Cosa sono i regolatori di tensione e come funzionano nell'elettronica?
Regolatori di tensione prendere una tensione di ingresso e creare una tensione di uscita regolata indipendentemente dalla tensione di ingresso a un livello di tensione fisso o a un livello di tensione regolabile. Questa regolazione automatica del livello di tensione di uscita è gestita da varie tecniche di retroazione. Alcune di queste tecniche sono semplici come un diodo Zener. Altri includono topologie di feedback complesse che migliorano le prestazioni, l'affidabilità e l'efficienza e aggiungono altre funzionalità come l'aumento della tensione di uscita al di sopra della tensione di ingresso al regolatore di tensione.
I regolatori di tensione sono una caratteristica comune a molti circuiti per garantire che una tensione costante e stabile venga fornita all'elettronica sensibile.
Come funzionano i regolatori di tensione lineari
Il mantenimento di una tensione fissa con un ingresso sconosciuto e potenzialmente rumoroso richiede un segnale di feedback per chiarire quali regolazioni devono essere effettuate. I regolatori lineari utilizzano a
Poiché il transistor si comporta come un resistore, spreca energia convertendola in calore, spesso molto calore. Poiché la potenza totale convertita in calore è uguale alla caduta di tensione tra la tensione di ingresso e la la tensione di uscita moltiplicata per la corrente fornita, la potenza dissipata può essere spesso molto elevata, richiedendo un bene dissipatori di calore.
Una forma alternativa di un regolatore lineare è un regolatore shunt, come a Diodo Zener. Piuttosto che agire come una resistenza in serie variabile come fa il tipico regolatore lineare, un regolatore shunt fornisce un percorso verso terra per il passaggio della tensione (e della corrente) in eccesso. Questo tipo di regolatore è spesso meno efficiente di un tipico regolatore lineare in serie. È pratico solo quando è necessaria e fornita poca energia.
Come funzionano i regolatori di tensione a commutazione
Un regolatore di tensione a commutazione funziona su un principio diverso rispetto ai regolatori di tensione lineari. Invece di agire come un dissipatore di tensione o corrente per fornire un'uscita costante, un regolatore a commutazione memorizza energia a un livello definito e utilizza il feedback per garantire che il livello di carica venga mantenuto con una tensione minima ondulazione. Questa tecnica consente al regolatore a commutazione di essere più efficiente del regolatore lineare ruotando a transistor completamente acceso (con resistenza minima) solo quando il circuito di accumulo di energia necessita di un burst di energia. Questo approccio riduce la potenza totale sprecata nel sistema alla resistenza del transistor durante la commutazione in quanto transizioni da conduttive (resistenza molto bassa) a non conduttive (resistenza molto alta) e altre piccole perdite di circuito.
Più velocemente un regolatore di commutazione commuta, minore è la capacità di accumulo di energia necessaria per mantenere la tensione di uscita desiderata, il che significa che è possibile utilizzare componenti più piccoli. Tuttavia, il costo di una commutazione più rapida è una perdita di efficienza poiché viene impiegato più tempo per la transizione tra lo stato di conduzione e quello di non conduzione. Si perde più potenza a causa del riscaldamento resistivo.
Un altro effetto collaterale della commutazione più rapida è l'aumento del rumore elettronico generato dal regolatore di commutazione. Utilizzando diverse tecniche di commutazione, un regolatore di commutazione può:
- Abbassare la tensione di ingresso (topologia buck).
- Aumentare la tensione (boost topology).
- Entrambi riducono o aumentano la tensione (buck-boost) secondo necessità per mantenere la tensione di uscita desiderata.
Questa flessibilità rende i regolatori a commutazione un'ottima scelta per molte applicazioni alimentate a batteria perché il regolatore di commutazione può aumentare o aumentare la tensione di ingresso dalla batteria come la batteria scarichi.