Diferents tipus de reguladors de tensió amb principi de funcionament

En la font d'alimentació, els reguladors de tensió tenen un paper fonamental. Així que abans d’anar a discutir sobre un regulador de voltatge , hem de saber que quin és el paper d'una font d'alimentació durant el disseny d'un sistema ?. Per exemple, en qualsevol sistema de treball com un telèfon intel·ligent, un rellotge de polsera, un ordinador o un ordinador portàtil, la font d'alimentació és una part essencial per treballar el sistema de mussols, ja que proporciona un subministrament continu, fiable i continu als components interiors del sistema. En els dispositius electrònics, la font d'alimentació proporciona una potència estable i regulada per treballar correctament els circuits. Les fonts d'alimentació són de dos tipus, com ara la font d'alimentació de CA que surt de la presa de corrent i la font d'alimentació de CC de les bateries. Per tant, aquest article tracta una visió general dels diferents tipus de reguladors de tensió i el seu funcionament.

Què és un regulador de tensió?

Un regulador de tensió s’utilitza per regular els nivells de tensió. Quan es necessita una tensió estable i fiable, el regulador de tensió és el dispositiu preferit. Genera una tensió de sortida fixa que es manté constant per a qualsevol canvi en una tensió d’entrada o en condicions de càrrega. Actua com a memòria intermèdia per protegir els components dels danys. A regulador de voltatge és un dispositiu amb un disseny senzill de feed-forward i que fa servir bucles de control de retroalimentació negatius.

Regulador de voltatge

Hi ha principalment dos tipus de reguladors de tensió: els reguladors de tensió lineals i els reguladors de tensió de commutació s’utilitzen en aplicacions més àmplies. El regulador de tensió lineal és el tipus de regulador de tensió més fàcil. Està disponible en dos tipus, que són compactes i s’utilitzen en sistemes de baixa tensió i baixa potència. Analitzem els diferents tipus de reguladors de tensió.

El components principals utilitzats en el regulador de tensió són

• Circuit de retroalimentació
• Voltatge de referència estable
• Circuit de control de l’element de passada

El procés de regulació de la tensió és molt fàcil mitjançant l’ús dels tres anteriors components . El primer component del regulador de tensió, com un circuit de retroalimentació, s’utilitza per detectar els canvis dins de la sortida de tensió de CC. Basant-se en la tensió de referència i en la retroalimentació, es pot generar un senyal de control que condueix l’element de pas per pagar els canvis.

Aquí, l’element pass és un tipus d’estat sòlid dispositiu semiconductor similar a un transistor BJT, el díode PN-Junction és un MOSFET. Ara, el voltatge de sortida de CC es pot mantenir aproximadament estable.

Funcionament del regulador de tensió

Un circuit regulador de tensió s'utilitza per a mantenir i mantenir una tensió de sortida permanent fins i tot quan es modifica la tensió d'entrada en cas contrari, les condicions de càrrega. El regulador de tensió obté el voltatge d'una font d'alimentació i es pot mantenir en un rang que s'adapti bé a la resta components elèctrics . El més habitual és que aquests reguladors s’utilitzin per convertir potència CC / CC, CA / AC en cas contrari CA / CC.

Tipus de reguladors de tensió i el seu funcionament

Aquests reguladors es poden implementar mitjançant circuits integrats o circuits de components discrets. Els reguladors de tensió es classifiquen en dos tipus: regulador de tensió lineal i regulador de tensió de commutació. Aquests reguladors s'utilitzen principalment per regular la tensió d'un sistema, però, els reguladors lineals funcionen amb baixa eficiència, així com els reguladors de commutació que funcionen amb alta eficiència. En reguladors de commutació amb alta eficiència, la major part de la potència i / p es pot transmetre a la o / p sense dissipar-la.

Tipus de reguladors de tensió

Bàsicament, hi ha dos tipus de reguladors de tensió: regulador de tensió lineal i regulador de tensió de commutació.

• Hi ha dos tipus de reguladors de tensió lineals: Sèrie i Shunt.
• Hi ha tres tipus de reguladors de tensió de commutació: reguladors de tensió de pujada, baixada i inversors.

Reguladors de tensió lineal

El regulador lineal actua com a divisor de tensió. A la regió òhmica, utilitza FET. La resistència del regulador de tensió varia amb la càrrega que resulta en una tensió de sortida constant. Els reguladors de tensió lineal són el tipus original de reguladors que s’utilitzen per regular les fonts d’alimentació. En aquest tipus de regulador, la conductivitat variable de l’element de pas actiu com a MOSFET o un BJT és responsable de canviar la tensió de sortida.

Un cop aliada una càrrega, els canvis en qualsevol altra càrrega d'entrada es traduiran en una diferència de corrent al llarg del transistor per mantenir la sortida constant. Per canviar el corrent del transistor, s'hauria de treballar en una regió activa ohmica.

Al llarg d’aquest procediment, aquest tipus de regulador dissipa molta energia perquè la tensió neta es deixa caure dins del transistor per dissipar-se com la calor. En general, aquests reguladors es classifiquen en diferents categories.

• Ajustable positiu
• Ajustable negatiu
• Sortida fixa
• Seguiment
• Flotant

Avantatges

El avantatges d’un regulador de tensió lineal inclou el següent.

• Ofereix una baixa tensió d'ondulació de sortida
• Temps de resposta ràpid per carregar o canviar la línia
• Baixa interferència electromagnètica i menys soroll

Desavantatges

El desavantatges d’un regulador de tensió lineal inclou el següent.

• L’eficiència és molt baixa
• Requereix un espai ampli: cal dissipador de calor
• No es pot augmentar la tensió per sobre de l'entrada

Reguladors de tensió de la sèrie

Un regulador de tensió en sèrie utilitza un element variable col·locat en sèrie amb la càrrega. Si canvieu la resistència d’aquest element de la sèrie, es pot canviar la tensió caiguda a través d’ell. I, el voltatge a través de la càrrega es manté constant.

La quantitat de corrent extreta és eficaçment utilitzada per la càrrega, aquest és el principal avantatge del regulador de tensió en sèrie . Fins i tot quan la càrrega no requereix cap corrent, el regulador de la sèrie no treu corrent complet. Per tant, un regulador de sèrie és considerablement més eficient que un regulador de voltatge de derivació.

Reguladors de voltatge de derivació

Una derivació funciona el regulador de tensió proporcionant un recorregut des de la tensió d’alimentació fins a terra a través d’una resistència variable. El corrent a través del regulador de derivació s’ha desviat de la càrrega i flueix inútilment cap al terra, cosa que fa que aquesta forma normalment sigui menys eficient que el regulador de la sèrie. No obstant això, és més senzill, de vegades consisteix només en un díode de referència de voltatge, i s'utilitza en circuits de molt baixa potència en què el corrent desaprofitat és massa petit per preocupar-se. Aquesta forma és molt comuna per als circuits de referència de tensió. Un regulador de derivació normalment només pot enfonsar (absorbir) corrent.

Aplicacions dels reguladors de derivació

Els reguladors de derivació s’utilitzen en:

• Fonts d'alimentació de commutació de baixa tensió de sortida
• Circuits de font actual i d'aigüera
• Amplificadors d'error
• Corrent lineal de tensió o corrent i commutació Fonts d'alimentació
• Monitoratge de la tensió
• Circuits analògics i digitals que requereixen referències de precisió
• Limitadors de corrent de precisió

Reguladors de tensió de commutació

Un regulador de commutació encén i apaga ràpidament un dispositiu de sèrie. El cicle de treball del commutador estableix la quantitat de càrrega transferida a la càrrega. Això està controlat per un mecanisme de retroalimentació similar al d’un regulador lineal. Els reguladors de commutació són eficients perquè l’element de la sèrie és totalment conductor o apagat perquè gairebé no dissipa energia. Els reguladors de commutació són capaços de generar tensions de sortida superiors a la tensió d’entrada o de polaritat oposada, a diferència dels reguladors lineals.

El regulador de tensió de commutació s'encén i s'apaga ràpidament per alterar la sortida. Requereix un oscil·lador de control i també carrega components d'emmagatzematge.

En un regulador de commutació amb freqüència variable de modulació de la velocitat de pols, cicle de treball constant i espectre de soroll imposat per PRM, és més difícil filtrar aquest soroll.

Un regulador de commutació amb Modulació d'amplada de pols , la freqüència constant, el cicle de treball variable, és eficient i fàcil de filtrar el soroll.
En un regulador de commutació, el corrent de mode continu a través d’un inductor no baixa mai a zero. Permet la màxima potència de sortida. Dóna un millor rendiment.

En un regulador de commutació, el corrent de mode discontinu a través de l’inductor cau a zero. Dóna un millor rendiment quan el corrent de sortida és baix.

Canvi de topologies

Té dos tipus de topologies: aïllament dielèctric i no aïllament.

Aïllat

Es basa en radiacions i ambients intensos. De nou, els convertidors aïllats es classifiquen en dos tipus que inclouen els següents.

• Convertidors Flyback
• Convertidors cap endavant

Als convertidors aïllats esmentats anteriorment es discuteixen al tema de la font d'alimentació en mode commutat.

No aïllament

Es basa en petits canvis en Vout / Vin. Alguns exemples són el regulador de tensió Step Up (Boost) - Augmenta la tensió d’entrada Step Down (Buck) - redueix la tensió d’entrada Step Up / Step Down (boost / buck) Regulador de tensió - Redueix o augmenta o inverteix la tensió d’entrada segons el controlador Bomba de càrrega - Proporciona múltiples entrades sense utilitzar un inductor.

Una vegada més, els convertidors no aïllats es classifiquen en diferents tipus, tot i que són significatius

• Convertidor Buck o regulador de tensió reduït
• Boost Converter o regulador de voltatge intensiu
• Convertidor Buck o Boost

Avantatges de canviar de topologia

Els principals avantatges d'una font d'alimentació de commutació són l'eficiència, la mida i el pes. També és un disseny més complex, capaç de manejar una major eficiència energètica. Un regulador de tensió de commutació pot proporcionar sortida, que és superior o inferior a la inversió del voltatge d’entrada.

Desavantatges de topologies de commutació

• Tensió d'ondulació de sortida més alta
• Temps de recuperació transitòria més lent
• EMI produeix una sortida molt sorollosa
• Molt car

Els convertidors de commutació incrementals també anomenats reguladors de commutació d’augment, proporcionen una sortida de tensió més elevada elevant la tensió d’entrada. La tensió de sortida està regulada, sempre que es consumeixi la potència dins de l’especificació del circuit de potència de sortida. Per conduir cadenes de LEDs, s’utilitza un regulador de tensió de commutació intensiva.

Augmenteu els reguladors de tensió

Assumeix Pin de circuit sense pèrdues = Pout (les potències d'entrada i sortida són les mateixes)

Després V_dinsJo_dins= V_foraJo_fora,

Jo_fora/ Jo_dins= (1-D)

D'això, es dedueix que en aquest circuit

• Els poders continuen sent els mateixos
• La tensió augmenta
• El corrent disminueix
• Equival al transformador de corrent continu

Regulador de tensió de baixada (dòlar)

Redueix la tensió d’entrada.

Baixeu els reguladors de tensió

Si la potència d’entrada és igual a la potència de sortida, llavors

Pàg_dins= P_foraV_dinsJo_dins= V_foraJo_fora,

Jo_fora/ Jo_dins= V_dins/ V_fora= 1 / D

El convertidor de descens és equivalent al transformador de corrent continu en què la relació de girs està en el rang de 0-1.

Pujar / baixar (augmentar / reduir)

També s’anomena inversor de tensió. En utilitzar aquesta configuració, és possible elevar, baixar o invertir el voltatge segons el requisit.

• El voltatge de sortida és de la polaritat oposada a l’entrada.
• Això s’aconsegueix mitjançant un díode de polarització inversa de polarització directa VL durant els temps d’aturada, la producció de corrent i la càrrega del condensador per a la producció de voltatge durant els temps d’aturada
• Mitjançant l’ús d’aquest tipus de regulador de commutació es pot aconseguir un 90% d’eficiència.

Reguladors de tensió Step Up / Step Down

Reguladors de tensió de l'alternador

Els alternadors produeixen el corrent necessari per satisfer les necessitats elèctriques d’un vehicle quan el motor funciona. També reposa l'energia que s'utilitza per engegar el vehicle. Un alternador té la capacitat de produir més corrent a velocitats més baixes que els generadors de corrent continu que abans eren utilitzats per la majoria dels vehicles. L’alternador té dues parts

Regulador de voltatge de l’alternador

Estator - Aquest és un component estacionari, que no es mou. Conté un conjunt de conductors elèctrics enrotllats en bobines sobre un nucli de ferro.
Rotor / Armadura - Aquest és el component mòbil que produeix un camp magnètic giratori per qualsevol de les tres maneres següents: (i) inducció (ii) imants permanents (iii) mitjançant un excitador.

Regulador de tensió electrònic

Es pot fer un simple regulador de tensió a partir d’una resistència en sèrie amb un díode (o una sèrie de díodes). A causa de la forma logarítmica de les corbes de díode V-I, el voltatge a través del díode només canvia lleugerament a causa de canvis en el corrent extret o canvis en l'entrada. Quan el control de tensió i l’eficiència precisos no són importants, aquest disseny pot funcionar bé.

Regulador de tensió electrònic

Regulador de tensió del transistor

Els reguladors de tensió electrònics tenen una font de referència de tensió assequible que proporciona Diodo Zener , que també es coneix com a díode de funcionament de la tensió de ruptura inversa. Manté una tensió de sortida de CC constant. El voltatge d'ondulació de CA està bloquejat, però no es pot bloquejar el filtre. El regulador de tensió també té un circuit addicional per protegir el curtcircuit, i un circuit de limitació de corrent, protecció contra sobretensió i apagat tèrmic.

Paràmetres bàsics dels reguladors de tensió

• Els paràmetres bàsics que cal tenir en compte durant l’operació d’un regulador de tensió inclouen principalment la tensió i / p, la tensió o / p i el corrent o / p. En general, tots aquests paràmetres s’utilitzen principalment per determinar el tipus de VR topologia coincideix bé o no amb la CI d’un usuari.
• Altres paràmetres d’aquest regulador són la freqüència de commutació; pot ser aplicable la resistència tèrmica de la tensió de retroalimentació del corrent en repòs segons el requisit
• El corrent en repòs és important una vegada que l'eficiència en els modes d'espera o la càrrega de llum és la principal preocupació.
• Una vegada que la freqüència de commutació es considera un paràmetre, l’explotació de la freqüència de commutació pot conduir a les solucions d’un sistema petit. A més, la resistència tèrmica pot ser perillosa per eliminar la calor del dispositiu i dissoldre la calor del sistema.
• Si el controlador té un MOSFET, després tots els conductors i dinàmics pèrdues es dissiparà dins del paquet i s’ha de tenir en compte un cop es mesuri la màxima temperatura del regulador.
• El paràmetre més important és el voltatge de retroalimentació, ja que decideix la menor tensió o / p que pot mantenir el CI. Això restringeix la menor tensió o / p i la precisió afectarà la regulació del voltatge de sortida.

Com triar el regulador de voltatge correcte?

• Els paràmetres clau juguen un paper clau en seleccionar el regulador de voltatge pel dissenyador, com ara Vin, Vout, Iout, les prioritats del sistema, etc.
• Quan el dissenyador hagi descrit aquestes necessitats, utilitzeu una taula de cerca paramètrica per descobrir el millor aparell per satisfer les necessitats preferides.
• Per als dissenyadors, aquesta taula és molt valuosa perquè proporciona diverses funcions i també paquets que es poden obtenir per complir els paràmetres necessaris per al requisit d’un dissenyador.
• Els dispositius de MPS estan disponibles amb els seus fulls de dades que descriuen detalladament les parts externes necessàries, com mesurar els seus valors per obtenir un disseny estable i eficient amb altes prestacions.
• Aquest full de dades ajuda principalment a mesurar els valors de components com la capacitat de sortida, la resistència de retroalimentació, la inductància o / p, etc.
• A més, podeu utilitzar algunes eines de simulació com el programari MPSmart / DC / DC Designer, etc. MPS proporciona diferents reguladors de voltatge amb una varietat compacta i lineal de tipus de commutació eficaços com la família MP171x, la família HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 i MPQ2013-AEC1.

Limitacions / Inconvenients

Les limitacions dels reguladors de tensió inclouen el següent.

• Una de les principals limitacions del regulador de tensió és que són ineficients a causa de la dissipació d’un corrent enorme en algunes aplicacions
• La caiguda de tensió d’aquest CI és similar a resistència caiguda de tensió. Per exemple, quan l’entrada del regulador de tensió és de 5V i genera una sortida com 3V, la caiguda de tensió entre els dos terminals és de 2V.
• L'eficiència del regulador es pot restringir a 3V o 5V, el que significa que aquests reguladors són aplicables amb menys diferencials Vin / Vout.
• En qualsevol aplicació, és molt important tenir en compte la dissipació de potència esperada per a un regulador, perquè quan els voltatges d’entrada són elevats, la dissipació de potència serà elevada, de manera que es poden danyar diferents components a causa d’un sobreescalfament.
• Una altra limitació és que simplement poden convertir-se en dòlars en comparació amb els tipus de commutació perquè aquests reguladors proporcionaran dòlars i conversió.
• Els reguladors com el tipus de commutació són molt eficients, però tenen alguns inconvenients com la rendibilitat en comparació amb els reguladors de tipus lineal, més complexos, de grans dimensions i poden generar més soroll si no es trien els components exteriors amb precaució.

Es tracta de diferents tipus de fitxers reguladors de tensió i el seu principi de funcionament. Creiem que la informació que es proporciona en aquest article és útil per a una millor comprensió d’aquest concepte. A més, per a qualsevol consulta sobre aquest article o qualsevol ajuda en la implementació projectes elèctrics i electrònics , podeu acostar-vos-hi comentant a la secció de comentaris següent. Aquí teniu una pregunta: on utilitzarem un regulador de tensió de l’alternador?