Olika typer av spänningsregulatorer med arbetsprincip

I strömförsörjningen spelar spänningsregulatorer en nyckelroll. Så innan vi ska diskutera en spänningsregulator , måste vi veta att vilken roll har en strömförsörjning när vi utformar ett system ?. Till exempel, i alla fungerande system som en smartphone, armbandsur, dator eller bärbar dator, är strömförsörjningen en viktig del för att arbeta med ugglesystemet, eftersom det ger konsekvent, pålitlig och kontinuerlig försörjning till systemets inre komponenter. I elektroniska enheter ger strömförsörjningen en stabil såväl som reglerad effekt för att fungera kretsarna ordentligt. Strömförsörjningskällorna är två typer som nätströmförsörjningen som kommer från eluttagen och likströmsförsörjningen som kommer från batterierna. Så den här artikeln diskuterar en översikt över olika typer av spänningsregulatorer och deras funktion.

Vad är en spänningsregulator?

En spänningsregulator används för att reglera spänningsnivåer. När en stadig, pålitlig spänning behövs är spänningsregulatorn den föredragna anordningen. Den genererar en fast utspänning som förblir konstant för alla förändringar i ingångsspänningen eller belastningsförhållandena. Det fungerar som en buffert för att skydda komponenter från skador. A spänningsregulator är en enhet med en enkel matning framåt design och den använder negativa återkoppling kontroll loopar.

Spänningsregulator

Det finns huvudsakligen två typer av spänningsregulatorer: Linjära spänningsregulatorer och växelspänningsregulatorer som används i bredare applikationer. Linjär spänningsregulator är den enklaste typen av spänningsregulator. Den finns i två typer, som är kompakta och används i lågspänningssystem. Låt oss diskutera olika typer av spänningsregulatorer.

De huvudkomponenter som används i spänningsregulatorn är

• Feedbackkrets
• Stabil referensspänning
• Passera Element Control Circuit

Spänningsregleringsprocessen är mycket enkel genom att använda ovanstående tre komponenter . Den första komponenten i spänningsregulatorn som en återkopplingskrets används för att detektera förändringar inom likspänningsutgången. Baserat på referensspänningen och återkopplingen kan en styrsignal genereras och driver Pass Element för att betala av ändringarna.

Här är pass-element en typ av solid-state halvledaranordning liknar en BJT-transistor, PN-Junction Diode annars en MOSFET. Nu kan likspänningen hållas ungefär stabil.

Arbeta med spänningsregulator

En spänningsreglerande krets används för att skapa och upprätthålla en permanent utspänning även när ingångsspänningen annars ändras belastningsförhållanden. Spänningsregulatorn hämtar spänningen från en strömförsörjning och den kan hållas i ett intervall som passar bra med de återstående elektriska komponenter . Oftast används dessa regulatorer för omvandling av DC / DC-effekt, AC / AC annars AC / DC.

Typer av spänningsregulatorer och deras arbete

Dessa regulatorer kan implementeras genom integrerade kretsar eller diskreta komponentkretsar. Spänningsregulatorer klassificeras i två typer, nämligen linjär spänningsregulator och växelspänningsregulator. Dessa regulatorer används huvudsakligen för att reglera spänningen i ett system, men linjära regulatorer arbetar med låg verkningsgrad liksom omkopplingsregulatorer som arbetar genom hög verkningsgrad. Vid omkoppling av regulatorer med hög effektivitet kan det mesta av i / p-effekten överföras till o / p utan avledning.

Typer av spänningsregulatorer

I grund och botten finns det två typer av spänningsregulatorer: linjär spänningsregulator och växelspänningsregulator.

• Det finns två typer av linjära spänningsregulatorer: Serier och Shunt.
• Det finns tre typer av växelspänningsregulatorer: Step up, Step down och Inverter spänningsregulatorer.

Linjära spänningsregulatorer

Den linjära regulatorn fungerar som en spänningsdelare. I regionen Ohmic använder den FET. Spänningsregulatorns motstånd varierar med belastningen vilket resulterar i konstant utspänning. Linjära spänningsregulatorer är den ursprungliga typen av regulatorer som används för att reglera strömförsörjningen. I denna typ av regulator är den variabla ledningsförmågan hos det aktiva passeringselementet som en MOSFET eller en BJT är ansvarig för att ändra utspänningen.

När en belastning är allierad kommer ändringarna i vilken ingång som helst, att belastningen kommer att resultera i en skillnad i ström i hela transistorn för att bibehålla utgången är konstant. För att ändra transistorns ström bör den arbetas i en aktiv annars Ohmisk region.

Under denna procedur släpper denna typ av regulator mycket kraft eftersom nätspänningen tappas i transistorn för att spridas som värme. Generellt är dessa regulatorer kategoriserade i olika kategorier.

• Positiv justerbar
• Negativ justerbar
• Fast utdata
• Spårning
• Flytande

Fördelar

De fördelarna med en linjär spänningsregulator inkluderar följande.

• Ger en låg utgångsspänning
• Snabb responstid för lastning eller radbyte
• Låg elektromagnetisk störning och mindre brus

Nackdelar

De nackdelarna med en linjär spänningsregulator inkluderar följande.

• Effektiviteten är mycket låg
• Kräver stort utrymme - kylfläns behövs
• Spänningen ovanför ingången kan inte ökas

Seriens spänningsregulatorer

En seriens spänningsregulator använder ett variabelt element placerat i serie med belastningen. Genom att ändra motståndet hos det serielementet kan spänningen som tappas över det ändras. Och spänningen över lasten förblir konstant.

Mängden ström som dras används effektivt av lasten, detta är den största fördelen med serie spänningsregulator . Även när belastningen inte kräver någon ström drar serieregulatorn inte full ström. Därför är en serieregulator betydligt effektivare än en shuntspänningsregulator.

Shunt-spänningsregulatorer

En shunt spänningsregulator fungerar genom att tillhandahålla en väg från matningsspänningen till marken genom ett variabelt motstånd. Strömmen genom shuntregulatorn har avledt från lasten och flyter värdelöst till marken, vilket gör denna form vanligtvis mindre effektiv än serieregulatorn. Det är emellertid enklare, ibland består det bara av en spänningsreferensdiod och används i mycket låga strömkretsar där den bortkastade strömmen är för liten för att vara oroande. Denna form är mycket vanlig för spänningsreferenskretsar. En shuntregulator kan vanligtvis bara sjunka (absorbera) ström.

Tillämpningar från Shunt Regulators

Shuntregulatorer används i:

• Strömförsörjning med låg utgångsspänning
• Nuvarande källa och sänkkretsar
• Felförstärkare
• Justerbar spänning eller ström linjär och växling Nätaggregat
• Spänningsövervakning
• Analoga och digitala kretsar som kräver precisionsreferenser
• Precisionsströmbegränsare

Växelspänningsregulatorer

En kopplingsregulator slår snabbt på och av en serieenhet. Strömbrytarens arbetscykel ställer in laddningsbeloppet som överförs till lasten. Detta styrs av en återkopplingsmekanism som liknar en linjär regulator. Växelregulatorer är effektiva eftersom serieelementet antingen är helt ledande eller avstängt eftersom det släpper ut nästan ingen ström. Växlingsregulatorer kan generera utspänningar som är högre än ingångsspänningen eller med motsatt polaritet, till skillnad från linjära regulatorer.

Växelspänningsregulatorn slås på och av snabbt för att ändra utgången. Det kräver en kontrolloscillator och laddar också lagringskomponenter.

I en omkopplingsregulator med pulsfrekvensmodulering varierande frekvens, konstant arbetscykel och brusspektrum som införs av PRM varierar är det svårare att filtrera bort det bruset.

En omkopplingsregulator med Pulsbreddsmodulering , konstant frekvens, varierande arbetscykel, är effektiv och lätt att filtrera bort buller.
I en omkopplingsregulator sjunker kontinuerlig lägesström genom en induktor aldrig till noll. Det tillåter högsta uteffekt. Det ger bättre prestanda.

I en omkopplingsregulator sjunker diskontinuerlig lägesström genom induktorn till noll. Det ger bättre prestanda när utströmmen är låg.

Byt topologi

Den har två typer av topologier: Dielektrisk isolering och icke-isolering.

Isolerat

Den är baserad på strålning och intensiva miljöer. Återigen klassificeras isolerade omvandlare i två typer som inkluderar följande.

• Flyback-omvandlare
• Framåt konverterare

I de ovan angivna isolerade omvandlarna diskuteras i strömbrytaren.

Icke-isolering

Den är baserad på små förändringar i Vout / Vin. Exempel är Step Up-spänningsregulator (Boost) - Ökar ingångsspänningen Step Down (Buck) - sänker ingångsspänningen Step up / Step Down (boost / buck) Spänningsregulator - Sänker eller höjer eller inverterar ingångsspänningen beroende på styrenhet Laddpump - Det ger flera ingångar utan att använda en induktor.

Återigen klassificeras icke-isolerade omvandlare i olika typer men de betydande är

• Buck Converter eller Step-down Voltage Regulator
• Boost Converter eller Step-up Voltage Regulator
• Buck eller Boost Converter

Fördelar med att byta topologi

De viktigaste fördelarna med en strömbrytare är effektivitet, storlek och vikt. Det är också en mer komplex design som kan hantera högre energieffektivitet. En växelspänningsregulator kan ge utgång, som är större än eller mindre än eller som inverterar ingångsspänningen.

Nackdelar av växlingstopologier

• Högre utgående krusningsspänning
• Långsammare övergående återhämtningstid
• EMI producerar mycket bullriga utdata
• Väldigt dyr

Steg-upp-omkopplare, även kallade boost-switchregulatorer, ger en högre spänningsutgång genom att höja ingångsspänningen. Utgångsspänningen regleras så länge effekten dras ligger inom kretsens specifikation för uteffekt. För att driva strängar av lysdioder används Step up Switching voltage regulator.

Steg upp spänningsregulatorer

Antag att Lossless circuit Pin = Pout (ingångs- och uteffekt är samma)

Sedan V_iJag_i= V_utJag_ut,

Jag_ut/ Jag_i= (1-D)

Från detta dras det slutsatsen att i denna krets

• Krafterna förblir desamma
• Spänningen ökar
• Strömmen minskar
• Motsvarar DC-transformator

Gå ner (Buck) Spänningsregulator

Det sänker ingångsspänningen.

Steg ner spänningsregulatorer

Om ingångseffekten är lika med uteffekten, då

P_i= P_utV_iJag_i= V_utJag_ut,

Jag_ut/ Jag_i= V_i/ V_ut= 1 / D

Nedstegningsomvandlare motsvarar likströmstransformator, varvid varvtalet ligger i området 0-1.

Step Up / Step Down (Boost / Buck)

Det kallas också en spänningsomformare. Genom att använda denna konfiguration är det möjligt att höja, sänka eller invertera spänningen enligt kravet.

• Utgångsspänningen har motsatt polaritet för ingången.
• Detta uppnås genom att VL framåtförspända dioder under avstängningstiderna, producerar ström och laddar kondensatorn för spänningsproduktion under avstängningstiderna
• Genom att använda denna typ av omkopplingsregulator kan 90% effektivitet uppnås.

Steg upp / steg ner spänningsregulatorer

Generatorns spänningsregulatorer

Generatorer producerar den ström som krävs för att möta ett fordons elektriska krav när motorn går. Det fyller också på den energi som används för att starta fordonet. En generator har förmågan att producera mer ström vid lägre hastigheter än DC-generatorerna som en gång användes av de flesta fordon. Generatorn har två delar

Generator spänningsregulator

Stator - Detta är en stationär komponent som inte rör sig. Den innehåller en uppsättning elektriska ledare lindade i spolar över en järnkärna.
Rotor / armatur - Detta är den rörliga komponenten som producerar ett roterande magnetfält på något av följande tre sätt: (i) induktion (ii) permanentmagneter (iii) med hjälp av en exciter.

Elektronisk spänningsregulator

En enkel spänningsregulator kan tillverkas av ett motstånd i serie med en diod (eller serie dioder). På grund av den logaritmiska formen på diodens V-I-kurvor ändras spänningen över dioden endast något på grund av förändringar i strömdragningen eller förändringar i ingången. När exakt spänningsstyrning och effektivitet inte är viktigt kan den här designen fungera bra.

Elektronisk spänningsregulator

Transistors spänningsregulator

Elektroniska spänningsregulatorer har en hållbar spänningsreferenskälla som tillhandahålls av Zener-diod , som också är känd som diod för omvänd spänning. Den upprätthåller en konstant likspänning. AC-krusningsspänningen är blockerad men filtret kan inte blockeras. Spänningsregulatorn har också en extra krets för kortslutningsskydd och strömbegränsande krets, överspänningsskydd och termisk avstängning.

Grundläggande parametrar för spänningsregulatorer

• De grundläggande parametrarna som måste beaktas vid drift av en spänningsregulator inkluderar huvudsakligen i / p-spänning, o / p-spänning samt o / p-ström. Generellt används alla dessa parametrar huvudsakligen för att bestämma VR-typen topologi är väl matchad eller inte med användarens IC.
• Andra parametrar för denna regulator är omkopplingsfrekvens, vilande strömåterkopplingsspänning termiskt motstånd kan vara tillämpligt baserat på kravet
• Den vilande strömmen är betydande när effektiviteten i standbylägen eller ljusbelastning är det största problemet.
• När väl växelfrekvens betraktas som en parameter kan utnyttjande av omkopplingsfrekvens leda till lösningarna i ett litet system. Värmebeständigheten kan också vara farlig för att bli av med värmen från enheten och lösa upp värmen från systemet.
• Om styrenheten har en MOSFET, sedan alla ledande såväl som dynamiska förluster kommer att försvinna i paketet och måste övervägas när man mäter regulatorns högsta temperatur.
• Den viktigaste parametern är återkopplingsspänning eftersom den bestämmer den mindre o / p-spänning som IC kan hålla. Detta begränsar den lägre o / p-spänningen och noggrannheten kommer att påverka regleringen av utspänningen.

Hur väljer man rätt spänningsregulator?

• Nyckelparametrarna spelar en nyckelroll när de väljer spänningsregulatorn av designern som Vin, Vout, Iout, systemprioriteringar, etc. Några extra nyckelfunktioner som möjliggör kontroll eller effektindikering.
• När designern har beskrivit dessa nödvändigheter, använd sedan en parametrisk söktabell för att upptäcka den bästa apparaten för att möta de önskade nödvändigheterna.
• För designers är denna tabell mycket värdefull eftersom den innehåller flera funktioner såväl som paket som kan erhållas för att uppfylla de nödvändiga parametrarna för kravet på en designer.
• Enheterna i MPS finns med sina datablad som i detalj beskriver nödvändiga externa delar, hur man mäter deras värden för att få en stabil, effektiv design med hög prestanda.
• Detta datablad hjälper främst till att mäta värdena på komponenter som kapacitans för utgång, återkopplingsmotstånd, o / p-induktans, etc.
• Du kan också använda några simuleringsverktyg som MPSmart-programvaran / DC / DC Designer, etc. MPS ger olika spänningsregulatorer en kompakt linjär, mängd olika effektiva & växlingstyper som MP171x-familjen, HF500-x-familjen, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 och MPQ2013-AEC1.

Begränsningar / nackdelar

Begränsningarna för spänningsregulatorer inkluderar följande.

• En av de viktigaste begränsningarna för spänningsregulatorn är att de är ineffektiva på grund av avledning av enorm ström i vissa applikationer
• Spänningsfallet för denna IC liknar a motstånd spänningsfall. Till exempel, när ingången till spänningsregulatorn är 5V och genererar utgång som 3V, är spänningsfallet mellan de två terminalerna 2V.
• Regulatorns effektivitet kan begränsas till 3V eller 5V, vilket innebär att dessa regulatorer är tillämpliga med färre Vin / Vout-skillnader.
• I alla applikationer är det väldigt viktigt att överväga den förväntade effektförlusten för en regulator, för när ingångsspänningarna är höga kommer energiförlusten att vara hög så att det kan skada olika komponenter på grund av överhettning.
• En annan begränsning är att de helt enkelt är kapabla till buck-konvertering jämfört med växlingstyper eftersom dessa regulatorer kommer att ge buck och konvertering.
• Regulatorerna som att byta typ är effektiva men de har vissa nackdelar som kostnadseffektivitet jämfört med linjära typregulatorer, mer komplexa, stora och kan generera mer buller om deras yttre komponenter inte väljs med försiktighet.

Det handlar om olika typer av spänningsregulatorer och deras arbetsprincip. Vi tror att informationen i den här artikeln är till hjälp för dig för en bättre förståelse av detta koncept. Vidare för frågor angående den här artikeln eller någon hjälp med att implementera el- och elektronikprojekt kan du kontakta oss genom att kommentera i kommentarfältet nedan. Här är en fråga till dig - Var ska vi använda en generator spänningsregulator?