Voltaj Regülatörü Nedir?
Otomobiller, dizüstü bilgisayarlar veya akıllı telefonlar gibi her elektronik cihazın dalgalanma voltajlarından korunmaya ihtiyacı vardır. Mikroişlemciler ve entegre devreler (IC'ler) gibi hassas bileşenlere sahip cihazların voltajlarındaki en ufak değişiklikler bile dikkatlice tasarlanmış devrelere zarar verebilir. Peki hassas bir bileşen koruma gerektirdiğinde ne yapabilir? Gerilimin girişten çıkışa kadar sabit ve düzgün çalışmasını sağlamak için bir regülatöre ihtiyacı vardır?
Genel Hatlarıyla Voltaj Regülatörleri
Elektronik komponentler dünyasında voltaj regülatörü en çok kullanılan elemanlardan biridir. Giriş voltajından bağımsız olarak her zaman tahmin edilebilir ve sabit çıkış voltajına sahip bir devre sağlar. Bir voltaj regülatörünün bu görevi nasıl başardığı sonuçta tasarımcıya bağlıdır. Bazı voltajlar daha basit bir Zener diyodu ile kontrol edilebilir, diğer uygulamalar ise gelişmiş bir lineer veya anahtarlama regülatörleri topolojisi gerektirir. Sonuç olarak her voltaj regülatörünün birincil ve ikincil amacı vardır:
Birincil Amaç: Giriş gerilimi koşullarındaki değişikliklere yanıt olarak bir devreden sabit bir çıkış voltajı oluşturmak. 9V'luk giriş olabilir, 5 V'luk bir çıkış olabilir.
İkincil Amaç: Voltaj regülatörleri, elektronik devrelerini olası hasarlardan korumak için de görev alır.
Devreye bir voltaj regülatörü eklemek söz konusu olduğunda, tipik olarak iki türden biriyle çalışılması gerekir: doğrusal voltaj regülatörleri veya anahtarlama voltaj regülatörleri. İkisinin de nasıl çalıştığını görelim.
Doğrusal (Lineer) Voltaj Düzenleyicileri
Bu tip regülatör, devrede bir voltaj bölücü görevi görür. Düşük güçte ve düşük maliyetli uygulamalar tasarlanırken sıkça kullanılan bir regülatör türüdür. Doğrusal regülatörle, değişken bir rezistör rolünü oynayan bir güç, transistöründen (BJT veya MOSFET) faydalanır; giriş kaynağı değiştikçe devrenin çıkış voltajını yükseltir ve düşürür.
Devreye ne tür bir yük yüklendiğine bakılmaksızın, doğrusal bir voltaj regülatörü sabit bir çıkış voltajı sağlamak için her zaman hızı koruyacaktır. Örneğin, LM7805 gibi bir 3-pinli doğrusal voltaj regülatörü, giriş voltajı 36 voltu aşmadığı sürece tutarlı, 5 volt 1 amp'lik bir çıkış sağlar.
Bu tip regülatörün olumsuz tarafı sonuçta nasıl çalıştığıyla ilgilidir. Gerilimi dengelemek için bir direnç gibi davrandığından, dirençli akımı ısıya dönüştürürken tonlarca enerjiyi boşa harcar. Bu nedenle doğrusal voltaj regülatörlerinin güç gereksinimlerinin düşük olduğu uygulamalar için idealdir, giriş ve çıkış voltajları arasındaki fark minimumdur. Bir lineer regülatörün nasıl yığıldığını görmek için iki farklı voltaj regülasyon durumunu karşılaştıralım:
1. Durum: Bir LM7805 ile 5 volta düşürülen 10 voltluk bir giriş kaynağıyla, 5 watt harcayacak yalnızca % 50 verimlilik elde edilebilir.
2. Durum: Aynı LM7805 regülatörü ve 5 volt'a düşürülmüş 7 voltluk bir giriş ile; sadece 2 watt harcayabilirr ve % 71 verim elde edilebilir.
Gördüğünüz gibi, başlangıç giriş gücü gereksinimleriniz ne kadar düşük olursa, doğrusal voltaj regülatörünüz o kadar verimli olur. Bu regülatörlerle kendi devrenizde çalışırken, genellikle bir seri veya şant olarak iki varyasyonla karşılaşırsınız.
Seri Voltaj Regülatörü
Bu geleneksel regülatör, yükle seri olarak zener diyot kontrollü transistöre sahiptir. Burada regülatör, sabit ve tutarlı bir çıkış voltajı sağlamak için değişken giriş voltajına bağlı olarak; yukarı ve aşağı rampa direnci olan değişken bir eleman (bu durumda transistör) olarak kullanılır.
Şönt Voltaj Regülatörü
Bu uygulama, bir seri voltaj regülatörüne benzer şekilde çalışır ancak seri olarak bağlanmaz. Sistemdeki tüm voltaj, enerji israf eden aynı değişken direnç işlemi ile toprağa gönderilir. En sık kullanılan şant düzenleyicileri şunlardır:
Hassas akım sınırlayıcıları
Voltaj izleme
Ayarlanabilir voltaj güç kaynakları
Hata yükselteçleri
Akım kaynağı ve lavabo devreleri
Düşük çıkış voltaj anahtarlama güç kaynakları
Genel olarak güç dönüşüm verimliliğinin ilk amaç olmadığı, düşük güç ve düşük maliyetli bir uygulama durumunda, ideal regülatör olarak doğrusal bir voltaj regülatörü tercih edilmesi gerekir.
Voltaj Regülatörlerinin Avantajları
Anahtarlama düzenleyicilerinden daha düşük elektromanyetik girişim ve gürültüye sahiptir.
Yük veya hat voltajlarındaki değişikliklere hızlı tepki süresi sunar.
Düşük güç uygulamaları için ideal, sabit ve tutarlı bir düşük çıkış voltajı sağlar.
Voltaj Regülatörlerinin Dezvantajları
Giriş ve çıkış voltajınız arasındaki fark yüksek ise verimsiz enerji tüketiminde neden olur.
Çoğu zaman boşa harcanan enerjiyi dağıtmak için bir soğutucu eklenmesi gerekir.
Girişinizden daha yüksek bir çıkış voltajı alma seçeneği bulunmaz.
Anahtarlama Voltaj Regülatörleri
Anahtarlama voltaj regülatörleri, giriş ve çıkış voltajları arasında büyük bir fark olduğunda, mükemmel işleve sahiptir. Anahtarlama regülatörlerinde voltajı ayarlamak için kontrollü bir anahtar kullanılır.
Bir anahtarlama regülatörü nasıl çalışır?
Bir giriş gerilimine sürekli olarak direnç göstermek ve bunu bir lavabo olarak toprağa göndermek yerine, regülatörler bunun yerine depolanır ve daha sonra geri beslemeyi temel alarak yükü daha küçük parçalar halinde çıkış gerilimine iletir. Bir çıkış voltajını anahtara geri besleyen regülatör, voltaj topaklarının çıkış zamanını artırması veya azaltması gerekip gerekmediğini sürekli olarak kontrol eder.
Anahtarlama regülatörü, depolanması daha fazla enerji gerektirdiğinde açılan ve istenen çıkış voltajındayken sönen bir transistör yardımıyla şarj seviyesini korur. Yine de bu açma/kapama anahtarlama işleminin bazı olumsuz yanları vardır. Anahtarlama regülatörü ne kadar hızlı değişirse iletkenden iletken olmayan bir duruma geçmek için o kadar fazla zaman harcar ve bu da dönüşüm verimliliğinde genel bir düşüşe yol açar. Ayrıca bir anahtarlama regülatörü, lineer bir voltaj regülatörüne göre çok daha fazla gürültüye sebep olur. Bununla birlikte, doğrusal voltaj regülatörlerinin aksine, anahtarlama regülatörleri mevcut uygulamalarda çok daha çeşitlidir. Bu düzenleyiciler gerilimi düşürmek veya arttırmakla kalmaz, aynı zamanda tersine çevirebilir.
Anahtarlama voltaj regülatörlerinin kullanıldığı durumlar:
Yükseltme (Step-Up)
Bu yöntem, giriş voltajını artırarak daha yüksek regüle edilmiş bir çıkış voltajı üretir.
Bucking (Aşağıya Doğru)
Bu yöntem, bir lineer regülatörün çalışma biçimine benzer şekilde, değişken bir giriş voltajına göre daha düşük regüle edilmiş çıkış voltajı üretir.
Yükseltme/Bucking (Inverter)
Bu yöntem, tasarımcıya gerektiğinde bir çıkış voltajını artırma, azaltma veya tersine çevirme yeteneği sağlar.
Anahtarlama Voltaj Regülatörlerinin Avantajları:
Doğrusal regülatörlerden çok daha yüksek bir güç dönüşüm verimliliği sağlar (%85+).
Sisteme bir soğutucu eklenmesini gerektirmez, alandan tasarruf sağlar.
Giriş ve çıkış gerilimleri arasında geniş bir aralıktaki güç uygulamalarını kolayca yönetebilir.
Anahtarlama Voltaj Regülatörlerinin Dezavantajları:
Doğrusal regülatörlerden daha fazla elektromanyetik girişim ve gürültü üretir.
Tasarımda daha fazla karmaşıklık ve ek bileşenler gerektirir.
Ek bileşenler genel proje maliyetlerinin artmasına neden. Düşük maliyetli veya bütçeli projeler için ideal değildir.
Kalıcı Basit - Zener Diyot
Bazı sistem tasarımcıları doğrusal veya anahtarlamalı voltaj regülatörlerinin karmaşıklığı ile uğraşmak istemez. Bu gibi durumda voltajı zener diyoduyla düzenlemek için daha basit bir çözüme başvurulur. Tek başına bu bileşen, hiçbir özel parçaya ihtiyaç duymadan ihtiyaç duyduğunuz tüm voltaj regülasyonunu sağlayabilir. Aynı zamanda zener diyot tüm aşırı voltajı toprağa atar.