Spänningsregulatorer är en vanlig funktion i många kretsar för att säkerställa att en konstant, stabil spänning levereras till känslig elektronik. Hur de fungerar är typiska för många analoga kretsar, den goda och eleganta användningen av återkoppling för att justera utgången till önskad nivå.
Överspänningsregulatoröversikt
När en stadig, pålitlig spänning behövs är spänningsregulatorerna gå-till-komponenterna. Spänningsregulatorer tar en ingångsspänning och skapar en reglerad utgångsspänning oavsett ingångsspänning på antingen en fast spänningsnivå eller en justerbar spänningsnivå (genom att välja rätt externa komponenter). Denna automatiska reglering av utgångsspänningsnivån hanteras av olika återkopplingstekniker, som är så enkla som en zener-diod medan andra innefattar komplexa återkopplingstopologier som kan förbättra prestanda, tillförlitlighet, effektivitet och lägga till andra funktioner som att öka utspänningen över ingångsspänningen till spänningsregulatorn.
Hur linjära spänningsregulatorer arbetar
Underhåll av en fastspänning med en okänd och potentiellt högljudd (eller sämre) ingång kräver en återkopplingssignal för att veta vilka justeringar som behöver göras. Linjära regulatorer använder en strömtransistor (antingen BJT eller MOSFET beroende på vilken komponent som används) som ett variabelt motstånd som beter sig som den första halvan av ett spänningsdelningsnätverk. Utsignalen från spänningsdelaren används som återkoppling för att driva strömtransistorn på lämpligt sätt för att upprätthålla en konstant utspänning. Tyvärr, eftersom transistorn beter sig som ett motstånd sparar det mycket energi genom att omvandla det till värme, ofta mycket värme. Eftersom den totala effekten som omvandlas till värme är lika med spänningsfallet mellan ingångsspänningen och utgångsspänningen då strömmen levereras, kan strömmen som släpps ofta vara mycket hög och det kräver goda kylflänsar.
En alternativ form av en linjär regulator är en shuntregulator, såsom en Zener-diod. I stället för att fungera som en variabel serieresistens som den typiska linjära regulatorn gör, ger en shuntregulator en väg till marken för att överskottsspänning (och ström) ska strömma genom. Tyvärr är denna typ av regulator ofta mindre effektiv än en vanlig serie linjär regulator och är bara praktisk när mycket liten ström behövs och levereras.
Hur byter spänningsregulatorer Arbete
En växelspänningsregulator arbetar på en helt annan huvud än linjär spänningsregulator. Istället för att fungera som en spänning eller strömavlänkning för att ge en konstant utgång, lagrar en omkopplingsregulator energi på en definierad nivå och använder återkoppling för att säkerställa att laddningsnivån bibehålls med minimal spänningsrippel. Denna teknik gör det möjligt för omkopplingsregulatorn att vara mycket effektivare än den linjära regulatorn genom att endast sätta på en transistor (med minimalt motstånd) när energilagringskretsen behöver en energiutbrott. Detta minskar den totala strömförbrukningen i systemet till transistorns resistans under omkopplingen då den övergår från ledning (mycket lågt motstånd) till icke-ledande (mycket högt motstånd) och andra små kretsförluster.
Ju snabbare växelregulatorn växlar, desto mindre energilagringskapacitet behöver den för att behålla den önskade utspänningen, vilket betyder att mindre komponenter kan användas. Kostnaden för snabbare växling är emellertid en effektivitetsförlust, eftersom mer tid spenderas övergång mellan ledande och icke-ledande tillstånd vilket innebär att mer ström går förlorad på grund av resistiv uppvärmning.
En annan bieffekt av snabbare växling är ökningen av elektroniskt brus som genereras av omkopplingsregulatorn. Genom att använda olika växlingstekniker kan en växlingsregulator minska inmatningsspänningen (buck topology), öka spänningen (boost topology) eller båda stega ner eller öka spänningen (buck-boost) vid behov behålla önskad utspänning vilket gör omkopplingsregulatorerna ett utmärkt val för många batteridrivna applikationer, eftersom växelregulatorn kan öka eller öka inmatningsspänningen från batteriet när batteriet urladdas. Detta gör det möjligt för elektroniken att fortsätta att fungera långt utöver den punkt där batteriet direkt kan mata rätt spänning för att kretsen ska fungera.
