Vad är en spänningsregulator, även kallad spänningsreglerare?
En spänningsregulator är en elektrisk anordning vars enda syfte är att upprätthålla en konstant utspänning. Den ger den önskade utspänningen oavsett förändring i ingångsspänningen eller belastningsförhållandena. Elektroniska kretsar är beroende av spänningsregulatorer eftersom de kräver en stabil spänningsförsörjning för att undvika skador.
Hur fungerar det?
Spänningsregleraren använder principen för ett återkopplingsstyrsystem. Den förlitar sig på negativ återkopplingskontrollslingor.
Referensspänningssignal tillhandahålls till komparatorkretsen tillsammans med återkopplingssignalen från styrenheten. Komparatorkretsen jämför båda värdena och skickar felsignalen till styrenheten. Regulatorn reglerar utspänningen med hjälp av felsignalen från komparatorn.
Typer av spänningsregulatorer
Över hela världen är spänningsregulatorer den vanligaste elektriska komponenten i alla maskiner eller enheter. Det finns två grundläggande typer av spänningsregulatorer:
- Linjär spänningsregulator
- Omkopplingsspänningsregulator
Linjära regulatorer
En linjär spänningsregulator fungerar som en spänningsdelare. Motståndet hos den linjära regulatorn varierar med den anslutna lasten och ingångsspänningen. Därför kan den leverera en konstant spänningssignal.
Fördelar och nackdelar
Linjära regulatorer har många fördelar, till exempel ger de en låg rippelspänning vilket innebär mindre fluktuationer i utspänningssignalen. Den har en snabb svarstid. Dessutom har den låg elektromagnetisk störning och mindre brus.
Effektiviteten hos den linjära spänningsregulatorn är låg och den avleder mycket värme så det behövs en kylfläns. Det kräver också mer utrymme. En av de största nackdelarna är att utspänningen inte kan överstiga inspänningen.
Typer av linjära spänningsregulatorer:
- Shunt
- Serier
Shuntregulatorer
En shuntregulator används för lågeffektskretsar. Det fungerar genom att rikta strömmen bort från lasten och skicka den ner i marken. Den ger en väg från ingångsspänningen till ett variabelt motstånd som är anslutet till jord. Den har en mycket låg verkningsgrad men eftersom den förlorade strömmen har ett mycket lågt värde försummas den.
- Används för att absorbera ström (sänkkretsar)
- Förstärkare
- Spänningsförsörjning
- Elektroniska kretsar som behöver en exakt spänningsreferens
Serie regulatorer
Funktionen av en seriespänningsregulator är beroende av den variabla komponenten som är ansluten till lasten. När resistansen för den variabla komponenten ändras ändras också spänningsfallet över komponenten. Med denna teknik förblir spänningen över lasten densamma.
En av de största fördelarna är att eftersom den variabla komponenten och lasten är seriekopplade, är strömmen som flyter genom dem densamma. Således använder lasten effektivt strömmen. Vilket gör den mer effektiv än en shuntregulator.
Omkopplingsspänningsregulatorer
Omkopplingsspänningsregulatorer består av en serieanordning som upprepade gånger slås på och av med hög frekvens. Arbetscykeln används för att styra mängden laddning som tillförs lasten. Arbetscykeln styrs av ett återkopplingssystem som är mycket likt det i den linjära regulatorn. Växlingsregulatorer har hög verkningsgrad eftersom belastningen antingen är på eller av vilket innebär att den inte avleder någon energi när den är avstängd.
Omkopplingsregulatorn är överlägsen den linjära regulatorn när det kommer till utspänningen. Eftersom den kan ge en utspänningssignal som kan vara större än inspänningen. Dessutom kan den till och med generera en spänningssignal med motsatt polaritet.
Tillämpningar av spänningsregulatorer
Det finns många tillämpningar av spänningsregulatorer. Ett av de vanligaste exemplen är mobilladdaren. Adaptern levereras med en AC-signal. Utspänningssignalen är emellertid en reglerad DC-signal.
Varje strömförsörjning i världen använder en spänningsregulator för att ge önskad utspänning. Datorer, tv-apparater, bärbara datorer och alla typer av enheter drivs med detta koncept.
Små elektroniska kretsar är beroende av att regulatorer fungerar. Även den minsta fluktuation i spänningssignalen kan skada komponenterna i en krets som IC.
När det gäller kraftgenereringssystem spelar spänningsregulatorer en viktig roll i dess drift. Ett solkraftverk genererar el baserat på solljusets intensitet. Den behöver en regulator för att säkerställa en reglerad konstant utsignal.
Vad är spänningsregulator och varför använder vi den?
Du minns din skoltid som vi fick lära oss att motstånd minskar spänning. Skulle det inte vara en enkel lösning att bara använda resistorer för att sänka spänningen enligt Ohms lag? Men sedan sjunker motstånden spänningen beroende på strömmen som flyter genom dem. I samma ögonblick som din komponent börjar dra mindre ström, skjuter spänningen upp och dödar den.
Faktum är att det är en av de tidigaste kommersiella implementeringarna av IC-tekniken (bortsett från op-amps) – den ödmjuka spänningsregulatorn.
Den primära uppgiften för en spänningsregulator är att släppa en större spänning till en mindre och hålla den stabil, eftersom den reglerade spänningen används för att driva (känslig) elektronik.
En spänningsregulator är i grunden en förstärkt emitterföljare, som beskrivits ovan – en transistor ansluten till en stabil referens som spottar ut en konstant spänning och tappar resten.
De har också en inbyggd felförstärkare, som samplar utgångsspänningen (igen genom en delare), jämför den med referensspänningen, beräknar skillnaden och driver utgångstransistorn därefter. Detta är långt ifrån en spänningsdelare, som troget replikerar insignalen, men bara en storlek mindre. Du vill inte ha AC-rippel överlagrad på din DC-spänningsskena.
Det är önskvärt att ha en transistor med hög förstärkning, eftersom krafttransistorer är en enorm smärta att driva, med patetiska förstärkningar i intervallet två siffror. Detta har övervunnits genom att använda Darlington-transistorer och på senare tid MOSFETs. Eftersom dessa typer kräver mindre ström för att driva, minskar den totala strömförbrukningen. Detta kompletteras med att spänningsreferensen som används internt också förbrukar mycket lite ström.
Strömmen som regulatorn förbrukar för att driva alla dessa interna kretsar när utgången inte är laddad kallas viloström. Ju lägre viloström, desto bättre.
Sättet som dessa regulatorer är byggda har tre transistorer på effektsteget – två av dem i en Darlington-konfiguration och den andra som en strömbegränsande enhet. De successiva CE-övergångarna summerar till ett spänningsfall på cirka 2V över regulatorn.
Denna spänning är känd som dropout-spänningen, spänningen under vilken regulatorn slutar reglera.
Du kan hitta enheter som kallas LDO eller lågavfallsregulatorer med ett spänningsfall på runt 0,4V, eftersom de använder en MOSFET-switch.
Spänningsregulatorns begränsningar
Den största fördelen med linjära regulatorer är deras enkelhet; inget annat behöver sägas.
Men som alla bra marker kommer de med sina egna begränsningar.
Linjära regulatorer fungerar som ett variabelt motstånd med återkoppling och släpper all onödig spänning. Medan du drar samma ström som lasten. Denna bortkastade energi omvandlas till värme, vilket gör dessa regulatorer varma och ineffektiva vid höga strömmar.
Till exempel har en 5V-regulator med en 12V-ingång som går på 1A en effektförlust på (12V – 5V)*1A, vilket är 7W! Det är mycket slöseri med energi, och effektiviteten är bara 58%!
Så vid höga in- och utspänningsskillnader eller vid höga strömmar har regulatorer en patetisk energieffektivitet.
Ingångs-utgångsdifferensspänningsproblemet kan övervinnas med mer än en regulator i serie med minskande utspänningar (upp till önskat spänningsvärde) så att spänningen sjunker i steg. Medan den totala effektförlusten är densamma som att ha en regulator, sprids värmebelastningen ut över alla enheter, vilket minskar den totala driftstemperaturen.
Effekt- och effektivitetsbegränsningarna kan övervinnas genom att använda en switchad källa, men valet är applikationsberoende, det finns inga tydliga regler för var man ska använda vilken typ av strömförsörjning.
