رگولاتور چیست و چه کاربردی دارد؟

رگولاتور چیست

کلمه رگولاتور (regulator) از فعل (regulate) به معنای تنظیم کردن گرفته شده و خود واژه رگولاتور به معنای تنظیم کننده است. رگولاتور ولتاژ قطعه‌ای است که در ساخت مدارات الکترونیکی کاربرد‌های فراوانی دارد، در حقیقت رگولاتور‌های الکترونیکی، نوعی از نیمه رسانا‌ها هستند که برای تنظیم ولتاژ طراحی شده اند. در مدار های الکتریکی وظیفه تامین انرژی مورد نیاز مدارات الکتریکی به عهده منابع تغذیه می باشد. برق مورد نیاز مدارات الکتریکی از نوع برق DC است که توسط منابع تغذیه از برق شهر که از نوع AC است، تبدیل می شود. اما تبدیل این برق از AC به DC همواره کاملا ایده آل نبوده و کمی نویز در خروجی های آن مشاهده می شود. همچنین برق AC نیز یک مقدار ثابت نبوده و دارای اختلاف نوسان می باشد. برای ثابت کردن ولتاژ ورودی در مدارات الکترونیکی از وسیله ای به نام تنظیم کننده ولتاژ و یا رگولاتور ها ی استفاده می شود که در ادامه مطلب به صورت کامل توضیح خواهیم داد.معمولا دستگاه هایی که نیروی آن ها به طور مستقیم با برق AC  تامین می شود (مانند موتور ها)، می توانند تا مقدار معینی نوسان را تحمل کنند. اما در مدارات الکترونیکی این نوسان بیشتر از ۱ درصد نمی تواند باشد واگر نه به سیستم صدماتی وارد می شود. برای ثابت کردن ولتاژ ورودی در مدارات الکترونیکی از وسیله ای به نام تنظیم کننده ولتاژ و یا تنظیم کننده ولتاژ استفاده می شود.

ولتاژ رگولاتور یک قطعه الکترونیکی می باشد که از آن برای تثبیت ولتاژ ورودی در یک ولتاژ مشخص و مورد نیاز مدار، استفاده می شود. از این قطعه برای تبدیل ولتاژ ورودی به ولتاژ های مورد نیاز مدار نیز استفاده می شود. به طور مثال اگر ولتاژ خروجی منبع تغذیه شما ۱۲ ولت باشد و شما برای تامین برق مدار خود نیاز به برق ۵ ولت دارید، باید از یک ولتاژ رگولاتور جهت تبدیل این ولتاژ استفاده نمایید.

تنظیم ولتاژ در رگولاتور ها با کمک مدارات فیدبک صورت می گیرد که این می تواند مانند یک دیود زنر ساده باشد و یا فیدبک های پیچیده تر با بازده و عملکردی بالاتر باشد. در مداراتی با فیدبک های پیچیده می شود ولتاژ ورودی را حتی ارتقا داد.

ولتاژ رگولاتور ها در وسایل مختلفی از جمله کامپیوتر ها ، مولد جریان متناوب و مدارهای الکتریکی دیگر استفاده می شود.

یک ولتاژ رگولاتور مناسب دارای مدارهای اضافی برای محافظت از خود مانند مداراتی همچون مدار اتصال کوتاه ، محدود کننده جریان ، خاموش شدن بر اثر حرارت بالا و محافظت در برابر ولتاژ های بالا ، دارا می باشد. همچنین ریپل های ولتاژ AC را حذف می کند.

رگولاتور‌ها در یک دسته بندی کلی از نظر نوع خروجی به ۳ بخش زیر تقسیم می‌شوند

۱ – رگولاتور‌های ولتاژ خروجی ثابت مثبت: که خروجی ان‌ها یک عدد ثابت و غیر قابل تغییر + می‌باشد که نام گذاری آن‌ها نیز به صورت ۷۸XX یا L۷۸XX یا M۷۸XX می‌باشد.۲ رقم سمت راست که به صورت XX نشان داده شده نشان دهنده ولتاژ خروجی است. مثلاً ولتاژ خروجی رگولاتور ۷۸۰۵، ۵ ولت می‌باشد و همچنین L. یا M. هم نشان دهنده حداکثر جریان دهی آن است

۲ – رگولاتور‌های ولتاژ خروجی ثابت منفی: که خروجی آن‌ها یک عدد ثابت منفی و غیر قابل تغییر – می‌باشد که نامگذاری ان‌ها به صورت ۷۹XX می‌باشد.

۳ – رگولاتور‌های ولتاژ خروجی متغیر: به وسیله این رگولاتور‌ها می‌توان ولتاژ خروجی را کنترل کرد. معروف‌ترین و پر کاربردترین نوع خروجی + آن‌ها LM۳۱۷ و LM۱۳۸ و LM۳۳۸ و خروجی – آن‌ها LM۳۳۷ می‌باشد. این قطعه برای راه اندازی نیاز به یک مدار جانبی مختصر دارد. رگولاتور با ولتاژ خروجی متغیر یه دسته از رگولاتور ها هستن که خروجیشون بسته به مدار واسطی که توی دیتاشیتشون اومده تغییر میکنه. یعنی مثلا اگه شما یه مقاومت 10 کیلو با یه خازن 100 نانو بذارید سر راهش یه ولتاژ ثابت توی خروجی به ما میده و اگه یه مقاوت 2.2 کیلو و یه خازن 10 پیکو بذارید سر راهش یه خروجی ثابت دیگه به ما میده.

برخی از رنج های متداول آی سی های رگولاتور:

تیپ مثبت:7805 – 7806 – 7808 – 7809 – 7810 – 7812 – 7815 – 7818 – 7824 -…

تیپ منفی: 7905 – 7906 – 7908 – 7912 – 7915 – 7924 - …

این رگولاتور‌ها ۳ پایه دارند. مثبت +، خروجی، زمین یا – (قطب – منبع تغذیه را زمین نیز می‌گوییم (Gnd))

رگولاتور ها دو تا مزیت خیلی مهم دارند

1_مزیت اول این است که در خروجی به ما یک ولتاژ ثابت میده که باعث میشود به المان های مداری ما آسیبی نرسد. اگه خروجی آداپتورها رو بگیرید همشون یه مقدار اختلاف با ولتاژ نامی خود دارند اما زمانی سر یه آداپتور یه رگولاتور میذاریم اون موقع دیگه خروجی به مقدار بسیار خوبی ثابت هست مثلا برای رگولاتور ۷۸۰۵ که خروجیش ۵ ولت هست اگه ولت متر رو توی خروجی رگولاتور بذارید ولت متر به شما عدد ۵.۰۱ رو نشون میده و شاید حتی ۵.۰۰ پس میبینید که چقدر رگولاتور خروجی پایداری دارد.

2_مزیت دوم هم مربوط میشه به ولتاژ های مختلف در یک مدار، فرض کنید که شما یک مدار دارید که یه میکروکنترلر دارید که با ۵ ولت کار میکند و یه موتور هم دارید که با ۱۲ ولت کار میکند و اون وسط یه سنسور هم دارید که با ۳.۳ ولت کار میکند. خوب اینجاست که رگولاتور خودش را نشان میدهد. ما یک منبع تغذیه ورودی داریم(مثلا ۱۵ ولت) که ان را به مدار میدهیم و سر راه هر کدام از المان هایی که با ولتاژ های مختلفی کار میکنند یک رگولاتور میذاریم تا ولتاژ مدنظرش تامین بشود. در اینصورت برای تغذیه المان هایمان به چندتا منبع تغذیه احتیاج نداریم و با چند عدد رگولاتور کل منابع تغذیه مدارمون رو تامین کردیم.

2 نکته مهم درمورد رگولاتورها

1.ورودی رگولاتور های سری منفی حتما منفی است یعنی شما نمیتونید به یک رگولاتور 7912 یک ولتاژ ورودی 15 ولت بدهید و انتظار داشته باشید که به شما  منفی 12 ولت بدهد شما حتما باید یک ولتاژ منفی بدهید تا به شما خروجی منفی 12 ولت بدهد.

2.اگه دقت کنید ولتاژ ورودی رگولاتورها یک مقداری از ولتاژ خروجیشون بیشتر باید باشد یعنی به عنوان مثال اگر به یک رگولاتور 7805 ولتاژ 3 ولت بدهید طبیعی است که خروجی به شما 5 ولت نمیدهد ولی اگر حتی 5 یا 6 ولت هم به آن بدهید باز به شما 5 ولت نمیدهد و خروجی آن چیزی حدود 4 تا 4.5 ولت است که علت آن هم تلفات ترانزیستوری است که در رگولاتور اتفاق میفتد.

انواع رگولاتور های ولتاژ

رگولاتور های ولتاژ متنوعی از مدل های ارزان قیمت تا مدل هایی با بازده بالا و همچنین بسته به نیاز ما وجود دارد. به طور کلی می توان ولتاژ رگولاتور ها را به دو دسته خطی و کلیدزنی دسته بندی کرد.

ولتاژ رگولاتور های خطی

یکی از ساده ترین راه ها برای داشتن یک ولتاژ ثابت و مشخص ، استفاده از رگولاتور ها ی خطی می باشد. ارزان قیمت ترین و ساده ترین نوع رگولاتور ها، رگولاتور های خطی هستند. رگولاتور های خطی برای استفاده در توان های پایین و مدارات کم هزینه و در شرایطی که اختلاف بین ورودی و خروجی کم می باشد، بهترین گزینه می باشد.

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.

از پرکاربرد ترین رگولاتور های خطی می توان به خانواده LM78xx اشاره کرد.

رگولاتور های سوئیچینگ

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.

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.

ولتاژ رگولاتور های خطی خانواده ۷۸xx

ولتاژ خروجی این تنظیم کننده مثبت 5 ولت است. این تنظیم کننده هیچ مزیتی نسبت به سایر تنظیم کننده ها ندارد. حالا داستان او بسیار متفاوت و مشهور است. دلیل این امر این است که اکثر مدارهایی که با آنها کار می کنیم به پنج ولت ثابت هستند، نمونه بارز میکروکنترلر AVR است که در کل با 5 ولت کار می کند. و البته، بسیاری از مدارهای ما هنوز با همان میکروکنترلر هستند. یا بیشتر سنسورهای ما مانند سنسور التراسونیک SRF05 هستند.

جالب است بدانید که ولتاژ خروجی رگولاتورهای سری 78 با توجه به دو رقم آخر آن مشخص می شود.برای مثال رگولاتور 7824 ولتاژ از یک خروجی 24 ولتی و رگولاتور 7812 از یک خروجی 12 ولتی برخوردار است.سری 78 رگولاتور ولتاژ نوعی می باشد که ولتاژ خروجی آن مثبت و ثابت است و در برابر آن سری 79 می باشد. ولتاژ خروجی سری 79 منفی و ثابت است و در واقع ولتاژ خروجی رگولاتور 7905 منفی 5 ولت است.

نکته ای که اینجا وجود دارد اینه که حداکثر جریان خروجی این رگولاتور 0.5 آمپر است و اگه شما بیشتر از آن جریان بکشید ممکن است رگولاتور بسوزد. اما اگر بخواهیم جریان بیشتری بکشیم باید چکار کنیم ؟

چند راه وجود دارد:

_ اول این که میتوانید به جای این رگولاتور از رگولاتورهای دیگر استفاده کنید که جریان خروجی بیشتری به شما میدهند. مثل LM2576 (البته این رگولاتور یک رگولاتور جریان متغیر است.)

_دوم این که از رگولاتور قابلمه ای همان سری استفاده کنید..رگولاتور قابلمه ای یک رگولاتور هست که در شکل زیر آورده شده است و جریان خروجی آن 3 آمپر است.

تنها نکته ای که درمورد این رگولاتور وجود داره اینه که بدنه آن باید به زمین وصل شود که میتونید از همان دو تا سوراخی که برای پیچ کردن استفاده میشود ، استفاده کنید و با پیچ آن رو به زمین وصل کنید.

چند نکته در مورد تفاوت های رگولاتور ها با ماسفت ها وجود دارد

معمولا رگولاتورها در دو گوشه آن دارای دو بریدگی هستند در حالی که ترانزیستورها این دو بریدگی را ندارند و به صورت مستطیلی هستند. البته این موضوع خیلی دقیق نیست و هستند رگولاتورهای که گوشه آنها مستطیلی است ولی اگر در یک قطعه گوشه ها دارای بریدگی بودند به احتمال فراوان آن قطعه رگولاتور است.

رگولاتورهایی که ما با آن سر و کار داریم دارای تنوع زیادی نیستند و بهتر است نام آنها را حفظ باشیم. سری های پرکاربرد مثل ۷۸xx ( به عنوان مثال ۷۸۰۵ و ۷۸۰۹ , ۷۸۱۲ و …) و همچنین رگولاتور LF33 و AMS1117 بیشترین کاربرد را دارند که اگر نام آنها را حفظ باشیم به راحتی میتوانیم آنها را از ماسفت ها تشخیص دهیم.

در صورتی که با دو روش بالا نتوانستید رگولاتور را از ماسفت تشخیص دهید میتوانید نام آن را در اینترنت سرچ کرده و به راحتی رگولاتور یا ماسفت بودن آن را تشخیص دهید.