Čo sú regulátory napätia a ako fungujú v elektronike?
Regulátory napätia vezmite vstupné napätie a vytvorte regulované výstupné napätie bez ohľadu na vstupné napätie buď s pevnou alebo nastaviteľnou úrovňou napätia. Táto automatická regulácia úrovne výstupného napätia je riešená rôznymi technikami spätnej väzby. Niektoré z týchto techník sú také jednoduché ako Zenerova dióda. Iné zahŕňajú komplexné topológie spätnej väzby, ktoré zlepšujú výkon, spoľahlivosť a efektivitu a pridávajú ďalšie funkcie, ako je zvýšenie výstupného napätia nad vstupné napätie do regulátora napätia.
Regulátory napätia sú bežnou vlastnosťou mnohých obvodov aby sa zabezpečilo, že citlivej elektronike bude privádzané stále, stabilné napätie.
Ako fungujú lineárne regulátory napätia
Udržiavanie pevného napätia s neznámym a potenciálne hlučným vstupom vyžaduje signál spätnej väzby, ktorý objasní, aké úpravy je potrebné vykonať. Lineárne regulátory používajú a výkonový tranzistor ako premenlivý odpor, ktorý sa správa ako prvá polovica siete deliča napätia. Výstup deliča napätia primerane poháňa výkonový tranzistor, aby sa udržalo konštantné výstupné napätie.
Pretože sa tranzistor správa ako odpor, plytvá energiou premenou na teplo – často veľa tepla. Pretože celkový výkon premenený na teplo sa rovná poklesu napätia medzi vstupným napätím a výstupné napätie krát dodávaný prúd, rozptýlený výkon môže byť často veľmi vysoký, vyžadujúci dobré chladiče.
Alternatívnou formou lineárneho regulátora je bočníkový regulátor, ako napr Zenerova dióda. Namiesto toho, aby fungoval ako premenlivý sériový odpor ako typický lineárny regulátor, bočníkový regulátor poskytuje cestu k zemi, cez ktorú môže pretekať nadmerné napätie (a prúd). Tento typ regulátora je často menej účinný ako typický sériový lineárny regulátor. Je to praktické len vtedy, keď je potrebný a dodávaný malý výkon.
Ako fungujú regulátory spínacieho napätia
Spínaný regulátor napätia funguje na inom princípe ako lineárne regulátory napätia. Spínací regulátor namiesto toho, aby pôsobil ako zberač napätia alebo prúdu na zabezpečenie konštantného výstupu, ukladá energie na definovanej úrovni a využíva spätnú väzbu, aby sa zabezpečilo, že úroveň nabitia sa udrží s minimálnym napätím vlnenie. Táto technika umožňuje, aby bol spínací regulátor efektívnejší ako lineárny regulátor otáčaním a tranzistor je plne zapnutý (s minimálnym odporom) iba vtedy, keď obvod akumulácie energie potrebuje výbuch energie. Tento prístup znižuje celkový plytvaný výkon v systéme na odpor tranzistora počas spínania prechody z vodivého (veľmi nízky odpor) na nevodivé (veľmi vysoký odpor) a iné malé straty v obvode.
Čím rýchlejšie spínací regulátor spína, tým menšiu kapacitu akumulácie energie potrebuje na udržanie požadovaného výstupného napätia, čo znamená, že je možné použiť menšie komponenty. Náklady na rýchlejšie prepínanie však predstavujú stratu účinnosti, pretože prechodom medzi vodivým a nevodivým stavom sa strávi viac času. Odporovým ohrevom sa stratí viac energie.
Ďalším vedľajším efektom rýchlejšieho spínania je zvýšenie elektronického šumu generovaného spínacím regulátorom. Použitím rôznych techník spínania môže spínací regulátor:
- Znížte vstupné napätie (topológia buck).
- Zvýšte napätie (topológia zosilnenia).
- Obaja znížia alebo zvýšia napätie (buck-boost) podľa potreby na udržanie požadovaného výstupného napätia.
Vďaka tejto flexibilite sú spínacie regulátory skvelou voľbou pre mnohé aplikácie napájané z batérie, pretože spínací regulátor môže zvýšiť alebo zvýšiť vstupné napätie z batérie ako batérie výboje.