گزارش کاراموزی بررسی تنظيم كننده هاي ولتاژ

گزارش کاراموزي بررسي تنظيم كننده هاي ولتاژ در 52 صفحه ورد قابل ويرايش


تنظيم كننده هاي ولتاژ

مقدمه :

در اكثر آزمايشگاههاي برق از منابع تغذيه براي تغذيه مدارهاي مختلف الكترونيكي آنالوگ و ديجيتال استفاده مي شود . تنظيم كننده هاي ولتاژ در اين سيستم ها نقش مهمي را برعهده دارند زيرا مقدار ولتاژ مورد نياز براي مدارها را بدون افت و خيز و تقريباً صاف فراهم مي كنند .

منابع تغذيه DC ، ولتاژ AC را ابتدا يكسو و سپس آن را از صافي مي گذرانند و از طرفي دامنه ولتاژ سينوسي برق شهر نيز كاملاً صاف نبوده و با افت و خيزهايي در حدود 10 تا 20 درصد باعث تغيير ولتاژ خروجي صافي
مي شود.

از قطعات مورد استفاده براي رگولاتورهاي ولتاژ مي توان قطعاتي از قبيل ، ترانسفورماتور ، ترانزيستور ، ديود ، ديودهاي زنر ، تريستور ، يا ترياك و يا آپ امپ (op Amp) و سلف (L) و خازن (C) و يا مقاومت (R) و يا ICهاي خاص را نام برد .



* عوامل موثر بر تنظيم ولتاژ :

عوامل مختلفي وجود دارند كه در تنظيم ولتاژ در يك تنظيم كننده موثرند از جمله اين عوامل را مي توان ، تغييرات سطح ولتاژ برق ، ريپل خروجي صافيها، تغييرات دما و نيز تغييرات جريان بار را نام برد .


الف)* تغييرات ولتاژ ورودي :

در تمامي وسايل الكترونيكي و يا سيستم هاي الكترونيكي و مكانيكي و غيره و در تمامي شاخه هاي علمي طراحان براي اينكه يك وسيله يا سيستم را با سيستم هاي مشابه مقايسه كنند معياري را در نظر مي گيرند كه اين معيار در همه جا ثابت است .

در يك تنظيم كننده معياري به نام تنظيم خط وجود دارد كه ميزان موفقيت يك تنظيم كننده ولتاژ در كاهش تغييرات ولتاژ ورودي را با اين معيار مي سنجند و به صورت زير تعريف مي كنيم :

فرمول (1ـ2)

كه در آن ، تغييرات ولتاژ ورودي ، تغييرات ولتاژ خروجي ، ولتاژ خروجي متوسط (DC) مي باشد .

ب)تغييرات ناشي از تغيير دما :

يكي ديگر از عاملهاي تعيين كننده در يك تنظيم كننده ولتاژ خوب تغييرات ناشي از دماست .

معياري كه تغييرات نسبي ولتاژ را برحسب دما بيان مي كند ضريب دماي تنظيم كننده نام دارد كه آن را با T.C نشان مي دهيم و بصورت زير تعريف مي شود :

(فرمول 2-2)

T.C = Temperature coefficient

در رابطه فوق ، تغييرات ولتاژ خروجي در اثر تغييرات دماي و مقدار متوسط (DC) ولتاژ خروجي است .

معمولاً TC برحسب (Parts - per - million) بيان مي شود و به صورت زير تعريف مي شود .

قسمتهاي مختلف يك تنظيم كننده

الف)ترانسفورماتور:

جريان متناوب با دامنه و بسامد ثابت ، منبع اوليه انرژي الكتريكي است ( در بسياري از كشورها و از جمله ايران و اروپا منبع سينوسي با ولتاژ موثر 220 ولت و فركانس 50 هرتز به كار مي رود و در ايالات متحده اين منبع سينوسي با ولتاژ موثر 110 تا 220 ولت وفركانس 60 هرتز مي باشد ) تقريباً همه مدارهاي الكترونيكي براي تضمين كاركرد مناسب به ولتاژهاي ثابت نياز دارند.

براي مثال ، بيشتر ريزكامپيوترها به منبع هاي 5 ولتي قادر به تأمين جريان A 100 نياز دارند . ديگر سيستمهاي سيگنال ـ پرداز اغلب به منبع هاي 12 و 15 ولتي نياز دارند كه در آنها جريان حاصل با شرايط بار تغيير مي كند به علاوه بيشتر محركهاي موتور و سيستمهاي كنترل به منبع هاي dcيي نياز دارند كه سطوح ولتاژ آنها را مي توان براي برآوردن شرايط كار مطلوب تنظيم كرد .

وظيفه ترانسفورماتور ، تنظيم سطح ac به گونه اي است كه دامنه dc مناسب بدست آيد كه ترانسفورمر مي تواند از نوع افزاينده يا كاهنده باشد و ظرفيت تواني كه مي تواند جابجا كند بايد براي تغذيه بار كافي باشد و اتلافهاي يكسوساز ، پالايه و تنظيم كننده را تأمين كند . نسبت دورها ، از دامنه خروجي لازم نسبت به دامنه ورودي ac بدست مي آيد .


ب)يكسوسازها

بعد از ترانسفورماتور ، در يك منبع تغذيه ، يكسو كننده وجود دارد . وظيفه يكسوكننده تبديل ولتاژ سينوسي به سيگنال dc پالسي است .


مباحث كلي درباره فيلتر

يك مدار يكسوساز براي تبديل سيگنالي با مقدار متوسط صفر به مقدار متوسط غيرصفر مورد نياز است . البته ، ولتاژ dc ضربان دار بدست آمده ، كاملاً dc نيست و حتي نمونه قابل قبولي از آن نمي باشد . اگرچه در مداري نظير يك شارژ باطري ، ضربان دار بودن مشكل بزرگي نيست ، با اين وجود ، براي مدارات منبع تغذيه يك راديو ، ضبط صوت ، كامپيوتر و ديگر دستگاههاي الكترونيك ضربان با فركانس 50 سيكل روي ولتاژ dc خروجي ظاهر مي شود و در اثر آن كار كليه مدارت نادرست انجام مي گيرد . در چنين موردي و موارد گوناگون ديگر dc بدست آمده بايستي صاف تر از ولتاژي باشد كه مستقيماً از يكسوساز نيم موج يا تمام موج بدست مي آيد .


فيلتر رگولاسيون ولتاژ و ولتاژ موجك

قبل از ورود به جزئيات مدار فيلتر ، بايستي روش متداول ارزيابي مداري كه اثر آن را به عنوان يك فيلتر مورد مقايسه قرار مي دهيم بدقت ملاحظه شود . اگرچه باطري علي الاصول داراي ولتاژ خروجي dc يا پيوسته است ، ولتاژ بدست آمده از منبع ac با يكسوسازي و فيلتر كردن ، داراي مقداري ريپل يا موجك خواهد شد .هر اندازه تغييرات ac نسبت به سطح dc كمتر باشد ، عمل فيلتر بهتر صورت گرفته است .

فرض كنيد ولتاژ مدار فيلتر را با يك ولتمتر dc و يك ولتمتر ac اندازه گيري كنيم . در آن صورت ولتمتر dc تنها مقدار متوسط يا سطح dc ولتاژ خروجي را نشان خواهد داد و ولتمتر ac فقط مولفه rms ولتاژ ac را اندازه گيري خواهد كرد (با فرض اينكه سيگنال از طريق يك خازن به ولتمتر اخيرالذكر منتقل شود) .

تعريف : موجك يا ريپل

مثال : براي اندازه گيري سيگنال خروجي يك مدار فيلتر ، با استفاده از يك ولتمتر dc و ac ، ولتاژ dc برابر 25V و ولتاژ موجك (1.5 V) ولت (مؤثر) بدست آمده است . موجك خروجي فيلتر را حساب كنيد .

اگر اندازه ولتاژ در بار كامل درست به اندازه ولتاژ در بي باري باشد ، رگولاسيون ولتاژ يا تنظيم بار محاسبه شده 0% است كه بهترين صورت ممكن مي باشد . اين به آن معني است كه منبع ولتاژ مستقل از جريان كشيده شده عمل مي كند و داراي ولتاژ ثابتي است . ولتاژ خروجي اغلب منابع تغذيه با كشيده شدن جريان كاهش مي يابد . كاهش كمتر ولتاژ به معني كار بهتر مدار منبع تغذيه است .


* تنظيم كننده هاي ولتاژ ساده :

تنظيم كننده هاي ولتاژ ساده تنظيم كننده هايي هستند كه از يك ديود زنر براي ثابت نگه داشتن ولتاژ استفاده مي شود يعني عنصر تنظيم كننده ولتاژ همان ديود زنر است . در طراحي مدار يك تنظيم كننده ساده برحسب وضعيت ولتاژ و جريان مورد نظر تنظيم كننده را بصورت موازي و يا سري با مقاومت بار (خروجي) قرار مي دهند . حالت اول را تنظيم كننده موازي و حالت دوم را تنظيم كننده سري مي نامند . در مدار سري جريان خروجي تنظيم كننده از مقاومت بار مي گذرد در حالي كه در وضعيت موازي تنظيم كننده موازي با بار قرار دارد و فقط بخشي از جريان ورودي از آن عبور مي كند . معمولاً از تنظيم كننده موازي در مواردي كه با ولتاژهاي متوسط و يا كم و نيز جريان هاي زياد و بار نسبتاً ثابت سروكار داريم استفاده مي شود زيرا در اين صورت نياز به ديود زنر با ولتاژ و جريان خيلي زياد نخواهيم داشت . در مواردي كه ولتاژ مورد نظر زياد است و جريان بار كم و يا متوسط بوده و يا به علت تغيير مقاومت بار متغير است تنظيم كننده سري مناسب تر است .

الف ) تنظيم كننده موازي

ب ) تنظيم كننده سري

ج ) يك تنظيم كننده ساده با ديود زنر

قسمت سمت چپ مقاومت Rl را با مدار معادل تونن جايگزين مي نماييم . توجه كنيم كه با ديود زنر بصورت يك منبع ولتاژ كه با مقاومت rz سري است برخورد مي نماييم .


محدوديت تنظيم كننده ساده :

در يك تنظيم كننده ولتاژ است اگر چه تغييرات ولتاژ ورودي ناچيز است ولي جريان بار ثابت نمي باشد . تغييرات جريان بار بايد همگي توسط ديود زنر تحمل شود لذا در مواردي كه تغييرات جريان بار زياد باشد استفاده از يك ديود زنري با بزرگ و در نتيجه Pz ,max بزرگ ضرورت دارد و استفاده از يك ديود زنر با Iz , max بزرگ موجب مي شود كه هنگام بي باري تمامي جريان از ديود زنر عبور كرده و تلفات حرارتي آن زياد شود . اين امر باعث كاهش عمر ديود زنر و همچنين كاهش بازده تنظيم كننده مي شود براي رفع اين اشكال مي توان با اضافه نمودن يك طبقه اميتو فالوئر در خروجي مدار تغييرات جريان را تقويت نمود همان طور كه مي بينيم در اين حالت ولتاژ خروجي به اندازه VBE( oN) تراتوسيتور از كمترخواهد بود .

تنظيم كننده هاي ولتاژ پيشرفته :

مدار ولتاژ مرجع :

ساده ترين مدار ولتاژ مرجع از يك ديود زنر تشكيل مي شود اين عنصر با تغيير جريان خود ولتاژ دو سرش را تقريباْ ثابت نگه مي دارد . ولتاژ شكست ديود زنر ، علاوه بر تغيير با جريان تابع دما نيز مي باشد تغييرات ضريب دماي ( T C ) بر حسب ولتاژ شكست و جريان ديود زنر نشان داده شده است . بر اساس بررسيهاي انجام شده ، پايدارترين ديود زنرها داراي ولتاژ شكست حدود 6 ولت مي باشند در صورتي كه دستيابي به يك ولتاژ مرجع پايدار مورد نظر بوده و ولتاژ آن چندان مهم نباشد ، بهتر است از يك ديود زنر 6/5 ولت سري شده با يك ديود سيليكن معمولي در باياس مستقيم استفاده شود . در اين ولتاژ ضريب دماي ثبت ديود زنر ضريب دماي ديود معمولي را خنثي مي كند . با تغيير جريان ديود زنر مي توان تا اندازه اي ضريب دماي ديود را تنظيم نمود بعضي ديود زنرها بطور داخلي با يك ديود معمولي سري نشده و در واقع تغييرات حرارتي آنها جبران شده است . از زمره اين ديود زنرهاي سري21 Nn 1 را مي توان نام بردكه با ولتاژ شكست 2/6 ولت داراي ضريب دمايي بين ppm /c 5 ديود (21 Nn 1 ) تا ppm /c 100 ( 29 Nn 1 ) مي باشند . ديودهاي 940 N 1 و 946 N 1 با ولتاژهاي 9 و 7 /11 ولت داراي ضريب دماي ppm /c 2 مي باشند كه به راحتي با سري شدن با يك ديود معمولي قابل جبران هستند . ديود زنرهاي موجود در بازار عموماْ ولتاژهاي شكستي بين 5/2 تا 200 ولت دارند با توان نامي چند دهم تا 50 وات در مواردي كه به ولتاژهاي مرجع كوچكتر نياز است از سري كردن ديودهاي معمولي و يا از ديودهايLED با رنگهاي مختلف استفاده مي شود . براي بهبود عملكرد مدار ولتاژ مرجع مي توان از 2 ديود زنر استفاده نمود . در اين مدار از ميزان اثر تغييرات ورودي در جريان ديود زنر دوم تا حد زيادي كاسته شده است . يك راه اساس تر اين است كه ديود زنر توسط يك منبع جريان ثابت تغذيه شود . ديود زنر ولتاژ بيش 1Q ثابت نگه داشته و در نتيجه باعث ماندن جريان عبوري از ديود زنر مرجع يعني 2D مي شود . براي بهبود بيشتر عملكرد اين مدار سعي مي شود كه از طريق يك تراترسيتور ديگر ( 2Q) جريان 1D نيز ثابت نگه داشته شود .