Verschillende soorten spanningsregelaars met werkingsprincipe

In de stroomvoorziening spelen spanningsregelaars een sleutelrol. Dus voordat je een spanningsregelaar , we moeten weten dat wat de rol is van een voeding bij het ontwerpen van een systeem ?. In elk werkend systeem, zoals een smartphone, polshorloge, computer of laptop, is de voeding bijvoorbeeld een essentieel onderdeel om het uilsysteem te laten werken, omdat het een consistente, betrouwbare en continue toevoer levert aan de interne componenten van het systeem. Bij elektronische apparaten levert de voeding een stabiel en gereguleerd vermogen om de circuits goed te laten werken. De voedingsbronnen zijn twee soorten, zoals de wisselstroomvoeding die uit het stopcontact komt en de gelijkstroomvoeding die van de batterijen komt. Dit artikel bespreekt dus een overzicht van verschillende soorten spanningsregelaars en hun werking.

Wat is een spanningsregelaar?

Een spanningsregelaar wordt gebruikt om spanningsniveaus te regelen. Wanneer een constante, betrouwbare spanning nodig is, is de spanningsregelaar het apparaat dat de voorkeur heeft. Het genereert een vaste uitgangsspanning die constant blijft voor eventuele veranderingen in een ingangsspanning of belastingscondities. Het fungeert als buffer om componenten tegen beschadiging te beschermen. EEN spanningsregelaar is een apparaat met een eenvoudig feed-forward ontwerp en het maakt gebruik van negatieve feedback-regellussen.

Spanningsregelaar

Er zijn hoofdzakelijk twee soorten spanningsregelaars: lineaire spanningsregelaars en schakelende spanningsregelaars, deze worden in bredere toepassingen gebruikt. De lineaire spanningsregelaar is het gemakkelijkste type spanningsregelaar. Het is verkrijgbaar in twee typen, die compact zijn en worden gebruikt in systemen met laag vermogen en laagspanning. Laten we verschillende soorten spanningsregelaars bespreken.

De belangrijkste componenten gebruikt in de spanningsregelaar zijn

• Feedbackcircuit
• Stabiele referentiespanning
• Pass Element Control Circuit

Het spanningsregelingsproces is heel eenvoudig door de bovenstaande drie te gebruiken componenten ​Het eerste onderdeel van de spanningsregelaar, zoals een feedbackcircuit, wordt gebruikt om de veranderingen in de DC-spanningsoutput te detecteren. Op basis van zowel de referentiespanning als de feedback kan een stuursignaal worden gegenereerd dat het Pass Element aandrijft om de veranderingen af ​​te betalen.

Hier is het doorlaatelement een soort solid-state halfgeleiderapparaat vergelijkbaar met een BJT-transistor, PN-Junction Diode anders een MOSFET. Nu kan de DC-uitgangsspanning ongeveer stabiel worden gehouden.

Werking van spanningsregelaar

Een spanningsregelaarcircuit wordt gebruikt om zowel een permanente uitgangsspanning te maken als te behouden, zelfs wanneer de ingangsspanning anders de belastingscondities veranderen. De spanningsregelaar krijgt de spanning van een voeding en kan in een bereik worden gehouden dat goed bij de rest past elektrische componenten ​Meestal worden deze regelaars gebruikt voor het omzetten van DC / DC-stroom, AC / AC anders AC / DC.

Soorten spanningsregelaars en hun werking

Deze toezichthouders kunnen worden geïmplementeerd via geïntegreerde schakelingen of discrete componentcircuits. Spanningsregelaars zijn ingedeeld in twee typen, namelijk lineaire spanningsregelaar en schakelende spanningsregelaar. Deze regelaars worden voornamelijk gebruikt om de spanning van een systeem te regelen, maar lineaire regelaars werken met een laag rendement en schakelende regelaars die door een hoog rendement werken. Bij schakelende regelaars met een hoog rendement, kan het grootste deel van het i / p-vermogen zonder dissipatie naar de o / p worden overgedragen.

Soorten spanningsregelaars

In principe zijn er twee soorten spanningsregelaars: lineaire spanningsregelaar en schakelende spanningsregelaar.

• Er zijn twee soorten lineaire spanningsregelaars: serie en shunt.
• Er zijn drie soorten schakelspanningsregelaars: Step-up, Step-down en Inverter-spanningsregelaars.

Lineaire spanningsregelaars

De lineaire regelaar werkt als een spanningsdeler. In het Ohmse gebied gebruikt het FET. De weerstand van de spanningsregelaar varieert met de belasting, wat resulteert in een constante uitgangsspanning. Lineaire spanningsregelaars zijn het originele type regelaars dat wordt gebruikt om de voedingen te regelen. In dit soort regelaars kan de variabele geleidbaarheid van het actieve doorlaatelement als een MOSFET of een BJT is verantwoordelijk voor het wijzigen van de uitgangsspanning.

Zodra een belasting is geallieerd, zullen de veranderingen in elke invoer, anders zal de belasting resulteren in een verschil in stroom door de transistor om de uitvoer constant te houden. Om de stroom van de transistor te veranderen, moet deze in een actief, anders Ohmisch gebied worden gewerkt.

Tijdens deze procedure dissipeert dit soort regelaar veel vermogen omdat de netspanning in de transistor wordt verlaagd om als warmte af te voeren. Over het algemeen zijn deze toezichthouders onderverdeeld in verschillende categorieën.

• Positief instelbaar
• Negatief instelbaar
• Vaste uitgang
• Volgen
• Drijvend

Voordelen

De voordelen van een lineaire spanningsregelaar omvatten de volgende.

• Geeft een lage rimpelspanning aan de uitgang
• Snelle reactietijd om te laden of lijnwisselingen
• Lage elektromagnetische interferentie en minder ruis

Nadelen

De nadelen van een lineaire spanningsregelaar omvatten de volgende.

• De efficiëntie is erg laag
• Vereist grote ruimte - heatsink is nodig
• Spanning boven de ingang kan niet worden verhoogd

Serie spanningsregelaars

Een seriespanningsregelaar gebruikt een variabel element dat in serie is geplaatst met de belasting. Door de weerstand van dat serie-element te veranderen, kan de spanning die erover valt, worden gewijzigd. En de spanning over de belasting blijft constant.

De hoeveelheid opgenomen stroom wordt effectief gebruikt door de belasting, dit is het belangrijkste voordeel van de serie spanningsregelaar ​Zelfs als de belasting geen stroom nodig heeft, trekt de serieregelaar geen volledige stroom. Daarom is een serieregelaar aanzienlijk efficiënter dan een shuntspanningsregelaar.

Shunt-spanningsregelaars

Een shunt spanningsregelaar werkt door een pad te bieden van de voedingsspanning naar de aarde via een variabele weerstand. De stroom door de shuntregelaar is weggeleid van de belasting en stroomt nutteloos naar de grond, waardoor deze vorm meestal minder efficiënt is dan de serieregelaar. Het is echter eenvoudiger, bestaat soms uit slechts een spanningsreferentiediode, en wordt gebruikt in circuits met zeer laag vermogen waarin de verspilde stroom te klein is om van belang te zijn. Deze vorm is heel gebruikelijk voor spanningsreferentiecircuits. Een shuntregelaar kan meestal alleen stroom zinken (absorberen).

Toepassingen van shuntregelaars

Shuntregelaars worden gebruikt in:

• Schakelvoedingen met lage uitgangsspanning
• Huidige bron- en gootsteencircuits
• Fout versterkers
• Instelbare spanning of stroom lineair en schakelen Voedingen
• Spanningsbewaking
• Analoge en digitale schakelingen die nauwkeurige referenties vereisen
• Precisie stroombegrenzers

Schakelende spanningsregelaars

Een schakelende regelaar schakelt een serie-apparaat snel in en uit. De inschakelduur van de schakelaar bepaalt de hoeveelheid lading die naar de belasting wordt overgebracht. Dit wordt geregeld door een feedbackmechanisme dat vergelijkbaar is met dat van een lineaire regelaar. Schakelende regelaars zijn efficiënt omdat het serie-element ofwel volledig geleidend is, ofwel uitgeschakeld omdat het bijna geen vermogen dissipeert. Schakelende regelaars kunnen uitgangsspanningen genereren die hoger zijn dan de ingangsspanning of van tegengestelde polariteit, in tegenstelling tot lineaire regelaars.

De schakelspanningsregelaar schakelt snel aan en uit om de output te wijzigen. Het vereist een besturingsoscillator en laadt ook opslagcomponenten op.

In een schakelende regulator met Pulse Rate Modulation variërende frequentie, constante duty cycle en ruisspectrum opgelegd door PRM, is het moeilijker om die ruis weg te filteren.

Een schakelende regelaar met Pulsbreedtemodulatie , constante frequentie, variërende inschakelduur, is efficiënt en gemakkelijk te filteren op ruis.
In een schakelende regulator daalt de continue modusstroom door een inductor nooit tot nul. Het zorgt voor het hoogste uitgangsvermogen. Het geeft betere prestaties.

In een schakelende regelaar daalt de discontinue modusstroom door de inductor tot nul. Het geeft betere prestaties wanneer de uitgangsstroom laag is.

Schakelen tussen topologieën

Het heeft twee soorten topologieën: diëlektrische isolatie en niet-isolatie.

Geïsoleerd

Het is gebaseerd op straling en intense omgevingen. Nogmaals, geïsoleerde converters worden geclassificeerd in twee typen, waaronder de volgende.

• Flyback-omvormers
• Termijnconverters

In de hierboven vermelde geïsoleerde omvormers worden besproken in het onderwerp geschakelde voeding.

Niet-isolatie

Het is gebaseerd op kleine veranderingen in Vout / Vin. Voorbeelden zijn Step Up spanningsregelaar (Boost) - Verhoogt ingangsspanning Step Down (Buck) - verlaagt ingangsspanning Step up / Step Down (boost / buck) Spanningsregelaar - Verlaagt of verhoogt of keert de ingangsspanning om, afhankelijk van de controller Laadpomp - Het biedt een veelvoud aan invoer zonder een inductor te gebruiken.

Nogmaals, niet-geïsoleerde converters worden ingedeeld in verschillende typen, maar de significante zijn dat wel

• Buck converter of step-down spanningsregelaar
• Boost converter of step-up spanningsregelaar
• Buck of Boost Converter

Voordelen van het wisselen van topologieën

De belangrijkste voordelen van een schakelende voeding zijn efficiëntie, grootte en gewicht. Het is ook een complexer ontwerp, dat in staat is om een ​​hogere energie-efficiëntie aan te kunnen. Een schakelende spanningsregelaar kan een output leveren die groter of kleiner is dan of die de ingangsspanning omkeert.

Nadelen van topologieën omschakelen

• Hogere output-rimpelspanning
• Langzamere tijdelijke hersteltijd
• EMI produceert een zeer luidruchtige uitvoer
• Heel duur

Step-up switching converters ook wel boost switching regulatoren genoemd, zorgen voor een hogere uitgangsspanning door de ingangsspanning te verhogen. De uitgangsspanning wordt geregeld, zolang het opgenomen vermogen binnen de specificaties van het uitgangsvermogen van het circuit valt. Voor het aansturen van strings van LED's wordt Step up Switching spanningsregelaar gebruikt.

Voer spanningsregelaars op

Veronderstel Lossless circuit Pin = Pout (ingangs- en uitgangsvermogen zijn hetzelfde)

Vervolgens V_inik_in= V_uitik_uit​

ik_uit/ Ik_in= (1-D)

Hieruit wordt afgeleid dat in dit circuit

• Bevoegdheden blijven hetzelfde
• Spanning stijgt
• Huidige neemt af
• Gelijk aan DC-transformator

Stap omlaag (Buck) spanningsregelaar

Het verlaagt de ingangsspanning.

Verlaag spanningsregelaars

Als het ingangsvermogen gelijk is aan het uitgangsvermogen, dan

P._in= P._uitV_inik_in= V_uitik_uit​

ik_uit/ Ik_in= V_in/ V_uit= 1 / D

Step-down-omzetter is gelijk aan DC-transformator waarbij de windingsverhouding in het bereik van 0-1 ligt.

Stap omhoog / omlaag (boost / buck)

Het wordt ook wel een spanningsomvormer genoemd. Door deze configuratie te gebruiken, is het mogelijk om de spanning te verhogen, verlagen of om te keren volgens de vereisten.

• De uitgangsspanning heeft de tegenovergestelde polariteit van de ingang.
• Dit wordt bereikt door VL voorwaartse voorspanning in tegengestelde richting tijdens de uit-tijden, die stroom produceert en de condensator oplaadt voor spanningsproductie tijdens de uit-tijden
• Door gebruik te maken van dit type schakelregelaar kan een rendement van 90% worden behaald.

Step Up / Step Down spanningsregelaars

Dynamo-spanningsregelaars

Dynamo's produceren de stroom die nodig is om te voldoen aan de elektrische eisen van een voertuig wanneer de motor loopt. Het vult ook de energie aan die wordt gebruikt om het voertuig te starten. Een dynamo kan bij lagere snelheden meer stroom produceren dan de DC-generatoren die ooit door de meeste voertuigen werden gebruikt. De dynamo bestaat uit twee delen

Dynamo spanningsregelaar

Stator - Dit is een stationair onderdeel, dat niet beweegt. Het bevat een set elektrische geleiders die in spoelen over een ijzeren kern zijn gewikkeld.
Rotor / anker - Dit is de bewegende component die een roterend magnetisch veld produceert op een van de volgende drie manieren: (i) inductie (ii) permanente magneten (iii) met behulp van een exciter.

Elektronische spanningsregelaar

Een eenvoudige spanningsregelaar kan worden gemaakt van een weerstand in serie met een diode (of een reeks diodes). Vanwege de logaritmische vorm van diode V-I-curven, verandert de spanning over de diode slechts in geringe mate als gevolg van veranderingen in de opgenomen stroom of veranderingen in de ingang. Wanneer nauwkeurige spanningsregeling en efficiëntie niet belangrijk zijn, werkt dit ontwerp mogelijk prima.

Elektronische spanningsregelaar

Transistor spanningsregelaar

Elektronische spanningsregelaars hebben een stabiele spanningsreferentiebron die wordt geleverd door de Zener diode , die ook bekend staat als werkdiode voor de omgekeerde doorslagspanning. Het handhaaft een constante DC-uitgangsspanning. De AC-rimpelspanning is geblokkeerd, maar het filter kan niet worden geblokkeerd. De spanningsregelaar heeft ook een extra circuit voor kortsluitbeveiliging en stroombegrenzingscircuit, overspanningsbeveiliging en thermische uitschakeling.

Basisparameters van spanningsregelaars

• De basisparameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het gebruik van een spanningsregelaar, zijn voornamelijk de i / p-spanning, o / p-spanning en o / p-stroom. Over het algemeen worden al deze parameters voornamelijk gebruikt om het VR-type te bepalen topologie is goed afgestemd of niet met de IC van een gebruiker.
• Andere parameters van deze regelaar zijn schakelfrequentie, ruststroomfeedbackspanning thermische weerstand kan van toepassing zijn op basis van de vereiste
• Ruststroom is significant als efficiëntie in de standby-modi of lichte belasting de belangrijkste zorg is.
• Als de schakelfrequentie eenmaal als parameter wordt beschouwd, kan het benutten van de schakelfrequentie leiden tot de oplossingen van een klein systeem. Ook kan de thermische weerstand gevaarlijk zijn om de warmte van het apparaat kwijt te raken en om de warmte uit het systeem op te lossen.
• Als de controller een MOSFET heeft, daarna alle geleidende en dynamische verliezen zal worden verspreid in de verpakking en moet worden overwogen zodra de uiterste temperatuur van de regelaar wordt gemeten.
• De belangrijkste parameter is de terugkoppelingsspanning, aangezien deze bepaalt hoeveel o / p-spanning de IC kan vasthouden. Dit beperkt de lagere o / p-spanning en de nauwkeurigheid heeft invloed op de regeling van de uitgangsspanning.

Hoe de juiste spanningsregelaar kiezen?

• De belangrijkste parameters spelen een sleutelrol bij het selecteren van de spanningsregelaar door de ontwerper, zoals Vin, Vout, Iout, systeemprioriteiten, enz. Enkele extra belangrijke functies zoals controle mogelijk maken of een goede indicatie van het vermogen.
• Wanneer de ontwerper deze benodigdheden heeft beschreven, gebruik dan een parametrische zoektabel om het beste apparaat te vinden om aan de gewenste behoeften te voldoen.
• Voor ontwerpers is deze tabel erg waardevol omdat hij verschillende functies en pakketten biedt die verkrijgbaar zijn om te voldoen aan de noodzakelijke parameters voor de vereisten van een ontwerper.
• De apparaten van MPS zijn beschikbaar met hun datasheets die in detail de vereiste externe onderdelen beschrijven, hoe ze hun waarden kunnen meten om een ​​stabiel, efficiënt ontwerp met hoge prestaties te krijgen.
• Dit gegevensblad helpt voornamelijk bij het meten van de waarden van componenten zoals outputcapaciteit, feedbackweerstand, o / p-inductie, enz.
• U kunt ook enkele simulatietools gebruiken zoals de MPSmart-software / DC / DC Designer, enz. MPS biedt verschillende spanningsregelaars met een compacte lineaire, verscheidenheid aan efficiënte en schakelende typen, zoals de MP171x-familie, de HF500-x-familie, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 en MPQ2013-AEC1.

Beperkingen / nadelen

De beperkingen van spanningsregelaars omvatten de volgende.

• Een van de belangrijkste beperkingen van de spanningsregelaar is dat ze inefficiënt zijn vanwege de dissipatie van enorme stroom in sommige toepassingen
• De spanningsval van dit IC is vergelijkbaar met een weerstand spanningsval. Als de ingang van de spanningsregelaar bijvoorbeeld 5V is en een output genereert zoals 3V, dan is de spanningsval tussen de twee aansluitingen 2V.
• Het rendement van de regelaar kan worden beperkt tot 3V of 5V, wat betekent dat deze regelaars toepasbaar zijn met minder Vin / Vout-differentiëlen.
• Bij elke toepassing is het erg belangrijk om rekening te houden met de verwachte vermogensdissipatie voor een regelaar, want wanneer de ingangsspanningen hoog zijn, zal de vermogensdissipatie hoog zijn, zodat verschillende componenten kunnen worden beschadigd door oververhitting.
• Een andere beperking is dat ze eenvoudigweg in staat zijn tot buck-conversie in vergelijking met overstaptypen, omdat deze regulatoren voor buck en conversie zorgen.
• De regelaars, zoals het schakeltype, zijn zeer efficiënt, maar ze hebben enkele nadelen, zoals kosteneffectiviteit in vergelijking met regelgevers van het lineaire type, complexer, groter van formaat en kunnen meer ruis genereren als hun externe componenten niet voorzichtig worden gekozen.

Dit gaat allemaal over verschillende soorten spanningsregelaars en hun werkingsprincipe. Wij zijn van mening dat de informatie in dit artikel nuttig voor u is om dit concept beter te begrijpen. Verder, voor vragen over dit artikel of voor hulp bij de implementatie elektrische en elektronische projecten , kunt u ons benaderen door in de commentaarsectie hieronder te reageren. Hier is een vraag voor u - Waar zullen we een dynamospanningsregelaar gebruiken?