Verschiedene Arten von Spannungsreglern mit Funktionsprinzip

Bei der Stromversorgung spielen Spannungsregler eine Schlüsselrolle. Also bevor Sie a Spannungsregler müssen wir wissen, welche Rolle ein Netzteil beim Entwurf eines Systems spielt?. Beispielsweise ist in jedem funktionierenden System wie einem Smartphone, einer Armbanduhr, einem Computer oder einem Laptop die Stromversorgung ein wesentlicher Bestandteil für die Arbeit mit dem Eulensystem, da sie eine konsistente, zuverlässige und kontinuierliche Versorgung der inneren Komponenten des Systems gewährleistet. In elektronischen Geräten liefert das Netzteil eine stabile sowie geregelte Leistung, um die Schaltkreise ordnungsgemäß zu betreiben. Es gibt zwei Arten von Stromversorgungsquellen: die Wechselstromversorgung über die Netzsteckdosen und die Gleichstromversorgung über die Batterien. In diesem Artikel wird daher ein Überblick über verschiedene Arten von Spannungsreglern und deren Funktionsweise gegeben.

Was ist ein Spannungsregler?

Ein Spannungsregler dient zur Regelung der Spannungspegel. Wenn eine konstante, zuverlässige Spannung benötigt wird, ist der Spannungsregler das bevorzugte Gerät. Es wird eine feste Ausgangsspannung erzeugt, die bei Änderungen der Eingangsspannung oder der Lastbedingungen konstant bleibt. Es dient als Puffer zum Schutz von Bauteilen vor Beschädigungen. EIN Spannungsregler ist ein Gerät mit einem einfachen Feed-Forward-Design und verwendet Regelkreise mit negativer Rückkopplung.

Spannungsregler

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Spannungsreglern: Lineare Spannungsregler und Schaltspannungsregler, die in breiteren Anwendungen verwendet werden. Der lineare Spannungsregler ist der einfachste Typ eines Spannungsreglers. Es ist in zwei Ausführungen erhältlich, die kompakt sind und in Niederspannungssystemen mit geringem Stromverbrauch verwendet werden. Lassen Sie uns verschiedene Arten von Spannungsreglern diskutieren.

Das Hauptkomponenten des Spannungsreglers sind

• Rückkopplungsschaltung
• Stabile Referenzspannung
• Elementsteuerkreis passieren

Der Spannungsregelungsprozess ist unter Verwendung der obigen drei sehr einfach Komponenten . Die erste Komponente des Spannungsreglers wird wie eine Rückkopplungsschaltung verwendet, um die Änderungen innerhalb des Gleichspannungsausgangs zu erfassen. Basierend auf der Referenzspannung sowie der Rückkopplung kann ein Steuersignal erzeugt werden und das Pass-Element ansteuern, um die Änderungen abzuzahlen.

Passelement ist hier eine Art Festkörper Halbleiterbauelement Ähnlich wie bei einem BJT-Transistor ist die PN-Junction-Diode ansonsten ein MOSFET. Jetzt kann die DC-Ausgangsspannung annähernd stabil gehalten werden.

Funktionsweise des Spannungsreglers

Eine Spannungsreglerschaltung wird verwendet, um eine permanente Ausgangsspannung herzustellen und aufrechtzuerhalten, selbst wenn die Eingangsspannung andernfalls die Lastbedingungen ändert. Der Spannungsregler bezieht die Spannung von einem Netzteil und kann in einem Bereich gehalten werden, der für die verbleibenden gut geeignet ist elektrische Bauteile . Am häufigsten werden diese Regler zur Umwandlung von DC / DC-Strom verwendet, AC / AC ansonsten AC / DC.

Arten von Spannungsreglern und ihre Funktionsweise

Diese Regulierungsbehörden können durch implementiert werden integrierte Schaltkreise oder diskrete Komponentenschaltungen. Spannungsregler werden in zwei Typen eingeteilt, nämlich linearer Spannungsregler und Schaltspannungsregler. Diese Regler werden hauptsächlich zur Regelung der Spannung eines Systems verwendet. Linearregler arbeiten jedoch mit geringem Wirkungsgrad sowie Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad. Bei Schaltreglern mit hohem Wirkungsgrad kann der größte Teil der I / P-Leistung ohne Verlustleistung auf den O / P übertragen werden.

Arten von Spannungsreglern

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Spannungsreglern: Linearer Spannungsregler und Schaltspannungsregler.

• Es gibt zwei Arten von linearen Spannungsreglern: Serie und Shunt.
• Es gibt drei Arten von Schaltspannungsreglern: Aufwärts-, Abwärts- und Wechselrichterspannungsregler.

Lineare Spannungsregler

Der Linearregler wirkt als Spannungsteiler. Im ohmschen Bereich wird FET verwendet. Der Widerstand des Spannungsreglers variiert mit der Last, was zu einer konstanten Ausgangsspannung führt. Lineare Spannungsregler sind die ursprünglichen Reglertypen zur Regelung der Stromversorgungen. Bei dieser Art von Regler ist die variable Leitfähigkeit des aktiven Durchlasselements wie a MOSFET oder ein BJT ist dafür verantwortlich, die Ausgangsspannung zu ändern.

Sobald eine Last verbunden ist, führen die Änderungen an einer anderen Eingangslast zu einer Stromdifferenz im gesamten Transistor, um den Ausgang konstant zu halten. Um den Strom des Transistors zu ändern, sollte er in einem aktiven, ansonsten ohmschen Bereich betrieben werden.

Während dieses Vorgangs verbraucht diese Art von Regler viel Energie, da die Nettospannung im Transistor abfällt, um sie wie Wärme abzuleiten. Im Allgemeinen werden diese Regulierungsbehörden in verschiedene Kategorien eingeteilt.

• Positiv einstellbar
• Negativ einstellbar
• Feste Ausgabe
• Verfolgung
• Schwimmend

Vorteile

Das Vorteile eines linearen Spannungsreglers das Folgende einschließen.

• Gibt eine niedrige Welligkeitsspannung am Ausgang
• Schnelle Reaktionszeit auf Lade- oder Leitungswechsel
• Geringe elektromagnetische Störungen und weniger Rauschen

Nachteile

Das Nachteile eines linearen Spannungsreglers das Folgende einschließen.

• Der Wirkungsgrad ist sehr gering
• Benötigt viel Platz - Kühlkörper wird benötigt
• Die Spannung über dem Eingang kann nicht erhöht werden

Spannungsregler der Serie

Ein Serienspannungsregler verwendet ein variables Element, das in Reihe mit der Last geschaltet ist. Durch Ändern des Widerstands dieses Serienelements kann die an ihm abfallende Spannung geändert werden. Und die Spannung an der Last bleibt konstant.

Die Menge des aufgenommenen Stroms wird effektiv von der Last genutzt. Dies ist der Hauptvorteil der Serienspannungsregler . Selbst wenn die Last keinen Strom benötigt, zieht der Serienregler nicht den vollen Strom. Ein Serienregler ist daher wesentlich effizienter als ein Shunt-Spannungsregler.

Shunt-Spannungsregler

Ein Shunt Spannungsregler funktioniert durch Bereitstellen eines Pfades von der Versorgungsspannung zur Erde durch einen variablen Widerstand. Der Strom durch den Nebenschlussregler hat sich von der Last weggeleitet und fließt nutzlos zum Boden, wodurch diese Form normalerweise weniger effizient ist als der Serienregler. Es ist jedoch einfacher, besteht manchmal nur aus einer Spannungsreferenzdiode und wird in Schaltkreisen mit sehr geringer Leistung verwendet, in denen der verschwendete Strom zu klein ist, um von Belang zu sein. Diese Form ist sehr häufig für Spannungsreferenzschaltungen. Ein Shunt-Regler kann normalerweise nur Strom aufnehmen (absorbieren).

Anwendungen von Shunt-Reglern

Shunt-Regler werden verwendet in:

• Schaltnetzteile mit niedriger Ausgangsspannung
• Stromquellen- und Senkenschaltungen
• Fehlerverstärker
• Einstellbare Spannung oder Strom linear und schaltend Netzteile
• Spannungsüberwachung
• Analoge und digitale Schaltungen, die Präzisionsreferenzen erfordern
• Präzisionsstrombegrenzer

Spannungsregler schalten

Ein Schaltregler schaltet ein Seriengerät schnell ein und aus. Der Arbeitszyklus des Schalters legt die auf die Last übertragene Ladungsmenge fest. Dies wird durch einen Rückkopplungsmechanismus gesteuert, der dem eines Linearreglers ähnlich ist. Schaltregler sind effizient, weil das Serienelement entweder vollständig leitend oder ausgeschaltet ist, weil es fast keine Energie verbraucht. Schaltregler können im Gegensatz zu Linearreglern Ausgangsspannungen erzeugen, die höher als die Eingangsspannung oder entgegengesetzt polar sind.

Der Schaltspannungsregler schaltet sich schnell ein und aus, um den Ausgang zu verändern. Es erfordert einen Steueroszillator und lädt auch Speicherkomponenten auf.

In einem Schaltregler mit Pulsfrequenzmodulation, der die Frequenz, das konstante Tastverhältnis und das durch PRM auferlegte Rauschspektrum variiert, ist es schwieriger, dieses Rauschen herauszufiltern.

Ein Schaltregler mit Pulsweitenmodulation Eine konstante Frequenz und ein variierender Arbeitszyklus sind effizient und lassen sich leicht aus dem Rauschen herausfiltern.
In einem Schaltregler fällt der Dauerstrom durch eine Induktivität niemals auf Null. Es ermöglicht die höchste Ausgangsleistung. Es gibt eine bessere Leistung.

In einem Schaltregler fällt der Strom im diskontinuierlichen Modus durch die Induktivität auf Null. Es bietet eine bessere Leistung, wenn der Ausgangsstrom niedrig ist.

Topologien wechseln

Es gibt zwei Arten von Topologien: Dielektrische Isolation und Nichtisolation.

Isoliert

Es basiert auf Strahlung und intensiven Umgebungen. Wiederum werden isolierte Wandler in zwei Typen eingeteilt, die die folgenden umfassen.

• Flyback-Konverter
• Vorwärtswandler

In den oben aufgeführten isolierten Wandlern wird im Thema Schaltnetzteil erläutert.

Nicht-Isolation

Es basiert auf kleinen Änderungen in Vout / Vin. Beispiele sind Step-Up-Spannungsregler (Boost) - Erhöht die Eingangsspannung Step-Down (Buck) - Verringert die Eingangsspannung Step-Up / Step-Down (Boost / Buck) Spannungsregler - Verringert oder erhöht oder invertiert die Eingangsspannung je nach Regler Ladepumpe - Es bietet ein Vielfaches an Eingang ohne Verwendung eines Induktors.

Wiederum werden nicht isolierte Wandler in verschiedene Typen eingeteilt, jedoch die signifikanten

• Abwärtswandler oder Abwärtsspannungsregler
• Aufwärtswandler oder Aufwärtsspannungsregler
• Buck- oder Boost-Konverter

Vorteile von Switching-Topologien

Die Hauptvorteile eines Schaltnetzteils sind Effizienz, Größe und Gewicht. Es ist auch ein komplexeres Design, das eine höhere Energieeffizienz bewältigen kann. Ein Schaltspannungsregler kann einen Ausgang liefern, der größer oder kleiner als oder der die Eingangsspannung invertiert.

Nachteile von Switching-Topologien

• Höhere Ausgangswelligkeitsspannung
• Langsamere vorübergehende Erholungszeit
• EMI erzeugt eine sehr verrauschte Ausgabe
• Sehr teuer

Aufwärtsschaltwandler, auch Boost-Schaltregler genannt, liefern durch Erhöhen der Eingangsspannung einen höheren Spannungsausgang. Die Ausgangsspannung wird geregelt, solange die entnommene Leistung innerhalb der Ausgangsleistungsspezifikation der Schaltung liegt. Zum Ansteuern von LED-Strings wird der Spannungsregler Step up Switching verwendet.

Spannungsregler verstärken

Angenommen, verlustfreie Schaltung Pin = Pout (Eingangs- und Ausgangsleistung sind gleich)

Dann V._imich_im= V._ausich_aus,

ich_aus/ ICH_im= (1-D)

Daraus wird geschlossen, dass in dieser Schaltung

• Die Kräfte bleiben gleich
• Die Spannung steigt an
• Der Strom nimmt ab
• Entspricht dem Gleichstromtransformator

Step Down (Buck) Spannungsregler

Es senkt die Eingangsspannung.

Spannungsregler herunterfahren

Wenn die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung ist, dann

P._im= P._ausV._imich_im= V._ausich_aus,

ich_aus/ ICH_im= V._im/ V._aus= 1 / D.

Der Abwärtswandler entspricht einem Gleichstromtransformator, bei dem das Windungsverhältnis im Bereich von 0-1 liegt.

Step Up / Step Down (Boost / Buck)

Es wird auch als Spannungswechselrichter bezeichnet. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Spannung je nach Anforderung zu erhöhen, zu senken oder zu invertieren.

• Die Ausgangsspannung hat die entgegengesetzte Polarität des Eingangs.
• Dies wird erreicht, indem die VL-Vorwärtsvorspannungsdiode während der Ausschaltzeiten in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, Strom erzeugt und der Kondensator für die Spannungserzeugung während der Ausschaltzeiten aufgeladen wird
• Durch die Verwendung dieser Art von Schaltregler kann ein Wirkungsgrad von 90% erreicht werden.

Spannungsregler auf / ab

Spannungsregler der Lichtmaschine

Lichtmaschinen erzeugen den Strom, der erforderlich ist, um die elektrischen Anforderungen eines Fahrzeugs bei laufendem Motor zu erfüllen. Es füllt auch die Energie auf, die zum Starten des Fahrzeugs verwendet wird. Ein Generator kann bei niedrigeren Drehzahlen mehr Strom erzeugen als die Gleichstromgeneratoren, die früher von den meisten Fahrzeugen verwendet wurden. Die Lichtmaschine besteht aus zwei Teilen

Generator Spannungsregler

Stator - Dies ist eine stationäre Komponente, die sich nicht bewegt. Es enthält einen Satz elektrischer Leiter, die in Spulen über einen Eisenkern gewickelt sind.
Rotor / Anker - Dies ist die sich bewegende Komponente, die auf eine der folgenden drei Arten ein rotierendes Magnetfeld erzeugt: (i) Induktion (ii) Permanentmagnete (iii) unter Verwendung eines Erregers.

Elektronischer Spannungsregler

Ein einfacher Spannungsregler kann aus einem Widerstand in Reihe mit einer Diode (oder einer Reihe von Dioden) hergestellt werden. Aufgrund der logarithmischen Form der Dioden-V-I-Kurven ändert sich die Spannung an der Diode aufgrund von Änderungen des entnommenen Stroms oder Änderungen des Eingangs nur geringfügig. Wenn eine genaue Spannungsregelung und Effizienz nicht wichtig sind, funktioniert dieses Design möglicherweise einwandfrei.

Elektronischer Spannungsregler

Transistorspannungsregler

Elektronische Spannungsregler haben eine stabile Spannungsreferenzquelle, die von der bereitgestellt wird Zenerdiode , die auch als Durchbruchspannungs-Betriebsdiode bezeichnet wird. Es hält eine konstante DC-Ausgangsspannung aufrecht. Die AC-Welligkeitsspannung ist blockiert, der Filter kann jedoch nicht blockiert werden. Der Spannungsregler verfügt außerdem über einen zusätzlichen Stromkreis für den Kurzschlussschutz sowie einen Strombegrenzungskreis, einen Überspannungsschutz und eine thermische Abschaltung.

Grundlegende Parameter von Spannungsreglern

• Die grundlegenden Parameter, die beim Betrieb eines Spannungsreglers berücksichtigt werden müssen, umfassen hauptsächlich die I / P-Spannung, die O / P-Spannung sowie den O / P-Strom. Im Allgemeinen werden alle diese Parameter hauptsächlich zur Bestimmung des VR-Typs verwendet Topologie ist gut auf den IC eines Benutzers abgestimmt oder nicht.
• Andere Parameter dieses Reglers sind die Schaltfrequenz, der Wärmewiderstand der Ruhestromrückkopplungsspannung kann je nach Anforderung anwendbar sein
• Der Ruhestrom ist signifikant, sobald der Wirkungsgrad in allen Standby-Modi oder bei geringer Last das Hauptanliegen ist.
• Sobald die Schaltfrequenz als Parameter betrachtet wird, kann die Ausnutzung der Schaltfrequenz zu Lösungen eines kleinen Systems führen. Außerdem kann der Wärmewiderstand gefährlich sein, um die Wärme vom Gerät abzuleiten und die Wärme vom System abzuleiten.
• Wenn die Steuerung einen MOSFET hat, danach alle leitenden sowie dynamischen Verluste wird innerhalb der Verpackung abgeführt und muss berücksichtigt werden, sobald die höchste Temperatur des Reglers gemessen wurde.
• Der wichtigste Parameter ist die Rückkopplungsspannung, da sie die geringere O / P-Spannung bestimmt, die der IC halten kann. Dies schränkt die geringere O / P-Spannung ein und die Genauigkeit wirkt sich auf die Regelung der Ausgangsspannung aus.

Wie wählt man den richtigen Spannungsregler?

• Die Schlüsselparameter spielen eine Schlüsselrolle bei der Auswahl des Spannungsreglers durch den Konstrukteur wie Vin, Vout, Iout, Systemprioritäten usw. Einige zusätzliche Schlüsselmerkmale wie Aktivierungssteuerung oder Leistungsanzeige.
• Wenn der Designer diese Notwendigkeiten beschrieben hat, verwenden Sie eine parametrische Suchtabelle, um die beste Vorrichtung zu finden, um die bevorzugten Notwendigkeiten zu erfüllen.
• Für Designer ist diese Tabelle sehr wertvoll, da sie verschiedene Funktionen sowie Pakete bietet, die erhältlich sind, um die erforderlichen Parameter für die Anforderungen eines Designers zu erfüllen.
• Die Geräte von MPS sind mit ihren Datenblättern erhältlich, in denen die erforderlichen externen Teile detailliert beschrieben werden und wie ihre Werte gemessen werden können, um ein stabiles, effizientes Design mit hoher Leistung zu erhalten.
• Dieses Datenblatt hilft hauptsächlich bei der Messung der Werte von Komponenten wie Ausgangskapazität, Rückkopplungswiderstand, O / P-Induktivität usw.
• Sie können auch einige Simulationswerkzeuge wie die MPSmart-Software / DC / DC Designer usw. verwenden. MPS bietet verschiedene Spannungsregler mit einer kompakten linearen, Vielzahl effizienter und schaltender Typen wie die MP171x-Familie, die HF500-x-Familie, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 und MPQ2013-AEC1.

Einschränkungen / Nachteile

Die Einschränkungen von Spannungsreglern umfassen Folgendes.

• Eine der Hauptbeschränkungen des Spannungsreglers besteht darin, dass sie aufgrund der Verlustleistung von großem Strom in einigen Anwendungen ineffizient sind
• Der Spannungsabfall dieses IC ist ähnlich zu a Widerstand Spannungsabfall. Wenn beispielsweise der Eingang des Spannungsreglers 5 V beträgt und einen Ausgang wie 3 V erzeugt, beträgt der Spannungsabfall zwischen den beiden Anschlüssen 2 V.
• Der Wirkungsgrad des Reglers kann auf 3 V oder 5 V beschränkt werden, was bedeutet, dass diese Regler mit weniger Vin / Vout-Differentialen anwendbar sind.
• In jeder Anwendung ist es sehr wichtig, die erwartete Verlustleistung für einen Regler zu berücksichtigen, da bei hohen Eingangsspannungen die Verlustleistung hoch ist, so dass verschiedene Komponenten aufgrund von Überhitzung beschädigt werden können.
• Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass sie im Vergleich zu Schalttypen einfach zur Buck-Umwandlung fähig sind, da diese Regler Buck und Umwandlung bereitstellen.
• Die Regler wie der Schalttyp sind hocheffizient, haben jedoch einige Nachteile wie die Kosteneffizienz im Vergleich zu linearen Reglern, sind komplexer, groß und können mehr Geräusche erzeugen, wenn ihre äußeren Komponenten nicht vorsichtig ausgewählt werden.

Hier geht es um verschiedene Arten von Spannungsregler und ihr Arbeitsprinzip. Wir glauben, dass die Informationen in diesem Artikel für Sie hilfreich sind, um dieses Konzept besser zu verstehen. Darüber hinaus für Fragen zu diesem Artikel oder Hilfe bei der Implementierung Elektro- und Elektronikprojekte können Sie sich an uns wenden, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie: Wo werden wir einen Generator-Spannungsregler verwenden?