Regulatory napięcia pobierają napięcie wejściowe i wytwarzają regulowane napięcie wyjściowe niezależnie od napięcia wejściowego przy stałym lub regulowanym poziomie napięcia. Ta automatyczna regulacja poziomu napięcia wyjściowego jest obsługiwana przez różne techniki sprzężenia zwrotnego. Niektóre z tych technik są tak proste jak dioda Zenera. Inne obejmują złożone topologie sprzężenia zwrotnego, które poprawiają wydajność, niezawodność i wydajność oraz dodają inne funkcje, takie jak zwiększenie napięcia wyjściowego powyżej napięcia wejściowego do regulatora napięcia.
Regulatory napięcia są powszechną funkcją w wielu obwodach, zapewniając stałe, stabilne napięcie dostarczane do czułej elektroniki.
Jak działają liniowe regulatory napięcia
Utrzymanie stałego napięcia przy nieznanym i potencjalnie zaszumionym wejściu wymaga sygnału sprzężenia zwrotnego, aby wyjaśnić, jakie regulacje należy wprowadzić. Regulatory liniowe wykorzystują tranzystor mocy jako rezystor zmienny, który zachowuje się jak pierwsza połowa sieci dzielnika napięcia. Wyjście dzielnika napięcia odpowiednio steruje tranzystorem mocy, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe.
Ponieważ tranzystor zachowuje się jak opornik, marnuje energię, przekształcając ją w ciepło – często dużo ciepła. Ponieważ całkowita moc przetworzona na ciepło jest równa spadkowi napięcia między napięciem wejściowym a wyjściowym razy prąd dostarczany, moc rozpraszana może często być bardzo wysoka, co wymaga dobrych radiatorów.
Inną formą 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 uziemienia, przez którą przepływa nadmierne napięcie (i prąd). Ten typ regulatora jest często mniej wydajny niż typowy szeregowy regulator liniowy. Jest to praktyczne tylko wtedy, gdy potrzebna i dostarczana jest niewielka moc.
Jak działają regulatory napięcia przełączania
Przełączny regulator napięcia działa na innej zasadzie niż liniowe regulatory napięcia. Zamiast działać jako odbiornik napięcia lub prądu, aby zapewnić stałą moc wyjściową, regulator przełączający przechowuje energię na określonym poziomie i wykorzystuje sprzężenie zwrotne, aby zapewnić utrzymanie poziomu naładowania przy minimalnym tętnieniu napięcia. Ta technika pozwala, aby regulator przełączający był bardziej wydajny niż regulator liniowy, poprzez pełne włączenie tranzystora (z minimalną rezystancją) tylko wtedy, gdy obwód magazynowania energii potrzebuje impulsu energii. Takie podejście zmniejsza całkowitą moc traconą w systemie do rezystancji tranzystora podczas przełączania, ponieważ przechodzi on od przewodzącego (bardzo niska rezystancja) do nieprzewodzącego (bardzo wysoka rezystancja) i innych małych strat w obwodzie.
Im szybciej przełącza się regulator przełączający, tym mniejsza pojemność magazynowania energii jest potrzebna do utrzymania pożądanego napięcia wyjściowego, co oznacza, że można stosować mniejsze komponenty. Jednak kosztem szybszego przełączania jest utrata wydajności, ponieważ więcej czasu spędza się na przechodzeniu między stanami przewodzenia i braku przewodzenia. Większa moc jest tracona z ogrzewania rezystancyjnego.
Kolejnym efektem ubocznym szybszego przełączania jest wzrost szumu elektronicznego generowanego przez regulator przełączania. Stosując różne techniki przełączania, regulator przełączający może:
- Zmniejszenie napięcia wejściowego (topologia buck).
- Podnieś napięcie (topologia doładowania).
- Zarówno zmniejszaj, jak i zwiększaj napięcie (buck-boost) zgodnie z potrzebami, aby utrzymać pożądane napięcie wyjściowe.
Ta elastyczność sprawia, że regulatory przełączające są doskonałym wyborem dla wielu zastosowań zasilanych bateryjnie, ponieważ regulator przełączający może zwiększać lub zwiększać napięcie wejściowe z akumulatora, gdy akumulator się rozładowuje.
