V napájecím zdroji hrají klíčovou roli regulátory napětí. Takže než půjdeme diskutovat o regulátor napětí , musíme vědět, že jaká je role napájecího zdroje při navrhování systému ?. Například v jakémkoli fungujícím systému, jako je chytrý telefon, náramkové hodinky, počítač nebo notebook, je napájecí zdroj nezbytnou součástí fungování systému sovy, protože poskytuje konzistentní, spolehlivé a nepřetržité napájení vnitřních součástí systému. V elektronických zařízeních poskytuje napájecí zdroj stabilní i regulovaný výkon pro správné fungování obvodů. Zdroje napájení jsou dva typy, například napájecí zdroj střídavého proudu, který je napájen ze síťových zásuvek, a stejnosměrný napájecí zdroj, který je napájen z baterií. Tento článek tedy pojednává o přehledu různých typů regulátorů napětí a jejich fungování.
Co je to regulátor napětí?
K regulaci úrovní napětí se používá regulátor napětí. Pokud je potřeba stabilní a spolehlivé napětí, je preferovaným zařízením regulátor napětí. Generuje pevné výstupní napětí, které zůstává konstantní pro jakékoli změny vstupního napětí nebo podmínek zátěže. Funguje jako nárazník pro ochranu komponent před poškozením. A regulátor napětí je zařízení s jednoduchým designem dopředné vazby a využívá regulační smyčky negativní zpětné vazby.
Regulátor napětí
Existují hlavně dva typy regulátorů napětí: Lineární regulátory napětí a regulátory spínacího napětí, které se používají v širších aplikacích. Lineární regulátor napětí je nejjednodušší typ regulátoru napětí. Je k dispozici ve dvou typech, které jsou kompaktní a používají se v systémech s nízkým výkonem a nízkým napětím. Pojďme diskutovat o různých typech regulátorů napětí.
The hlavní součásti použité v regulátoru napětí jsou
- Okruh zpětné vazby
- Stabilní referenční napětí
- Projděte ovládací obvod prvku
Proces regulace napětí je velmi snadný pomocí výše uvedených tří komponenty . První součást regulátoru napětí, jako je zpětnovazební obvod, se používá k detekci změn ve výstupu stejnosměrného napětí. Na základě referenčního napětí i zpětné vazby lze generovat řídicí signál, který pohání propustný prvek, aby provedené změny vyplatil.
Zde je pass element jeden druh polovodičového stavu polovodičové zařízení podobně jako BJT tranzistor, dioda PN-Junction, jinak MOSFET. Nyní lze stejnosměrné výstupní napětí udržovat přibližně stabilní.
Práce regulátoru napětí
Obvod regulátoru napětí se používá k vytváření a udržování stálého výstupního napětí, i když je vstupní napětí jinak změněno podmínky zátěže. Regulátor napětí získává napětí z napájecího zdroje a lze jej udržovat v rozsahu, který je vhodný pro zbývající elektrické součásti . Nejčastěji se tyto regulátory používají pro převod stejnosměrného / stejnosměrného proudu, střídavého / střídavého proudu, jinak střídavého / stejnosměrného proudu.
Typy regulátorů napětí a jejich fungování
Tyto regulátory lze implementovat prostřednictvím integrované obvody nebo diskrétní obvody komponent. Regulátory napětí se dělí na dva typy, jmenovitě lineární regulátor napětí a regulátor spínacího napětí. Tyto regulátory se používají hlavně k regulaci napětí systému, lineární regulátory však pracují s nízkou účinností, stejně jako spínací regulátory, které pracují s vysokou účinností. U spínacích regulátorů s vysokou účinností lze většinu energie i / p přenášet na o / p bez rozptylu.
Typy regulátorů napětí
V zásadě existují dva typy regulátorů napětí: Lineární regulátor napětí a Spínací regulátor napětí.
- Existují dva typy lineárních regulátorů napětí: Series a Shunt.
- Existují tři typy regulátorů spínacího napětí: Step up, Step down a Inverter voltage regulators.
Lineární regulátory napětí
Lineární regulátor funguje jako dělič napětí. V ohmické oblasti používá FET. Odpor regulátoru napětí se mění podle zátěže, což má za následek konstantní výstupní napětí. Lineární regulátory napětí jsou původním typem regulátorů používaných k regulaci napájecích zdrojů. U tohoto druhu regulátoru je proměnná vodivost aktivního průchozího prvku jako a MOSFET nebo za změnu výstupního napětí odpovídá BJT.
Jakmile je zátěž spojena, změny v jakémkoli vstupu, jinak zátěž bude mít za následek rozdíl v proudu v celém tranzistoru, aby se udržel konstantní výstup. Chcete-li změnit proud tranzistoru, měl by se pracovat v aktivní, jinak ohmické oblasti.
Během tohoto postupu tento druh regulátoru rozptyluje hodně energie, protože síťové napětí klesá v tranzistoru a rozptyluje se jako teplo. Obecně jsou tyto regulátory rozděleny do různých kategorií.
- Pozitivní Nastavitelný
- Negativní nastavitelné
- Pevný výstup
- Sledování
- Plovoucí
Výhody
The výhody lineárního regulátoru napětí zahrnout následující.
- Poskytuje nízké zvlnění výstupního napětí
- Rychlá doba odezvy na změny zatížení nebo linky
- Nízké elektromagnetické rušení a menší hluk
Nevýhody
The nevýhody lineárního regulátoru napětí zahrnout následující.
- Účinnost je velmi nízká
- Vyžaduje velký prostor - je nutný chladič
- Napětí nad vstupem nelze zvýšit
Sériové regulátory napětí
Regulátor sériového napětí používá proměnný prvek umístěný v sérii se zátěží. Změnou odporu tohoto sériového prvku lze změnit napětí, které na něm pokleslo. A napětí na zátěži zůstává konstantní.
Množství odebíraného proudu je účinně využíváno zátěží, což je hlavní výhoda sériový regulátor napětí . I když zátěž nevyžaduje žádný proud, sériový regulátor nečerpá plný proud. Proto je sériový regulátor podstatně účinnější než regulátor bočního napětí.
Regulátory bočního napětí
Zkrat regulátor napětí funguje zajištěním cesty od napájecího napětí k zemi prostřednictvím proměnného odporu. Proud procházející bočním regulátorem se odklonil od zátěže a zbytečně proudí k zemi, takže tato forma je obvykle méně účinná než sériový regulátor. Je však jednodušší, někdy se skládá pouze z diody s referenčním napětím a používá se v obvodech s velmi nízkým výkonem, kde je zbytečný proud příliš malý na to, aby nás znepokojoval. Tato forma je velmi běžná pro referenční obvody napětí. Regulátor bočníku může obvykle pouze potopit (absorbovat) proud.
Aplikace směšovacích regulátorů
Regulátory bočníku se používají v:
- Spínané napájecí zdroje s nízkým výstupním napětím
- Obvody proudového zdroje a jímky
- Chybové zesilovače
- Nastavitelné napětí nebo proud lineární a spínací Zásoby energie
- Monitorování napětí
- Analogové a digitální obvody, které vyžadují přesné reference
- Přesné omezovače proudu
Regulátory spínacího napětí
Spínací regulátor rychle zapíná a vypíná sériové zařízení. Pracovní cyklus přepínače nastavuje množství náboje přeneseného do zátěže. To je řízeno zpětnovazebním mechanismem podobným lineárnímu regulátoru. Spínací regulátory jsou účinné, protože sériový prvek je buď plně vodivý, nebo vypnutý, protože nerozptyluje téměř žádný výkon. Spínací regulátory jsou schopné generovat výstupní napětí, která jsou vyšší než vstupní napětí nebo mají opačnou polaritu, na rozdíl od lineárních regulátorů.
Regulátor spínacího napětí se rychle zapíná a vypíná, aby změnil výstup. Vyžaduje řídicí oscilátor a také nabíjí komponenty úložiště.
U spínacího regulátoru s proměnlivou frekvencí modulace pulzní frekvence, konstantním pracovním cyklem a šumovým spektrem vynuceným PRM se tento hluk odfiltruje obtížněji.
Spínací regulátor s Modulace šířky pulzu , konstantní frekvence, měnící se pracovní cyklus, je efektivní a snadno odfiltruje šum.
Ve spínacím regulátoru proud v nepřetržitém režimu přes induktor nikdy neklesne na nulu. Umožňuje nejvyšší výstupní výkon. Poskytuje lepší výkon.
Ve spínacím regulátoru klesne proud diskontinuálního režimu přes induktor na nulu. Poskytuje lepší výkon, když je výstupní proud nízký.
Přepínání topologií
Má dva typy topologií: dielektrická izolace a neizolace.
Izolovaný
Je založen na záření a intenzivním prostředí. Izolované převaděče jsou opět klasifikovány do dvou typů, které zahrnují následující.
- Převaděče Flyback
- Předávací převaděče
Výše uvedené izolované převodníky jsou popsány v tématu spínaného napájecího zdroje.
Bez izolace
Je založen na malých změnách ve Vout / Vin. Příkladem je Step Up regulátor napětí (Boost) - Zvyšuje vstupní napětí Step Down (Buck) - snižuje vstupní napětí Step up / Step Down (boost / Buck) Regulátor napětí - Snižuje nebo zvyšuje nebo invertuje vstupní napětí v závislosti na regulátoru Nabíjení čerpadla - Poskytuje více vstupů bez použití induktoru.
Neizolované převaděče jsou opět klasifikovány do různých typů, nicméně ty významné jsou
- Buck Converter nebo Step-down Voltage Regulator
- Boost Converter nebo Step-up Voltage Regulator
- Buck nebo Boost Converter
Výhody přepínání topologií
Hlavní výhody spínacího zdroje jsou účinnost, velikost a hmotnost. Jedná se také o složitější konstrukci, která je schopna zvládnout vyšší energetickou účinnost. Regulátor spínacího napětí může poskytovat výstup, který je větší nebo menší než nebo který invertuje vstupní napětí.
Nevýhody přepínání topologií
- Vyšší zvlnění výstupního napětí
- Pomalejší přechodná doba zotavení
- EMI produkuje velmi hlučný výstup
- Velmi drahý
Step-up spínací převodníky, nazývané také boost spínací regulátory, poskytují vyšší napěťový výstup zvýšením vstupního napětí. Výstupní napětí je regulováno, pokud je odebíraný výkon ve specifikaci výstupního výkonu obvodu. Pro buzení strun LED se používá Step up Switching voltage regulator.
Posílení regulátorů napětí
Předpokládejme, že obvod Lossless Pin = Pout (vstupní a výstupní výkon jsou stejné)
Pak VvJáv= VvenJáven,
Jáven/ Jáv= (1-D)
Z toho lze odvodit, že v tomto obvodu
- Pravomoci zůstávají stejné
- Zvyšuje se napětí
- Proud klesá
- Ekvivalentní stejnosměrnému transformátoru
Regulátor napětí s krokem dolů (Buck)
Snižuje vstupní napětí.
Regulátory napětí dolů
Pokud je vstupní výkon stejný jako výstupní výkon, pak
Pv= PvenPROTIvJáv= VvenJáven,
Jáven/ Jáv= Vv/ Vven= 1 / D
Krokový převodník je ekvivalentní stejnosměrnému transformátoru, kde poměr otáček je v rozsahu 0-1.
Step Up / Step Down (Boost / Buck)
Nazývá se také střídač napětí. Použitím této konfigurace je možné zvýšit, snížit nebo převrátit napětí podle požadavku.
- Výstupní napětí má opačnou polaritu než vstup.
- Toho je dosaženo tím, že VL dopředně předpínací reverzně předpjatá dioda během doby vypnutí, produkující proud a nabíjející kondenzátor pro výrobu napětí během doby vypnutí
- Použitím tohoto typu spínacího regulátoru lze dosáhnout 90% účinnosti.
Regulátory napětí zesílení / zeslabení
Regulátory napětí alternátoru
Alternátory produkují proud potřebný ke splnění elektrických požadavků vozidla, když běží motor. Rovněž doplňuje energii, která se používá k nastartování vozidla. Alternátor má schopnost produkovat více proudu při nižších rychlostech než stejnosměrné generátory, které kdysi používala většina vozidel. Alternátor má dvě části
Regulátor napětí alternátoru
Stator - Toto je stacionární součást, která se nepohybuje. Obsahuje sadu elektrických vodičů navinutých v cívkách přes železné jádro.
Rotor / armatura - Jedná se o pohyblivou součást, která vytváří rotující magnetické pole kterýmkoli z následujících tří způsobů: (i) indukce (ii) permanentní magnety (iii) pomocí budiče.
Elektronický regulátor napětí
Jednoduchý regulátor napětí může být vyroben z odporu v sérii s diodou (nebo sérií diod). Vzhledem k logaritmickému tvaru křivek diody V-I se napětí na diodě mění jen nepatrně v důsledku změn odebíraného proudu nebo změn ve vstupu. Pokud není důležité přesné řízení napětí a účinnost, může tento design fungovat dobře.
Elektronický regulátor napětí
Regulátor napětí tranzistoru
Elektronické regulátory napětí mají nastavitelný zdroj referenčního napětí, který poskytuje Zenerova dioda , která je také známá jako provozní dioda s reverzním průrazným napětím. Udržuje konstantní stejnosměrné výstupní napětí. Zvlnění střídavého napětí je blokováno, ale filtr nelze blokovat. Regulátor napětí má také zvláštní obvod pro ochranu proti zkratu a obvod omezující proud, ochranu proti přepětí a tepelné vypnutí.
Základní parametry regulátorů napětí
- Mezi základní parametry, které je třeba vzít v úvahu při provozu regulátoru napětí, patří hlavně i / p napětí, o / p napětí a o / p proud. Obecně se všechny tyto parametry používají hlavně k určení typu VR topologie je dobře uzavřeno nebo neodpovídá IC uživatele.
- Dalšími parametry tohoto regulátoru jsou spínací frekvence, na základě požadavku může být použit tepelný odpor klidového proudu zpětnovazebního napětí
- Klidový proud je významný, jakmile je hlavním problémem účinnost v pohotovostních režimech nebo zátěž světla.
- Jakmile je spínací frekvence považována za parametr, může využití spínací frekvence vést k řešení malého systému. Tepelný odpor může být také nebezpečný pro zbavení se tepla ze zařízení a pro jeho rozpuštění ze systému.
- Pokud má kontrolér MOSFET, všechny vodivé i dynamické ztráty budou rozptýleny v balení a je třeba je vzít v úvahu při měření maximální teploty regulátoru.
- Nejdůležitějším parametrem je zpětnovazební napětí, protože rozhoduje o menším o / p napětí, které IC dokáže udržet. To omezuje menší napětí o / p a přesnost bude mít vliv na regulaci výstupního napětí.
Jak zvolit správný regulátor napětí?
- Klíčové parametry hrají klíčovou roli při výběru regulátoru napětí od návrháře, jako je Vin, Vout, Iout, systémové priority atd. Některé další klíčové funkce, jako je povolení ovládání nebo indikace dobrého napájení.
- Když designér popsal tyto nezbytnosti, použijte tabulku parametrického vyhledávání k nalezení nejlepšího zařízení pro splnění preferovaných potřeb.
- Pro designéry je tato tabulka velmi cenná, protože poskytuje několik funkcí a balíčky, které lze získat, aby splňovaly nezbytné parametry pro požadavek designéra.
- Zařízení MPS jsou k dispozici s jejich datovými listy, které podrobně popisují požadované externí části, jak měřit jejich hodnoty, aby se získal stabilní a efektivní design s vysokým výkonem.
- Tento datový list pomáhá hlavně při měření hodnot komponent, jako je kapacita výstupu, odpor zpětné vazby, indukčnost o / p atd.
- Můžete také využít některé simulační nástroje, jako je software MPSmart / DC / DC Designer, atd. MPS poskytuje různé regulátory napětí s kompaktní lineární řadou efektivních a spínacích typů, jako je řada MP171x, rodina HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 a MPQ2013-AEC1.
Omezení / Nevýhody
Omezení regulátorů napětí zahrnují následující.
- Jedním z hlavních omezení regulátoru napětí je, že jsou neúčinné kvůli rozptýlení obrovského proudu v některých aplikacích
- Pokles napětí tohoto IC je podobný a odpor pokles napětí. Například, když je vstup regulátoru napětí 5V a generuje výstup jako 3V, pak pokles napětí mezi dvěma svorkami je 2V.
- Účinnost regulátoru lze omezit na 3V nebo 5V, což znamená, že tyto regulátory jsou použitelné s menším počtem rozdílů Vin / Vout.
- V každé aplikaci je velmi důležité vzít v úvahu očekávaný ztrátový výkon regulátoru, protože když jsou vstupní napětí vysoká, pak bude ztrátový výkon vysoký, takže může dojít k poškození různých součástí v důsledku přehřátí.
- Dalším omezením je, že jsou jednoduše schopné převodu bucků ve srovnání s typy přepínání, protože tyto regulátory zajistí buck a převod.
- Regulátory, jako je spínací typ, jsou vysoce účinné, ale mají některé nevýhody, jako je nákladová efektivnost ve srovnání s regulátory lineárního typu, složitější, velké rozměry a mohou generovat více šumu, pokud jejich vnější součásti nejsou zvoleny opatrně.
Jedná se o různé typy regulátory napětí a jejich princip fungování. Věříme, že informace uvedené v tomto článku jsou užitečné pro lepší pochopení tohoto konceptu. Dále v případě jakýchkoli dotazů týkajících se tohoto článku nebo jakékoli pomoci s implementací elektrické a elektronické projekty , můžete nás kontaktovat komentováním v sekci komentářů níže. Zde je otázka na vás - Kde použijeme regulátor napětí alternátoru?