Diversi tipi di regolatori di tensione con principio di funzionamento

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Nell'alimentazione, i regolatori di tensione svolgono un ruolo chiave. Quindi, prima di andare a discutere di un file regolatore di tensione , dobbiamo sapere che qual è il ruolo di un alimentatore durante la progettazione di un sistema ?. Ad esempio, in qualsiasi sistema funzionante come uno smartphone, un orologio da polso, un computer o un laptop, l'alimentatore è una parte essenziale per il funzionamento del sistema owl, perché fornisce un'alimentazione coerente, affidabile e continua ai componenti interni del sistema. Nei dispositivi elettronici, l'alimentatore fornisce un'alimentazione stabile e regolata per far funzionare correttamente i circuiti. Le fonti di alimentazione sono di due tipi come l'alimentatore AC che arriva dalle prese di rete e l'alimentatore DC che arriva dalle batterie. Quindi, questo articolo discute una panoramica dei diversi tipi di regolatori di tensione e del loro funzionamento.

Cos'è un regolatore di tensione?

Un regolatore di tensione viene utilizzato per regolare i livelli di tensione. Quando è necessaria una tensione stabile e affidabile, il regolatore di tensione è il dispositivo preferito. Genera una tensione di uscita fissa che rimane costante per qualsiasi variazione della tensione di ingresso o delle condizioni di carico. Funge da tampone per proteggere i componenti dai danni. UN regolatore di tensione è un dispositivo con un semplice design feed-forward e utilizza circuiti di controllo del feedback negativo.




Regolatore di tensione

Regolatore di tensione

Esistono principalmente due tipi di regolatori di tensione: regolatori di tensione lineari e regolatori di tensione a commutazione, utilizzati in applicazioni più ampie. Il regolatore di tensione lineare è il tipo più semplice di regolatore di tensione. È disponibile in due tipi, che sono compatti e utilizzati in sistemi a bassa potenza e bassa tensione. Parliamo di diversi tipi di regolatori di tensione.



Il componenti principali utilizzati nel regolatore di tensione siamo

  • Circuito di feedback
  • Tensione di riferimento stabile
  • Passa il circuito di controllo dell'elemento

Il processo di regolazione della tensione è molto semplice utilizzando i tre precedenti componenti . Il primo componente del regolatore di tensione come un circuito di feedback viene utilizzato per rilevare i cambiamenti all'interno dell'uscita di tensione CC. In base alla tensione di riferimento e al feedback, è possibile generare un segnale di controllo e azionare l'elemento Pass per compensare le modifiche.

Qui, l'elemento pass è un tipo di stato solido dispositivo a semiconduttore simile a un transistor BJT, diodo a giunzione PN altrimenti un MOSFET. Ora, la tensione di uscita CC può essere mantenuta approssimativamente stabile.


Funzionamento del regolatore di tensione

Un circuito regolatore di tensione viene utilizzato per creare e mantenere una tensione di uscita permanente anche quando la tensione di ingresso altrimenti le condizioni di carico vengono modificate. Il regolatore di tensione riceve la tensione da un alimentatore e può essere mantenuto in un intervallo che si adatta bene al rimanente componenti elettrici . Più comunemente questi regolatori vengono utilizzati per convertire l'alimentazione DC / DC, AC / AC altrimenti AC / DC.

Tipi di regolatori di tensione e loro funzionamento

Questi regolatori possono essere implementati tramite circuiti integrati o circuiti a componenti discreti. I regolatori di tensione sono classificati in due tipi: regolatore di tensione lineare e regolatore di tensione a commutazione. Questi regolatori vengono utilizzati principalmente per regolare la tensione di un sistema, tuttavia, i regolatori lineari funzionano con bassa efficienza così come i regolatori a commutazione che funzionano ad alta efficienza. Nei regolatori a commutazione ad alta efficienza, la maggior parte della potenza i / p può essere trasmessa all'o / p senza dissipazione.

Tipi di regolatori di tensione

Tipi di regolatori di tensione

Fondamentalmente, ci sono due tipi di regolatori di tensione: regolatore di tensione lineare e regolatore di tensione di commutazione.

  • Esistono due tipi di regolatori di tensione lineari: serie e shunt.
  • Esistono tre tipi di regolatori di tensione a commutazione: step up, step down e regolatori di tensione inverter.

Regolatori di tensione lineari

Il regolatore lineare funge da partitore di tensione. Nella regione ohmica, utilizza FET. La resistenza del regolatore di tensione varia con il carico risultando in una tensione di uscita costante. I regolatori di tensione lineari sono il tipo originale di regolatori utilizzati per regolare gli alimentatori. In questo tipo di regolatore, la conducibilità variabile dell'elemento passante attivo come a MOSFET o un BJT è responsabile della modifica della tensione di uscita.

Una volta che un carico è alleato, le modifiche in qualsiasi ingresso altrimenti il ​​carico avrà come conseguenza una differenza di corrente in tutto il transistor per mantenere costante l'uscita. Per cambiare la corrente del transistor, dovrebbe essere lavorato in una regione attiva altrimenti ohmica.

Durante questa procedura, questo tipo di regolatore dissipa molta potenza perché la tensione di rete viene fatta cadere all'interno del transistor per dissiparsi come calore. Generalmente, questi regolatori sono classificati in diverse categorie.

  • Positivo regolabile
  • Negativo regolabile
  • Uscita fissa
  • Monitoraggio
  • Galleggiante

Vantaggi

Il vantaggi di un regolatore di tensione lineare include il seguente.

  • Fornisce una bassa tensione di ondulazione in uscita
  • Tempo di risposta veloce per caricare o cambiare linea
  • Bassa interferenza elettromagnetica e meno rumore

Svantaggi

Il svantaggi di un regolatore di tensione lineare include il seguente.

  • L'efficienza è molto bassa
  • Richiede ampio spazio: è necessario un dissipatore di calore
  • La tensione al di sopra dell'ingresso non può essere aumentata

Regolatori di tensione in serie

Un regolatore di tensione in serie utilizza un elemento variabile posto in serie al carico. Modificando la resistenza di quell'elemento in serie, la tensione caduta su di esso può essere modificata. E la tensione attraverso il carico rimane costante.

La quantità di corrente assorbita viene effettivamente utilizzata dal carico, questo è il principale vantaggio del regolatore di tensione in serie . Anche quando il carico non richiede corrente, il regolatore di serie non assorbe corrente completa. Pertanto, un regolatore in serie è notevolmente più efficiente di un regolatore di tensione shunt.

Regolatori di tensione shunt

Uno shunt il regolatore di tensione funziona fornendo un percorso dalla tensione di alimentazione a terra attraverso una resistenza variabile. La corrente attraverso il regolatore di derivazione si è deviata dal carico e fluisce inutilmente a terra, rendendo questa forma solitamente meno efficiente del regolatore di serie. Tuttavia, è più semplice, a volte consiste solo di un diodo di riferimento di tensione e viene utilizzato in circuiti a bassissima potenza in cui la corrente sprecata è troppo piccola per essere preoccupante. Questa forma è molto comune per i circuiti di riferimento di tensione. Un regolatore shunt di solito può solo assorbire (assorbire) corrente.

Applicazioni dei regolatori shunt

I regolatori shunt sono utilizzati in:

  • Alimentatori switching a bassa tensione di uscita
  • Circuiti source e sink di corrente
  • Amplificatori di errore
  • Tensione o corrente regolabile lineare e commutazione Riserve energetiche
  • Monitoraggio della tensione
  • Circuiti analogici e digitali che richiedono riferimenti di precisione
  • Limitatori di corrente di precisione

Regolatori di tensione a commutazione

Un regolatore di commutazione accende e spegne rapidamente un dispositivo in serie. Il ciclo di lavoro dell'interruttore imposta la quantità di carica trasferita al carico. Questo è controllato da un meccanismo di feedback simile a quello di un regolatore lineare. I regolatori di commutazione sono efficienti perché l'elemento in serie è completamente conduttivo o spento perché non dissipa quasi nessuna potenza. I regolatori a commutazione sono in grado di generare tensioni di uscita superiori alla tensione di ingresso o di polarità opposta, a differenza dei regolatori lineari.

Il regolatore della tensione di commutazione si accende e si spegne rapidamente per modificare l'uscita. Richiede un oscillatore di controllo e carica anche i componenti di archiviazione.

In un regolatore a commutazione con Pulse Rate Modulation che varia la frequenza, il duty cycle costante e lo spettro del rumore imposto dal PRM, è più difficile filtrare quel rumore.

Un regolatore di commutazione con Modulazione della larghezza di impulso , frequenza costante, ciclo di lavoro variabile, è efficiente e facile da filtrare il rumore.
In un regolatore a commutazione, la corrente in modalità continua attraverso un induttore non scende mai a zero. Consente la massima potenza di uscita. Offre prestazioni migliori.

In un regolatore a commutazione, la corrente in modalità discontinua attraverso l'induttore scende a zero. Offre prestazioni migliori quando la corrente di uscita è bassa.

Cambio di topologie

Ha due tipi di topologie: isolamento dielettrico e non isolamento.

Isolato

Si basa su radiazioni e ambienti intensi. Anche in questo caso, i convertitori isolati sono classificati in due tipi che includono quanto segue.

  • Convertitori flyback
  • Convertitori forward

Nei convertitori isolati sopra elencati vengono discussi nell'argomento relativo all'alimentazione a commutazione.

Non isolamento

Si basa su piccoli cambiamenti in Vout / Vin. Esempi sono il regolatore di tensione Step Up (Boost) - Aumenta la tensione di ingresso Step Down (Buck) - abbassa la tensione di ingresso Step up / Step Down (boost / buck) Regolatore di tensione - Abbassa o aumenta o inverte la tensione di ingresso a seconda del controller Pompa di carica - Fornisce multipli di input senza utilizzare un induttore.

Anche in questo caso, i convertitori non isolati sono classificati in diversi tipi, a prescindere da quelli significativi

  • Convertitore buck o regolatore di tensione step-down
  • Convertitore boost o regolatore di tensione step-up
  • Convertitore Buck o Boost

Vantaggi del cambio di topologie

I principali vantaggi di un alimentatore switching sono l'efficienza, le dimensioni e il peso. È anche un design più complesso, in grado di gestire una maggiore efficienza energetica. Un regolatore di tensione di commutazione può fornire un'uscita, che è maggiore o minore o che inverte la tensione di ingresso.

Svantaggi delle topologie di commutazione

  • Tensione di ondulazione in uscita più elevata
  • Tempo di recupero transitorio più lento
  • L'EMI produce un output molto rumoroso
  • Molto costoso

I convertitori a commutazione step-up, chiamati anche regolatori a commutazione boost, forniscono un'uscita di tensione più elevata aumentando la tensione di ingresso. La tensione di uscita è regolata, a condizione che la potenza assorbita rientri nelle specifiche di potenza in uscita del circuito. Per pilotare stringhe di LED, viene utilizzato il regolatore di tensione Step up Switching.

Regolatori di tensione Step Up

Regolatori di tensione Step Up

Supponiamo che il circuito Lossless Pin = Pout (le potenze di ingresso e di uscita siano le stesse)

Quindi Vnelionel= Vsuiosu,

iosu/ IOnel= (1-D)

Da ciò si deduce che in questo circuito

  • I poteri rimangono gli stessi
  • La tensione aumenta
  • La corrente diminuisce
  • Equivalente a trasformatore DC

Regolatore di tensione Step Down (Buck)

Abbassa la tensione di ingresso.

Regolatori di tensione step down

Regolatori di tensione step down

Se la potenza in ingresso è uguale alla potenza in uscita, allora

Pnel= PsuVnelionel= Vsuiosu,

iosu/ IOnel= Vnel/ Vsu= 1 / D

Il convertitore step-down è equivalente al trasformatore CC in cui il rapporto di rotazione è compreso tra 0 e 1.

Step Up / Step Down (Boost / Buck)

È anche chiamato inverter di tensione. Utilizzando questa configurazione è possibile aumentare, diminuire o invertire la tensione a seconda delle esigenze.

  • La tensione di uscita è della polarità opposta all'ingresso.
  • Ciò si ottiene VL polarizzando in avanti il ​​diodo polarizzato inverso durante i tempi di spegnimento, producendo corrente e caricando il condensatore per la produzione di tensione durante i tempi di spegnimento
  • Utilizzando questo tipo di regolatore di commutazione, è possibile ottenere un'efficienza del 90%.
Regolatori di tensione Step Up / Step Down

Regolatori di tensione Step Up / Step Down

Regolatori di tensione dell'alternatore

Gli alternatori producono la corrente necessaria per soddisfare le richieste elettriche di un veicolo quando il motore è in funzione. Inoltre, ripristina l'energia utilizzata per avviare il veicolo. Un alternatore ha la capacità di produrre più corrente a velocità inferiori rispetto ai generatori CC che una volta erano utilizzati dalla maggior parte dei veicoli. L'alternatore ha due parti

Regolatore di tensione dell

Regolatore di tensione dell'alternatore

Statore - Questo è un componente stazionario, che non si muove. Contiene una serie di conduttori elettrici avvolti in bobine su un nucleo di ferro.
Rotore / Armatura - Questo è il componente in movimento che produce un campo magnetico rotante da uno dei seguenti tre modi: (i) induzione (ii) magneti permanenti (iii) utilizzando un eccitatore.

Regolatore elettronico di tensione

Un semplice regolatore di tensione può essere realizzato da un resistore in serie con un diodo (o una serie di diodi). A causa della forma logaritmica delle curve V-I del diodo, la tensione ai capi del diodo cambia solo leggermente a causa dei cambiamenti nella corrente assorbita o dei cambiamenti nell'ingresso. Quando il controllo preciso della tensione e l'efficienza non sono importanti, questo design potrebbe funzionare bene.

Regolatore elettronico di tensione

Regolatore elettronico di tensione

Regolatore di tensione a transistor

I regolatori di tensione elettronici hanno una sorgente di riferimento di tensione stabile fornita da Diodo Zener , noto anche come diodo operativo a tensione di rottura inversa. Mantiene una tensione di uscita CC costante. La tensione di ondulazione CA è bloccata, ma il filtro non può essere bloccato. Il regolatore di tensione ha anche un circuito aggiuntivo per la protezione da cortocircuito e un circuito di limitazione della corrente, protezione da sovratensione e arresto termico.

Parametri di base dei regolatori di tensione

  • I parametri di base da considerare durante il funzionamento di un regolatore di tensione includono principalmente la tensione i / p, la tensione o / p e la corrente o / p. In generale, tutti questi parametri vengono utilizzati principalmente per determinare il tipo di VR topologia è ben abbinato o meno con l'IC di un utente.
  • Altri parametri di questo regolatore sono la frequenza di commutazione, la resistenza termica della tensione di retroazione della corrente di riposo può essere applicabile in base al requisito
  • La corrente di riposo è significativa una volta che l'efficienza in tutte le modalità standby o il carico leggero è la preoccupazione principale.
  • Considerata la frequenza di commutazione come parametro, lo sfruttamento della frequenza di commutazione può portare alle soluzioni di un piccolo impianto. Inoltre, la resistenza termica può essere pericolosa per eliminare il calore dal dispositivo e per dissolvere il calore dal sistema.
  • Se il controller ha un MOSFET, poi tutto il conduttivo oltre che dinamico perdite sarà dissipato all'interno della confezione e deve essere considerato una volta misurata la temperatura massima del regolatore.
  • Il parametro più importante è la tensione di feedback in quanto decide la minore tensione o / p che l'IC può mantenere. Ciò limita la minore tensione o / p e la precisione influirà sulla regolazione della tensione di uscita.

Come scegliere il regolatore di tensione corretto?

  • I parametri chiave giocano un ruolo chiave durante la selezione del regolatore di tensione da parte del progettista come Vin, Vout, Iout, priorità del sistema, ecc. Alcune caratteristiche chiave extra come il controllo di abilitazione o l'indicazione di power good.
  • Quando il progettista ha descritto queste necessità, utilizza una tabella di ricerca parametrica per scoprire l'apparato migliore per soddisfare le necessità preferite.
  • Per i progettisti, questa tabella è molto preziosa perché fornisce diverse funzionalità e pacchetti ottenibili per soddisfare i parametri necessari per il requisito di un progettista.
  • I dispositivi di MPS sono disponibili con le loro schede tecniche che descrivono in dettaglio le parti esterne richieste, come misurarne i valori per ottenere un design stabile, efficiente e ad alte prestazioni.
  • Questa scheda tecnica aiuta principalmente a misurare i valori di componenti come capacità di uscita, resistenza di retroazione, induttanza o / p, ecc.
  • Inoltre, è possibile utilizzare alcuni strumenti di simulazione come il software MPSmart / DC / DC Designer, ecc. MPS fornisce diversi regolatori di tensione con una gamma lineare compatta, varietà di tipi efficienti e di commutazione come la famiglia MP171x, la famiglia HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 e MPQ2013-AEC1.

Limitazioni / Inconvenienti

Le limitazioni dei regolatori di tensione includono quanto segue.

  • Uno dei principali limiti del regolatore di tensione è che sono inefficienti a causa della dissipazione di enormi correnti in alcune applicazioni
  • La caduta di tensione di questo IC è simile a quella di a resistore caduta di tensione. Ad esempio, quando l'ingresso del regolatore di tensione è 5 V e genera un'uscita come 3 V, la caduta di tensione tra i due terminali è 2 V.
  • L'efficienza del regolatore può essere limitata a 3V o 5V, il che significa che questi regolatori sono applicabili con meno differenziali Vin / Vout.
  • In qualsiasi applicazione, è molto significativo considerare la dissipazione di potenza prevista per un regolatore, perché quando le tensioni di ingresso sono elevate allora la dissipazione di potenza sarà elevata e ciò può danneggiare diversi componenti a causa del surriscaldamento.
  • Un altro limite è che sono semplicemente in grado di eseguire la conversione buck rispetto ai tipi di commutazione perché questi regolatori forniranno buck e conversione.
  • I regolatori come il tipo di commutazione sono altamente efficienti, tuttavia hanno alcuni inconvenienti come il rapporto qualità-prezzo rispetto ai regolatori di tipo lineare, più complessi, di grandi dimensioni e possono generare più rumore se i loro componenti esterni non vengono scelti con cautela.

Si tratta di diversi tipi di file regolatori di tensione e il loro principio di funzionamento. Riteniamo che le informazioni fornite in questo articolo siano utili per una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, per qualsiasi domanda riguardante questo articolo o qualsiasi aiuto nell'implementazione progetti elettrici ed elettronici , puoi avvicinarci commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te: dove utilizzeremo un regolatore di tensione dell'alternatore?