Rôzne typy regulátorov napätia s princípom práce

Pri napájaní hrajú kľúčovú úlohu regulátory napätia. Takže predtým, ako idete diskutovať o regulátor napätia , musíme vedieť, aká je úloha napájacieho zdroja pri navrhovaní systému ?. Napríklad v akomkoľvek pracovnom systéme, ako je smartphone, náramkové hodinky, počítač alebo notebook, je napájanie nevyhnutnou súčasťou fungovania systému sovy, pretože poskytuje konzistentné, spoľahlivé a nepretržité napájanie vnútorných komponentov systému. V elektronických zariadeniach poskytuje napájací zdroj stabilný a regulovaný výkon pre správne fungovanie obvodov. Zdroje napájania sú dva typy, napríklad napájanie striedavým prúdom napájané z elektrickej zásuvky a napájanie jednosmerným prúdom napájané z batérií. Tento článok teda pojednáva o prehľade rôznych typov regulátorov napätia a ich fungovaní.

Čo je to regulátor napätia?

Na reguláciu úrovní napätia sa používa regulátor napätia. Ak je potrebné stabilné a spoľahlivé napätie, preferovaným zariadením je regulátor napätia. Generuje pevné výstupné napätie, ktoré zostáva konštantné pri akýchkoľvek zmenách vstupného napätia alebo zaťaženia. Funguje ako nárazník na ochranu komponentov pred poškodením. A regulátor napätia je zariadenie s jednoduchým dizajnom spätnej väzby a využíva regulačné slučky so spätnou väzbou.

Regulátor napätia

Existujú hlavne dva typy regulátorov napätia: Lineárne regulátory napätia a regulátory spínacieho napätia, ktoré sa používajú v širších aplikáciách. Lineárny regulátor napätia je najjednoduchší typ regulátora napätia. Je k dispozícii v dvoch typoch, ktoré sú kompaktné a používajú sa v systémoch s nízkym výkonom a nízkym napätím. Poďme diskutovať o rôznych typoch regulátorov napätia.

The hlavné komponenty použité v regulátore napätia sú

• Okruh spätnej väzby
• Stabilné referenčné napätie
• Prejdite ovládacím obvodom prvku

Proces regulácie napätia je veľmi jednoduchý pomocou použitia vyššie uvedených troch komponenty . Prvá zložka regulátora napätia, ako je spätnoväzbový obvod, sa používa na detekciu zmien vo výstupe jednosmerného napätia. Na základe referenčného napätia a spätnej väzby možno vygenerovať riadiaci signál, ktorý poháňa priechodový prvok na vyplatenie zmien.

Priechodný prvok je tu jeden druh pevného stavu polovodičové zariadenie podobne ako BJT tranzistor, PN-Junction Diode inak MOSFET. Teraz možno jednosmerné výstupné napätie udržiavať približne stabilné.

Činnosť regulátora napätia

Obvod regulátora napätia sa používa na vytváranie a udržiavanie stáleho výstupného napätia, aj keď je vstupné napätie inak zmenené podmienky zaťaženia. Regulátor napätia získava napätie z napájacieho zdroja a môže sa udržiavať v rozsahu, ktorý je vhodný pre ostatné elektrické komponenty . Najčastejšie sa tieto regulátory používajú na prevod jednosmerného / jednosmerného prúdu, striedavého prúdu na striedavý prúd, inak na striedavý prúd.

Typy regulátorov napätia a ich práca

Tieto regulátory je možné implementovať prostredníctvom integrované obvody alebo diskrétne obvody komponentov. Regulátory napätia sú rozdelené do dvoch typov, a to lineárny regulátor napätia a regulátor spínacieho napätia. Tieto regulátory sa používajú hlavne na reguláciu napätia systému, lineárne regulátory však pracujú s nízkou účinnosťou, rovnako ako spínacie regulátory, ktoré pracujú s vysokou účinnosťou. V spínacích regulátoroch s vysokou účinnosťou je možné väčšinu energie i / p prenášať na o / p bez rozptýlenia.

Typy regulátorov napätia

V zásade existujú dva typy regulátorov napätia: lineárny regulátor napätia a spínací regulátor napätia.

• Existujú dva typy lineárnych regulátorov napätia: Series a Shunt.
• Existujú tri typy prepínacích regulátorov napätia: Step up, Step down a invertorové regulátory napätia.

Lineárne regulátory napätia

Lineárny regulátor funguje ako delič napätia. V ohmickej oblasti používa FET. Odpor regulátora napätia sa mení podľa zaťaženia, čo má za následok konštantné výstupné napätie. Lineárne regulátory napätia sú pôvodným typom regulátorov, ktoré sa používajú na reguláciu napájacích zdrojov. V tomto druhu regulátora je premenná vodivosť aktívneho pasívneho prvku ako a MOSFET alebo za zmenu výstupného napätia zodpovedá BJT.

Akonáhle je záťaž spojená, zmeny v akomkoľvek vstupe, inak bude mať za následok rozdiel v prúde v celom tranzistore, aby sa udržal konštantný výstup. Ak chcete zmeniť prúd tranzistora, mal by sa pracovať v aktívnej, inak ohmickej oblasti.

V priebehu tohto postupu tento druh regulátora rozptyľuje veľa energie, pretože sieťové napätie klesá v tranzistore, aby sa rozptýlilo ako teplo. Spravidla sú tieto regulačné orgány kategorizované do rôznych kategórií.

• Pozitívne nastaviteľné
• Negatívne nastaviteľné
• Pevný výstup
• Sledovanie
• Plávajúce

Výhody

The výhody lineárneho regulátora napätia zahrňte nasledujúce.

• Poskytuje nízke zvlnenie výstupného napätia
• Rýchla doba odozvy na načítanie alebo zmeny linky
• Nízke elektromagnetické rušenie a menej šumu

Nevýhody

The nevýhody lineárneho regulátora napätia zahrňte nasledujúce.

• Účinnosť je veľmi nízka
• Vyžaduje veľký priestor - je potrebný chladič
• Napätie nad vstupom nie je možné zvýšiť

Sériové regulátory napätia

Sériový regulátor napätia používa variabilný prvok umiestnený v sérii so záťažou. Zmenou odporu tohto sériového prvku možno zmeniť napätie, ktoré na ňom pokleslo. Napätie naprieč záťažou zostáva konštantné.

Množstvo odoberaného prúdu efektívne využíva záťaž, čo je hlavná výhoda sériový regulátor napätia . Aj keď záťaž nevyžaduje žiadny prúd, sériový regulátor neodoberá plný prúd. Preto je sériový regulátor podstatne účinnejší ako regulátor bočníkového napätia.

Regulátory bočného napätia

Bočník regulátor napätia funguje poskytnutím cesty od napájacieho napätia k zemi cez premenný odpor. Prúd cez bočníkový regulátor sa odklonil od záťaže a zbytočne prúdi k zemi, čo robí túto formu zvyčajne menej účinnou ako sériový regulátor. Je to však jednoduchšie, niekedy sa skladá iba z diódy s referenčným napätím a používa sa v obvodoch s veľmi nízkym výkonom, kde je zbytočný prúd príliš malý na to, aby nás znepokojoval. Táto forma je veľmi častá pre napäťové referenčné obvody. Regulátor bočníka môže zvyčajne iba absorbovať (absorbovať) prúd.

Aplikácie bočníkových regulátorov

Regulátory bočníka sa používajú v:

• Spínané zdroje napájania s nízkym výstupným napätím
• Obvody súčasného zdroja a drezu
• Chybové zosilňovače
• Nastaviteľné lineárne napätie a prúd a spínanie Napájacie zdroje
• Monitorovanie napätia
• Analógové a digitálne obvody, ktoré vyžadujú presné referencie
• Presné obmedzovače prúdu

Regulátory spínacieho napätia

Spínací regulátor rýchlo zapína a vypína sériové zariadenie. Pracovný cyklus prepínača nastavuje množstvo náboja preneseného do záťaže. Toto je riadené spätnoväzbovým mechanizmom podobným lineárnemu regulátoru. Spínacie regulátory sú účinné, pretože sériový prvok je buď plne vodivý, alebo vypnutý, pretože nerozptyľuje takmer žiadny výkon. Spínacie regulátory sú schopné na rozdiel od lineárnych regulátorov generovať výstupné napätia, ktoré sú vyššie ako vstupné napätie alebo majú opačnú polaritu.

Regulátor spínacieho napätia sa rýchlo zapína a vypína, aby zmenil výstup. Vyžaduje riadiaci oscilátor a tiež nabíja komponenty úložiska.

V spínacom regulátore s meniacou sa frekvenciou modulácie pulzovej frekvencie, konštantným pracovným cyklom a šumovým spektrom vynúteným PRM sa tento hluk odfiltruje ťažšie.

Spínací regulátor s Pulzná šírková modulácia , konštantná frekvencia, meniaci sa pracovný cyklus, je efektívny a ľahko odfiltruje šum.
V spínacom regulátore nepretržitý prúd v induktore nikdy neklesne na nulu. Umožňuje najvyšší výstupný výkon. Podáva lepší výkon.

V spínacom regulátore poklesne prúd v prerušovanom režime cez induktor na nulu. Poskytuje lepší výkon, keď je výstupný prúd nízky.

Prepínanie topológií

Má dva typy topológií: dielektrická izolácia a neizolácia.

Izolovaný

Je založená na žiarení a intenzívnom prostredí. Izolované prevodníky sú opäť rozdelené do dvoch typov, ktoré zahŕňajú nasledujúce.

• Prevodníky Flyback
• Prevodníky

Vo vyššie uvedených izolovaných prevodníkoch sa hovorí o téme spínaného napájania.

Neizolácia

Je založený na malých zmenách vo Vout / Vin. Príklady sú Regulátor napätia Step Up (Boost) - Zvyšuje vstupné napätie Step Down (Buck) - znižuje vstupné napätie Step up / Step Down (boost / buck) Regulátor napätia - Znižuje alebo zvyšuje alebo invertuje vstupné napätie v závislosti od regulátora Nabíjacie čerpadlo - Poskytuje viacnásobné vstupy bez použitia tlmivky.

Neizolované prevodníky sú opäť klasifikované do rôznych typov, aj keď tie významné sú

• Buck Converter alebo Step-down Voltage Regulator
• Boost Converter alebo Step-up Voltage Regulator
• Buck alebo Boost Converter

Výhody prepínania topológií

Hlavnými výhodami spínacieho zdroja sú účinnosť, veľkosť a hmotnosť. Jedná sa tiež o zložitejší dizajn, ktorý je schopný zvládnuť vyššiu energetickú účinnosť. Regulátor spínacieho napätia môže poskytovať výstup, ktorý je väčší alebo menší alebo invertuje vstupné napätie.

Nevýhody prepínacích topológií

• Vyššie zvlnenie výstupného napätia
• Pomalší prechodný čas na zotavenie
• EMI produkuje veľmi hlučný výstup
• Veľmi drahý

Krokové spínacie prevodníky, ktoré sa tiež nazývajú zosilňovacie spínacie regulátory, poskytujú vyšší napäťový výstup zvýšením vstupného napätia. Výstupné napätie je regulované, pokiaľ je odber energie v rozsahu výstupného výkonu obvodu. Pre budenie reťazcov LED diód sa používa krokový spínací regulátor napätia.

Zvýšte regulátory napätia

Predpokladajme, že obvod bezstratový Pin = Pout (vstupný a výstupný výkon sú rovnaké)

Potom V_vJa_v= V_vonJa_von,

Ja_von/ Ja_v= (1-D)

Z toho sa odvodzuje, že v tomto obvode

• Právomoci zostávajú rovnaké
• Zvyšuje sa napätie
• Prúd klesá
• Ekvivalent k jednosmernému transformátoru

Regulátor napätia (Buck) s krokom dole

Znižuje to vstupné napätie.

Regulátory poklesu napätia

Ak sa vstupný výkon rovná výstupnému výkonu, potom

P_v= P_vonV._vJa_v= V_vonJa_von,

Ja_von/ Ja_v= V_v/ V_von= 1 / D

Krokový prevodník je ekvivalentný s jednosmerným transformátorom, kde pomer otáčok je v rozmedzí 0-1.

Step Up / Step Down (Boost / Buck)

Tiež sa nazýva Voltage inverter. Použitím tejto konfigurácie je možné zvýšiť, znížiť alebo invertovať napätie podľa požiadavky.

• Výstupné napätie má opačnú polaritu ako vstup.
• Toho sa dosahuje tým, že VL dióda s predpätím s reverzným predpätím počas doby vypnutia produkuje prúd a nabíja kondenzátor na výrobu napätia počas doby vypnutia
• Použitím tohto typu spínacieho regulátora je možné dosiahnuť 90% účinnosť.

Regulátory napätia stupňovitého / znižujúceho napätia

Regulátory napätia alternátora

Alternátory produkujú prúd, ktorý je potrebný na splnenie elektrických požiadaviek vozidla, keď je motor v chode. Dopĺňa tiež energiu, ktorá sa používa na naštartovanie vozidla. Alternátor má schopnosť produkovať viac prúdu pri nižších rýchlostiach ako generátory jednosmerného prúdu, ktoré kedysi používala väčšina vozidiel. Alternátor má dve časti

Regulátor napätia alternátora

Stator - Toto je stacionárny komponent, ktorý sa nehýbe. Obsahuje súpravu elektrických vodičov navinutých v cievkach na železné jadro.
Rotor / kotva - Jedná sa o pohyblivú zložku, ktorá produkuje rotujúce magnetické pole ktorýmkoľvek z nasledujúcich troch spôsobov: (i) indukcia (ii) permanentné magnety (iii) pomocou budiča.

Elektronický regulátor napätia

Jednoduchý regulátor napätia je možné vyrobiť z rezistora zapojeného do série s diódou (alebo zo série diód). Vďaka logaritmickému tvaru kriviek diódy V-I sa napätie na dióde mení len mierne v dôsledku zmien odoberaného prúdu alebo zmien na vstupe. Ak nie je dôležitá presná regulácia napätia a účinnosť, môže tento návrh fungovať dobre.

Elektronický regulátor napätia

Tranzistorový regulátor napätia

Elektronické regulátory napätia majú nestabilný referenčný zdroj napätia, ktorý poskytuje Zenerova dióda , ktorá je tiež známa ako prevádzková dióda s reverzným poruchovým napätím. Udržuje konštantné výstupné napätie DC. Zvlnenie striedavého napätia je blokované, ale filter nie je možné zablokovať. Regulátor napätia má tiež ďalší obvod na ochranu proti skratu a obvod na obmedzenie prúdu, ochranu proti prepätiu a tepelné vypnutie.

Základné parametre regulátorov napätia

• Medzi základné parametre, ktoré je potrebné zohľadniť pri práci s regulátorom napätia, patria hlavne i / p napätie, o / p napätie a o / p prúd. Spravidla sa všetky tieto parametre používajú hlavne na určenie typu VR topológia je dobre priradený alebo nesúlad s IC používateľa.
• Ďalšími parametrami tohto regulátora sú spínacia frekvencia, na základe požiadavky je možné použiť tepelný odpor kľudového prúdu so spätnou väzbou
• Pokojový prúd je značný, ak je hlavným problémom efektívnosť v pohotovostných režimoch alebo ľahké zaťaženie.
• Ak sa spínacia frekvencia považuje za parameter, využitie spínacej frekvencie môže viesť k riešeniu malého systému. Tepelný odpor môže byť tiež nebezpečný pri zbavovaní sa tepla zo zariadenia a pri jeho rozpúšťaní v systéme.
• Ak má ovládač MOSFET, potom všetky vodivé aj dynamické straty sa rozptýli v balení a musí sa vziať do úvahy pri meraní maximálnej teploty regulátora.
• Najdôležitejším parametrom je spätnoväzbové napätie, pretože rozhoduje o menšom o / p napätí, ktoré IC dokáže udržať. To obmedzuje menšie napätie o / p a presnosť bude mať vplyv na reguláciu výstupného napätia.

Ako zvoliť správny regulátor napätia?

• Kľúčové parametre zohrávajú kľúčovú úlohu pri výbere regulátora napätia od projektanta, ako sú Vin, Vout, Iout, systémové priority atď. Niektoré ďalšie kľúčové funkcie, ako napríklad umožnenie ovládania alebo indikácia dobrého napájania.
• Keď návrhár opísal tieto nevyhnutnosti, potom pomocou parametrickej vyhľadávacej tabuľky nájdite najlepší prístroj na splnenie preferovaných nevyhnutností.
• Pre dizajnérov je táto tabuľka veľmi cenná, pretože poskytuje niekoľko funkcií a balíkov, ktoré je možné získať, aby vyhoveli potrebným parametrom pre požiadavku návrhára.
• Zariadenia MPS sú k dispozícii so svojimi údajovými listami, ktoré podrobne popisujú požadované externé časti, ako merať ich hodnoty, aby sa získal stabilný a efektívny dizajn s vysokým výkonom.
• Tento údajový list pomáha hlavne pri meraní hodnôt komponentov, ako je kapacita výstupu, odpor spätnej väzby, indukčnosť o / p atď.
• Môžete tiež využiť niektoré simulačné nástroje, ako napríklad softvér MPSmart / DC / DC Designer, atď. MPS poskytuje rôzne regulátory napätia s kompaktným lineárnym radom efektívnych a spínacích typov, ako je rodina MP171x, rodina HF500-x, MPQ4572-AEC1. , MP28310, MP20056 a MPQ2013-AEC1.

Obmedzenia / nevýhody

Obmedzenia regulátorov napätia zahŕňajú nasledujúce.

• Jedným z hlavných obmedzení regulátora napätia je to, že sú neúčinné z dôvodu rozptýlenia obrovského prúdu v niektorých aplikáciách
• Pokles napätia tohto IC je podobný a odpor pokles napätia. Napríklad, keď je vstup regulátora napätia 5V a generuje výstup ako 3V, potom pokles napätia medzi dvoma svorkami je 2V.
• Účinnosť regulátora môže byť obmedzená na 3V alebo 5V, čo znamená, že tieto regulátory sú použiteľné s menším počtom diferenciálov Vin / Vout.
• V každej aplikácii je veľmi dôležité vziať do úvahy očakávaný stratový výkon regulátora, pretože keď sú vstupné napätia vysoké, potom bude stratový výkon vysoký, aby mohol poškodiť rôzne komponenty z dôvodu prehriatia.
• Ďalším obmedzením je, že sú jednoducho schopní konverzie dolára v porovnaní s typmi prepínania, pretože tieto regulátory zabezpečia dolár a konverziu.
• Regulátory, ako je spínací typ, sú vysoko účinné, avšak majú určité nevýhody, ako napríklad nákladová efektívnosť v porovnaní s lineárnymi typmi regulátorov, zložitejšie, väčšie rozmery a môžu generovať viac šumu, ak nie sú starostlivo vybrané ich vonkajšie komponenty.

Toto je všetko o rôznych druhoch regulátory napätia a ich pracovný princíp. Veríme, že informácie uvedené v tomto článku sú užitočné pre lepšie pochopenie tohto konceptu. Ďalej v prípade akýchkoľvek otázok týkajúcich sa tohto článku alebo akejkoľvek pomoci pri implementácii elektrické a elektronické projekty , môžete nás kontaktovať komentovaním v sekcii komentárov nižšie. Je tu pre vás otázka - Kde použijeme regulátor napätia alternátora?