Regulatory napięcia są wspólną cechą w wielu obwodach, aby zapewnić stałe, stabilne napięcie dostarczane do czułych układów elektronicznych. Sposób działania jest typowy dla wielu obwodów analogowych, rozsądne i eleganckie wykorzystanie sprzężenia zwrotnego w celu dostosowania wyjścia do pożądanego poziomu.
Przegląd regulatora napięcia
Gdy potrzebne jest stabilne, niezawodne napięcie, regulatory napięcia są komponentami do włączenia. Regulatory napięcia pobierają napięcie wejściowe i wytwarzają regulowane napięcie wyjściowe niezależnie od napięcia wejściowego przy stałym poziomie napięcia lub z regulowanym poziomem napięcia (poprzez wybór odpowiednich zewnętrznych komponentów). Ta automatyczna regulacja poziomu napięcia wyjściowego jest obsługiwana przez różne techniki sprzężenia zwrotnego, niektóre tak proste, jak dioda Zenera, podczas gdy inne zawierają złożone topologie sprzężenia zwrotnego, które mogą poprawić wydajność, niezawodność, wydajność i dodać inne funkcje, takie jak zwiększenie napięcia wyjściowego powyżej napięcia wejściowego do regulator napięcia.
Jak pracują liniowe regulatory napięcia
Utrzymanie stałego napięcia o nieznanym i potencjalnie hałaśliwym (lub gorszym) wejściu wymaga sygnału sprzężenia zwrotnego, aby dowiedzieć się, jakie zmiany należy wprowadzić. Regulatory liniowe wykorzystują tranzystor mocy (BJT lub MOSFET w zależności od zastosowanego komponentu) jako rezystor zmienny, który zachowuje się jak pierwsza połowa sieci dzielnika napięcia. Wyjście dzielnika napięcia jest wykorzystywane jako sprzężenie zwrotne, aby odpowiednio sterować tranzystorem mocy, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe. Niestety, ponieważ tranzystor zachowuje się jak rezystor, marnuje dużo energii, przekształcając go w ciepło, często dużo ciepła. Ponieważ całkowita moc przekształcona na ciepło jest równa spadkowi napięcia między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym razy dostarczonego prądu, rozproszona moc może być często bardzo wysoka i wymaga dobrych radiatorów.
Alternatywną postacią regulatora liniowego jest regulator bocznikowy, taki jak dioda Zenera. Zamiast działać jako zmienna rezystancja szeregowa, jak robi to typowy regulator liniowy, regulator bocznikowy zapewnia ścieżkę do ziemi, przez którą przepływa nadmiarowe napięcie (i prąd). Niestety, ten typ regulatora jest często jeszcze mniej wydajny niż typowy regulator liniowy serii i jest praktyczny tylko wtedy, gdy potrzebna jest bardzo mała moc i dostarczona.
Jak działają przełączniki regulacji napięcia
Regulator napięcia przełączającego działa na zupełnie innej zasadzie niż liniowe regulatory napięcia. Zamiast działać jako ujście napięcia lub prądu, aby zapewnić stałą wydajność, regulator przełączający przechowuje energię na określonym poziomie i wykorzystuje sprzężenie zwrotne, aby zapewnić utrzymanie poziomu naładowania przy minimalnym tętnieniu napięcia. Ta technika pozwala regulatorowi przełączającemu być znacznie bardziej wydajnym niż regulator liniowy przez całkowite włączenie tranzystora (przy minimalnej rezystancji) tylko wtedy, gdy obwód magazynowania energii potrzebuje energii. Zmniejsza to całkowitą moc zmarnowaną w systemie do rezystancji tranzystora podczas przełączania, gdy przechodzi od przewodzenia (bardzo niski opór) do nieprzewodzącego (bardzo wysoka rezystancja) i innych małych strat obwodu.
Im szybciej przełącza się regulator przełączający, tym mniejsza zdolność magazynowania energii potrzebuje do utrzymania pożądanego napięcia wyjściowego, co oznacza, że można stosować mniejsze komponenty. Jednak kosztem szybszego przełączania jest utrata wydajności, ponieważ więcej czasu spędza się przechodząc między stanami przewodzenia i nie przewodzenia, co oznacza, że więcej energii jest tracone z powodu rezystancyjnego ogrzewania.
Innym skutkiem ubocznym szybszego przełączania jest wzrost poziomu hałasu generowanego przez regulator przełączający. Korzystając z różnych technik przełączania, regulator przełączający może obniżyć napięcie wejściowe (topologia buck), zwiększyć napięcie (topologia boost) lub zmniejszyć lub podnieść napięcie (buck-doładowanie) w razie potrzeby utrzymać pożądane napięcie wyjściowe co sprawia, że regulatory przełączające są doskonałym wyborem dla wielu aplikacji zasilanych bateryjnie, ponieważ regulator przełączający może zwiększyć lub zwiększyć napięcie wejściowe z baterii w miarę rozładowywania baterii. Dzięki temu elektronika może nadal działać znacznie poza punktem, w którym bateria może bezpośrednio zasilić właściwe napięcie, aby obwód zadziałał.
