفت اکسترنال و دو تا ماسفت داخلی استفاده میکنه
توی متن ایراداتی دیدیم الان فرصت نوشتنشون رو ندارم التبه دو موردش رو که تا الان دوستان گفتن
تشکر بابت مطالبی که به اشتراک گذاشتید .تغذیه قسمت مهمی از یک برد محسوب میشه و اکثرا در طراحی این قسمت مشکل دارن .
سلام وقت بخیر
خواهش میکنم
دقیقا به طور کلی تغذیه بورد قلب تپنده بورد محسوب میشه و رگولاتور هم یه جورایی رابط منبع تغذیه بورد و بورده که وظیفه مهمی رو داره، به همین جهت سعی کردم مطلب کاملی رو تو این زمینه آماده کنم.
خوشحال میشم بازم نظراتتون رو بدونم