Mitä ovat jännitesäätimet ja miten ne toimivat elektroniikassa?
Jännitteen säätimet ota tulojännite ja luo säädelty lähtöjännite riippumatta tulojännitteestä joko kiinteällä jännitetasolla tai säädettävällä jännitetasolla. Tämä lähtöjännitetason automaattinen säätö hoidetaan erilaisilla takaisinkytkentätekniikoilla. Jotkut näistä tekniikoista ovat yhtä yksinkertaisia kuin Zener-diodi. Toiset sisältävät monimutkaisia takaisinkytkentätopologioita, jotka parantavat suorituskykyä, luotettavuutta ja tehokkuutta ja lisäävät muita ominaisuuksia, kuten jännitteensäätimen tulojännitteen nostamista.
Jännitteensäätimet ovat yleinen ominaisuus monissa piirit varmistaaksesi, että herkkä elektroniikka syöttää tasaisen, vakaan jännitteen.
Kuinka lineaariset jännitesäätimet toimivat
Kiinteän jännitteen ylläpitäminen tuntemattomalla ja mahdollisesti kohinaisella tulolla vaatii palautesignaalin, joka selventää, mitä säätöjä on tehtävä. Lineaarisäätimet käyttävät a tehotransistori muuttuvana vastuksena, joka käyttäytyy kuten jännitteenjakajaverkon ensimmäinen puolisko. Jännitteenjakajan lähtö ohjaa tehotransistoria asianmukaisesti ylläpitämään vakiolähtöjännitettä.
Koska transistori käyttäytyy kuin vastus, se hukkaa energiaa muuttamalla sen lämmöksi - usein paljon lämpöä. Koska lämmöksi muunnettu kokonaisteho on yhtä suuri kuin syöttöjännitteen ja jännitehäviö lähtöjännite kertaa syötetty virta, hajaantuva teho voi usein olla erittäin korkea, vaativa hyvää jäähdytyslevyt.
Lineaarisen säätimen vaihtoehtoinen muoto on shunttisäädin, kuten a Zener diodi. Sen sijaan, että se toimisi muuttuvana sarjaresistanssina, kuten tyypillinen lineaarinen säädin tekee, shunttisäädin tarjoaa polun maahan ylimääräisen jännitteen (ja virran) läpikulkua varten. Tämän tyyppinen säädin on usein vähemmän tehokas kuin tyypillinen sarjan lineaarinen säädin. Se on käytännöllinen vain silloin, kun tehoa tarvitaan ja syötetään vähän.
Kuinka kytkentäjännitesäätimet toimivat
Kytkentäjännitteensäädin toimii eri periaatteella kuin lineaariset jännitesäätimet. Sen sijaan, että se toimisi jännitteen tai virran nieluna tuottamaan jatkuvaa ulostuloa, kytkentäsäädin tallentaa energiaa määrätyllä tasolla ja käyttää palautetta varmistaakseen, että lataustaso ylläpidetään minimaalisella jännitteellä aaltoilu. Tämä tekniikka mahdollistaa sen, että kytkentäsäädin on tehokkaampi kuin lineaarinen säädin kääntämällä a transistori täysin päällä (minimaalisella resistanssilla) vain, kun energian varastointipiiri tarvitsee purskeen energiaa. Tämä lähestymistapa vähentää järjestelmässä hukkaan menevän kokonaistehon transistorin resistanssiin kytkennän aikana siirtymät johtavasta (erittäin pieni vastus) johtamattomaan (erittäin suuri vastus) ja muut pienet piirihäviöt.
Mitä nopeammin kytkentäsäädin kytkeytyy, sitä vähemmän energian varastointikapasiteettia se tarvitsee ylläpitääkseen haluttua lähtöjännitettä, jolloin voidaan käyttää pienempiä komponentteja. Nopeamman vaihdon hinta on kuitenkin tehokkuuden menetys, koska enemmän aikaa kuluu siirtymiseen johtavan ja ei-johtavan tilan välillä. Resistiivinen lämmitys menettää enemmän tehoa.
Toinen nopeamman kytkennän sivuvaikutus on kytkentäsäätimen synnyttämän elektronisen kohinan lisääntyminen. Erilaisia kytkentätekniikoita käyttämällä kytkentäsäädin voi:
- Vähennä tulojännitettä (buck-topologia).
- Lisää jännitettä (tehostustopologia).
- Molemmat laskevat tai lisäävät jännitettä (buck-boost) tarpeen mukaan halutun lähtöjännitteen ylläpitämiseksi.
Tämä joustavuus tekee kytkentäsäätimistä erinomaisen valinnan moniin akkukäyttöisiin sovelluksiin, koska kytkentäsäädin voi nostaa tai lisätä akun syöttöjännitettä akuna päästöt.