Co jsou regulátory napětí a jak fungují v elektronice?
Regulátory napětí odeberte vstupní napětí a vytvořte regulované výstupní napětí bez ohledu na vstupní napětí buď s pevnou nebo nastavitelnou úrovní napětí. Tato automatická regulace úrovně výstupního napětí je řešena různými zpětnovazebními technikami. Některé z těchto technik jsou stejně jednoduché jako Zenerova dioda. Jiné zahrnují komplexní topologie zpětné vazby, které zlepšují výkon, spolehlivost a efektivitu a přidávají další funkce, jako je zvýšení výstupního napětí nad vstupní napětí do regulátoru napětí.
Regulátory napětí jsou běžnou součástí mnoha obvody aby bylo zajištěno, že citlivé elektronice bude přiváděno konstantní stabilní napětí.
Jak fungují lineární regulátory napětí
Udržování pevného napětí s neznámým a potenciálně hlučným vstupem vyžaduje zpětnovazební signál, který objasní, jaké úpravy je třeba provést. Lineární regulátory používají a výkonový tranzistor jako proměnný rezistor, který se chová jako první polovina sítě děliče napětí. Výstup napěťového děliče řídí výkonový tranzistor vhodným způsobem pro udržení konstantního výstupního napětí.
Protože se tranzistor chová jako rezistor, plýtvá energií přeměnou na teplo – často hodně tepla. Protože celkový výkon přeměněný na teplo se rovná poklesu napětí mezi vstupním napětím a výstupní napětí krát dodávaný proud, může být ztrátový výkon často velmi vysoký a vyžaduje dobré chladiče.
Alternativní formou lineárního regulátoru je bočníkový regulátor, jako je a Zenerova dioda. Spíše než fungovat jako proměnný sériový odpor jako typický lineární regulátor, bočníkový regulátor poskytuje cestu k zemi pro průchod nadměrného napětí (a proudu). Tento typ regulátoru je často méně účinný než typický sériový lineární regulátor. Je to praktické pouze tehdy, když je potřeba a dodává se málo energie.
Jak fungují regulátory spínacího napětí
Spínací regulátor napětí pracuje na jiném principu než lineární regulátory napětí. Spíše než jako pojistka napětí nebo proudu pro zajištění konstantního výstupu spínací regulátor ukládá energie na definované úrovni a využívá zpětnou vazbu k zajištění udržení úrovně nabití s minimálním napětím vlnění. Tato technika umožňuje, aby byl spínací regulátor účinnější než lineární regulátor otáčením a tranzistor plně zapnutý (s minimálním odporem) pouze tehdy, když obvod akumulace energie potřebuje výbuch energie. Tento přístup snižuje celkový plýtvaný výkon v systému na odpor tranzistoru během spínání přechody z vodivého (velmi nízký odpor) do nevodivého (velmi vysoký odpor) a další malé obvodové ztráty.
Čím rychleji spínací regulátor spíná, tím menší kapacitu akumulace energie potřebuje k udržení požadovaného výstupního napětí, což znamená, že lze použít menší součásti. Náklady na rychlejší přepínání však představují ztrátu účinnosti, protože přechodem mezi vodivým a nevodivým stavem se stráví více času. Odporovým ohřevem se ztrácí více energie.
Dalším vedlejším efektem rychlejšího spínání je zvýšení elektronického šumu generovaného spínacím regulátorem. Pomocí různých spínacích technik může spínací regulátor:
- Snižte vstupní napětí (topologie buck).
- Zvyšte napětí (topologie zvýšení).
- Oba snižují nebo zvyšují napětí (buck-boost) podle potřeby k udržení požadovaného výstupního napětí.
Díky této flexibilitě jsou spínací regulátory skvělou volbou pro mnoho aplikací napájených bateriemi, protože spínací regulátor může zvýšit nebo zvýšit vstupní napětí z baterie jako baterie výboje.