تحلیل خازن های ورودی و خروجی و دیود های محافظ مورد نیاز در مدار های رگولاتور LM317

در این مقاله به بررسی و تحلیل خازن های مورد نیاز در ورودی و خروچی رگولاتور LM317 می پردازیم. همچنین تعدادی از نمودار های اشاره شده در دیتاشیت های LM317 را تحلیل می کنیم. در انتها به یک تحلیل مختصر از دیود های محافظ مورد نیاز در LM317 می پردازیم.

مدار زیر را در نظر میگیریم:

مدار رگولاتور قابل تنظیم با در نظر گرفتن خازن ها و دیود های مورد نیاز

در حالت عادی اضافه کردن خازن در ورودی و خروجی رگولاتور لازم نیست. البته اضافه کردن خازن در ورودی رگولاتور در حالتیکه فیلتر منبع تغذیه DC ورودی، دور از رگولاتور باشد، توضیح میشود. همچنین اضافه کردن خازن در خروجی رگولاتور باعث بهبود پاسخ زمانی خروجی میشود، از طرفی این خازن باعث بهبود کاهش ریپل خروجی میشود.

بوسیلة بای پس کردن پایه ADJUST با یک خازن، به ضریب کاهش ریپل بهتری می رسیم. در ادامه در مورد انتخاب این خازن ها توضیح داده میشود.

انتخاب خازن ورودی

بطور کلی اضافه کردن یک خازن در ورودی رگولاتور توصیه می شود. یک خازن عدسی 0.1 میکروفاراد یا خازن تانتالیم جامد 1 میکروفاراد در ورودی برای کلیه کاربردها مناسب است.

انتخاب خازن برای پایه ADJUST

اضافه کردن یک خازن در پایه ADJUST به زمین، باعث افزایش ضریب حذف ریپل میشود.

بهترین خازنی که توصیه می شود استفاده کرد، خازن تانتالیم جامد است، چرا که این خازن ها حتی در فرکانس های بالا نیز دارای امپدانس کمی می باشند. بنابراین بسته به این که چه نوع خازنی استفاده می شود، ممکن است ظرفیت خازن تفاوت پیدا کند.(می دانیم که خازن در عمل عنصر ایده آل نیست و یک مقاومت سری(ESR) و یک سلف سری(ESL) با آن همراه هستند. در فرکانس های بالا باید خازنی انتخاب کنیم که ESL پایینی داشته باشند که اثر سلفی بر اثر خازنی غلبه پیدا نکند). مثلا یک خازن الکترولیتی(آلومینیوم) 25 میکروفاراد در فرکانس بالا مانند یک خازن 1 میکروفاراد تانتالیم جامد عمل میکند. خازن های سرامیک هم در فرکانس های بالا خوب عمل میکنند، اما عموما این خازن ها در فرکانس های بالای 0.5 مگاهرتز، کاهش زیادی در ظرفیتشان صورت می گیرد.

اکنون تاثیر قرار دادن یک خازن 10 میکروفاراد را با استفاده از نمودار های زیر مشاهده می کنیم:

حالت ۱) ورودی ثابت و خروجی متغیر، فرکانس ۱۲۰ هرتز، دمای اتاق

افزایش ضریب کاهش ریپل در حضور خازن ۱۰ میکروفاراد به ازای ولتاژ ورودی ثابت و ولتاژ خروجی متغیر

با توجه به منحنی بالا، اضافه کردن خازن ۱۰ میکروفارادی، حداقل ۵ و حداکثر ۲۵ دسی بل توانسته است ضریب کاهش ریپل را افزایش دهد.

حالت ۲) بررسی در فرکانس های مختلف

افزایش ضریب کاهش ریپل در حضور خازن ۱۰ میکروفاراد به ازای فرکانس در بازه ۱۰ هرتز الی ۱ مگاهرتز

با توجه به منحنی بالا، در اکثر فرکانس ها ضریب کاهش ریپل، افزایش 20 دسی بلی داشته است.

حالت ۳) بررسی به ازای جریان های خروجی در بازه 10 میلی آمپر الی 1.5 آمپر

افزایش ضریب کاهش ریپل در حضور خازن ۱۰ میکروفاراد به ازای جریان های خروجی در بازه ۱۰ میلی آمپر الی ۱.۵ آمپر

با توجه به منحنی بالا، ضریب کاهش ریپل تقریبا در همه جریان ها تقریبا 12 دسی بل بهبود داشته است.

حالت ۴) بررسی امپدانس خروجی به ازای فرکانس های مختلف

کاهش امپدانس خروجی مدار در حضور خازن ۱۰ میکروفاراد به ازای فرکانس ۱۰ هرتز الی ۱ مگاهرتز

به طور کلی از یک سیستم الکترونیکی تمایل داریم امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی کمی داشته باشد. با قرار دادن خازن ۱۰ میکروفاراد، امپدانس خروجی در بیشتر فرکانس ها ۱۰ برابر میشود.

انتخاب خازن خروجی

اگر چه LM317 بدون خازن خروجی نیز پایدار است(مانند هر سیستم فیدبک دار)، اما بعضی مقادیر خازن های خارجی ممکن است باعث نوسان بشوند، مثلا مقادیر 500 پیکوفاراد تا 5000 پیکوفاراد باعث این نوسان می شوند. قرار دادن یک خازن تانتالیم 1 میکروفاراد یا خازن 25 میکروفاراد الکترولیتی آلومینیوم در خروجی برای جلوگیری از نوسان توصیه می شود. استفاده کردن از خازن خروجی باعث کاهش امپدانس خروجی و بهتر شدن پاسخ زمانی خروجی رگولاتور نیز می شود.

تحلیل دیود های محافظ

زمانیکه خازن های خارجی در مدار رگولاتور استفاده می شود، لازم است جهت جلوگیری از تخلیه این خازن ها در ورودی یا خروجی های رگولاتور، اقدامی انجام دهیم.

بعنوان مثال، با اتصال کوتاه شدن یک خازن ۱۰ میکروفاراد، با توجه به اینکه مقاومت ESR کم آن، یک جریان پالسی در حدود 20 آمپر تولید می شود که این می تواند باعث صدمه زدن به IC رگولاتور می شود.

زمانیکه یک خازن خروجی در رگولاتور استفاده شده است و ورودی اتصال کوتاه می شود،  خازن خروجی میتواند در خروجی رگولاتور تخلیه شود. جریان دشارژ بستگی به مقدار خازن، ولتاژ خروجی و شیب کاهش ولتاژ V_in دارد.

باید دقت کرد بعنوان مثال در رگولاتور LM17 این مسیر دشارژ از طریق یک اتصال بزرگ(large junction) صورت میگیرد که قادر است بطور لحظه ای یک جریان 15 آمپر را تحمل کند. این مطلب لزوما برای دیگر رگولاتور ها صحیح نیست. بنابراین برای خازن های 25 میکروفاراد یا کمتر از آن لازم نیست از محافظی استفاده شود. اما برای باقی مقادیر خازن ها، در صورت اتصال کوتاه شدن ورودی، خازن C_۱ از طریق دیود D_۱ دشارژ می شود.

در صورتیکه خروجی یا ورودی اتصال کوتاه شوند، خازن C_۲ میتواند از طریف یک مسیر کم جریان تخلیه شود. بعنوان مثال در LM117 بطور داخلی یک مقاومت 50 اهم پیک جریان را محدود می کند. بنابراین برای ولتاژ کمتر از 25 ولت یا خازن های کمتر از 10 میکروفاراد، احتیاجی به مدار محافظ نمیباشد. اما یک دیود محافظ D_۲ برای سایر حالات مورد نیاز است.