Регулаторите на напрежение са често срещана характеристика в много схеми, за да се гарантира, че на чувствителната електроника се осигурява постоянно стабилно напрежение. Как функционират те са типични за много аналогови схеми, разумното и елегантно използване на обратна връзка, за да настроите изхода на желаното ниво.
Преглед на регулаторите на напрежение
Когато е необходимо стабилно и надеждно напрежение, регулаторите на напрежение са компонентите на прехода. Регулаторите на напрежение поемат входното напрежение и създават регулирано изходно напрежение, независимо от входното напрежение, както при фиксирано напрежение, така и при регулируемо напрежение (чрез избор на правилните външни компоненти). Тази автоматична регулация на нивото на изходното напрежение се управлява от различни техники за обратна връзка, някои от които са толкова прости като ценеровият диод, а други включват сложни обратни топологии, които могат да подобрят производителността, надеждността, ефективността и да добавят други функции като увеличаване на изходното напрежение над входното напрежение регулатора на напрежението.
Как работят регулаторите на напрежението в линейното напрежение
Поддържането на постоянно напрежение с неизвестен и потенциално шумен (или по-лош) вход изисква сигнал за обратна връзка, за да се знае какви корекции трябва да се направят. Линейни регулатори използват мощен транзистор (или BJT или MOSFET в зависимост от използвания компонент) като променлив резистор, който се държи като първата половина на мрежата за делители на напрежение. Изходът на делителя на напрежението се използва като обратна връзка за задвижване на силовия транзистор по подходящ начин, за да се поддържа постоянно изходно напрежение. За съжаление, тъй като транзисторът се държи като резистор, той губи много енергия, като го превръща в топлина, често много топлина. Тъй като общата мощност, преобразувана в топлина, е равна на падането на напрежение между входното напрежение и изходното напрежение, докато доставеният ток се разсейва често може да бъде много висок и да изисква добри радиатори.
Алтернативна форма на линеен регулатор е регулатор на шунта, като диод Zener . Вместо да действа като променлива серия на съпротивление, както прави типичният линеен регулатор, един шунт регулатор осигурява път към земната повърхност за изтичане на излишно напрежение (и ток). За съжаление, този тип регулатор често е дори по-малко ефективен от типичния сериен линеен регулатор и е практичен само когато е необходима и доставена малка мощност.
Как работят регулаторите на напрежението за превключване
Регулаторът на напрежението за превключване работи на изцяло различна от линейните напрежение регулатори. Вместо да действа като мивка за напрежение или ток, за да осигури постоянна мощност, регулаторът за превключване съхранява енергия на определено ниво и използва обратна връзка, за да гарантира, че нивото на заряда се поддържа с минимално пулсация на напрежението. Тази техника позволява на регулатора за превключване да бъде много по-ефективен, че линейният регулатор чрез завъртане на транзистора напълно (с минимално съпротивление) само когато веригата за съхранение на енергия се нуждае от спукване на енергия. Това намалява общата загуба на мощност в системата до съпротивлението на транзистора по време на превключването, тъй като преминава от проводимост (много ниско съпротивление) към непроводими (много високо съпротивление) и други малки верижни загуби.
Колкото по-бързо превключва регулаторът за превключване, толкова по-малко капацитет за съхранение на енергия е необходим, за да поддържа желаното изходно напрежение, което означава, че могат да се използват по-малки компоненти. Разходите за по-бързо превключване обаче са загуба на ефективност, тъй като повече време прекарва прехода между проводящото и непроводното състояние, което означава, че повече енергия се губи поради резистивното нагряване.
Друг страничен ефект от по-бързото превключване е увеличаването на електронния шум, генериран от регулатора на превключването. Използвайки различни техники за превключване, регулаторът за превключване може да слезе от входното напрежение (топология на тока), да увеличи напрежението (boost topology), или да спусне стъпалото или да увеличи напрежението (boost boost), ако е необходимо, да поддържа желаното изходно напрежение които правят регулаторите за превключване чудесен избор за много приложения, захранвани от батерии, тъй като регулаторът за превключване може да увеличи или увеличи входното напрежение от батерията, докато батерията се зарежда. Това позволява на електрониката да продължи да функционира добре отвъд точката, в която батерията може директно да подаде правилното напрежение, за да работи веригата.