Regulatory napięcia pobierają napięcie wejściowe i wytwarzają regulowane napięcie wyjściowe na stałym lub regulowanym poziomie. Ta automatyczna regulacja poziomu napięcia wyjściowego jest obsługiwana w różny sposób przez różne typy regulatorów napięcia.
Rodzaje regulatorów napięcia
Najtańszym i często najłatwiejszym typem regulatorów napięcia w użyciu są liniowe regulatory napięcia. Regulatory liniowe są kompaktowe i często stosowane w systemach niskiego napięcia i małej mocy. Regulatory przełączające są bardziej wydajne niż regulatory napięcia liniowego, ale są trudniejsze w obsłudze i droższe. Diody Zenera są niedrogie i proste w użyciu, ale są mniej wydajne niż regulatory liniowe.
Regulatory liniowe
Jednym z najbardziej podstawowych sposobów zapewnienia stabilnego napięcia dla elektroniki jest użycie standardowego 3-pinowego liniowego regulatora napięcia, takiego jak LM7805, który zapewnia 5-woltowe, 1-amperowe wyjście z napięciem wejściowym do 36 V (w zależności od modelu).
Regulatory liniowe działają poprzez regulację równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) regulatora w oparciu o napięcie sprzężenia zwrotnego, zasadniczo stając się obwodem dzielnika napięcia. Pozwala to na wyprowadzenie przez regulator stałego napięcia niezależnie od obciążenia prądowego na nim umieszczonego, aż do jego wydajności prądowej.
Jedną z największych wad liniowych regulatorów napięcia jest duży minimalny spadek napięcia, który w standardowym liniowym regulatorze napięcia LM7805 wynosi 2,0 V. Oznacza to, że aby uzyskać stabilne napięcie wyjściowe 5 woltów, wymagane jest co najmniej wejście 7 woltowe. Ten spadek napięcia odgrywa dużą rolę w mocy rozpraszanej przez regulator liniowy, który musi rozproszyć co najmniej 2 waty, jeśli dostarcza obciążenie 1 A (2 V spadek napięcia razy 1 A).
Rozpraszanie mocy pogarsza się wraz ze wzrostem różnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym. Na przykład, podczas gdy 7-woltowe źródło regulowane do 5 V dostarczające 1 A rozprasza 2 waty przez regulator liniowy, 10-woltowe źródło regulowane do 5 V dostarczające ten sam prąd rozprasza 5 watów, co sprawia, że regulator jest tylko 50% sprawny.
Regulatory przełączania
Regulatory liniowe to doskonałe rozwiązanie do zastosowań o niskim poborze mocy i niskich kosztach, w których różnica napięć między wejściem a wyjściem jest niewielka i nie jest wymagana duża moc. Największą wadą regulatorów liniowych jest to, że są one nieefektywne, w tym przypadku w grę wchodzą regulatory przełączające.
Gdy potrzebna jest wysoka sprawność lub oczekiwany jest szeroki zakres napięcia wejściowego, regulator przełączający staje się najlepszą opcją. Przełączające regulatory napięcia mają sprawność energetyczną 85% lub lepszą w porównaniu ze sprawnościami liniowych regulatorów napięcia, które często są poniżej 50%.
Regulatory przełączające generalnie wymagają dodatkowych komponentów w porównaniu z regulatorami liniowymi. Wartości komponentów mają większy wpływ na ogólną wydajność regulatorów przełączających niż regulatorów liniowych. Istnieją również wyzwania projektowe związane z efektywnym stosowaniem regulatorów przełączających bez pogorszenia wydajności obwodu wynikającego z szumu elektronicznego generowanego przez regulator.
Diody Zenera
Jednym z najprostszych sposobów regulacji napięcia jest zastosowanie diody Zenera. Podczas gdy regulatory liniowe mają zwykle podstawową konstrukcję, dioda Zenera zapewnia odpowiednią regulację napięcia w jednym komponencie.
Ponieważ diody Zenera przenoszą wszystkie dodatkowe napięcia powyżej progu napięcia przebicia do masy, może być używany jako prosty regulator napięcia z napięciem wyjściowym przeciągniętym przez przewody diody Zenera.
Jednakże Zenery często mają ograniczoną zdolność radzenia sobie z mocą, co ogranicza je tylko do zastosowań o niskim poborze mocy. Używając diod Zenera w ten sposób, najlepiej jest ograniczyć dostępną moc, która może przepływać przez Zenera, strategicznie wybierając rezystor o odpowiedniej wielkości.
