Wat zijn spanningsregelaars en hoe werken ze in de elektronica?
Spanningsregelaars neem een ingangsspanning en creëer een gereguleerde uitgangsspanning ongeacht de ingangsspanning op een vast spanningsniveau of een instelbaar spanningsniveau. Deze automatische regeling van het uitgangsspanningsniveau wordt afgehandeld door verschillende feedbacktechnieken. Sommige van deze technieken zijn zo eenvoudig als een zenerdiode. Anderen omvatten complexe feedbacktopologieën die de prestaties, betrouwbaarheid en efficiëntie verbeteren en andere functies toevoegen, zoals het verhogen van de uitgangsspanning boven de ingangsspanning naar de spanningsregelaar.
Spanningsregelaars zijn een veelvoorkomend kenmerk in veel circuits om ervoor te zorgen dat gevoelige elektronica een constante, stabiele spanning krijgt.
Hoe lineaire spanningsregelaars werken
Het handhaven van een vaste spanning met een onbekende en potentieel ruisrijke ingang vereist een feedbacksignaal om te verduidelijken welke aanpassingen moeten worden gemaakt. Lineaire regelaars gebruiken a
Omdat de transistor zich als een weerstand gedraagt, verspilt hij energie door deze om te zetten in warmte - vaak veel warmte. Aangezien het totale vermogen omgezet in warmte gelijk is aan de spanningsval tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning maal de geleverde stroom, het gedissipeerde vermogen kan vaak erg hoog zijn, veeleisend goed koellichamen.
Een alternatieve vorm van een lineaire regelaar is een shuntregelaar, zoals a Zener diode. In plaats van te fungeren als een variabele serieweerstand zoals de typische lineaire regelaar doet, biedt een shuntregelaar een pad naar aarde waar overtollige spanning (en stroom) doorheen kan stromen. Dit type regelaar is vaak minder efficiënt dan een typische serie lineaire regelaar. Het is alleen praktisch als er weinig stroom nodig is en wordt geleverd.
Hoe schakelende spanningsregelaars werken
Een schakelende spanningsregelaar werkt volgens een ander principe dan lineaire spanningsregelaars. In plaats van te fungeren als een spannings- of stroomafvoer om een constante output te leveren, slaat een schakelende regelaar op energie op een bepaald niveau en gebruikt feedback om ervoor te zorgen dat het laadniveau behouden blijft met een minimale spanning rimpeling. Met deze techniek kan de schakelende regelaar efficiënter zijn dan de lineaire regelaar door a transistor volledig aan (met minimale weerstand) alleen wanneer het energieopslagcircuit een burst van nodig heeft energie. Deze benadering vermindert het totale vermogen dat in het systeem wordt verspild tot de weerstand van de transistor tijdens het schakelen, aangezien het overgangen van geleidend (zeer lage weerstand) naar niet-geleidend (zeer hoge weerstand) en andere kleine circuitverliezen.
Hoe sneller een schakelende regelaar schakelt, hoe minder energieopslagcapaciteit hij nodig heeft om de gewenste uitgangsspanning te behouden, waardoor kleinere componenten kunnen worden gebruikt. De kosten van sneller schakelen zijn echter een verlies aan efficiëntie, omdat er meer tijd wordt besteed aan de overgang tussen geleidende en niet-geleidende toestanden. Er gaat meer vermogen verloren door resistieve verwarming.
Een ander neveneffect van sneller schakelen is de toename van elektronische ruis die wordt gegenereerd door de schakelregelaar. Door gebruik te maken van verschillende schakeltechnieken kan een schakelregelaar:
- Verlaag de ingangsspanning (buck-topologie).
- Verhoog de spanning (boost-topologie).
- Zowel verlagen als verhogen de spanning (buck-boost) indien nodig om de gewenste uitgangsspanning te behouden.
Deze flexibiliteit maakt het wisselen van regelaars een uitstekende keuze voor veel batterijgevoede toepassingen, omdat: de schakelregelaar kan de ingangsspanning van de batterij verhogen of verhogen als de batterij; ontladingen.