Οι ρυθμιστές τάσης είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό σε πολλά κυκλώματα για να διασφαλιστεί ότι παρέχεται σταθερή σταθερή τάση στα ευαίσθητα ηλεκτρονικά. Ο τρόπος λειτουργίας τους είναι χαρακτηριστικός για πολλά αναλογικά κυκλώματα, η συνετή και κομψή χρήση της ανατροφοδότησης για να ρυθμίσετε την έξοδο σε επιθυμητό επίπεδο.
Επισκόπηση ρυθμιστή τάσης
Όταν απαιτείται σταθερή και αξιόπιστη τάση, οι ρυθμιστές τάσης είναι τα συστατικά στοιχεία. Οι ρυθμιστές τάσης λαμβάνουν τάση εισόδου και δημιουργούν ρυθμιζόμενη τάση εξόδου ανεξάρτητα από την τάση εισόδου είτε σε σταθερή στάθμη τάσης είτε σε επίπεδο ρυθμιζόμενης τάσης (επιλέγοντας τα σωστά εξωτερικά εξαρτήματα). Αυτή η αυτόματη ρύθμιση της στάθμης της τάσης εξόδου διαχειρίζεται διάφορες τεχνικές ανατροφοδότησης, μερικές απλές όπως μια δίοδος zener, ενώ άλλες περιλαμβάνουν σύνθετες τοπολογίες ανατροφοδότησης που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση, την αξιοπιστία, την αποτελεσματικότητα και να προσθέσουν άλλα χαρακτηριστικά όπως η αύξηση της τάσης εξόδου πάνω από την τάση εισόδου τον ρυθμιστή τάσης.
Πώς λειτουργούν οι ρυθμιστές γραμμικής τάσης
Η διατήρηση μιας σταθερής τάσης με μια άγνωστη και ενδεχομένως θορυβώδη (ή χειρότερη) είσοδο απαιτεί ένα σήμα ανάδρασης για να γνωρίζει ποιες προσαρμογές πρέπει να γίνουν. Οι γραμμικοί ρυθμιστές χρησιμοποιούν ένα τρανζίστορ ισχύος (είτε BJT είτε MOSFET ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο εξάρτημα) ως μεταβλητή αντίσταση που συμπεριφέρεται όπως το πρώτο μισό του δικτύου διαιρέτη τάσης. Η έξοδος του διαιρέτη τάσης χρησιμοποιείται ως ανατροφοδότηση για να οδηγήσει το τρανζίστορ ισχύος κατάλληλα για να διατηρήσει μια σταθερή τάση εξόδου. Δυστυχώς, επειδή το τρανζίστορ συμπεριφέρεται σαν αντίσταση, σπαταλάει πολλή ενέργεια μετατρέποντάς το σε θερμότητα, συχνά πολύ θερμότητα. Επειδή η συνολική ισχύς που μετατρέπεται σε θερμότητα είναι ίση με την πτώση τάσης μεταξύ της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου του ρεύματος που τροφοδοτείται, η απορροφούμενη ισχύς μπορεί συχνά να είναι πολύ υψηλή και να απαιτεί καλές ψύκτρες.
Μια εναλλακτική μορφή γραμμικού ρυθμιστή είναι ένας ρυθμιστής διακλάδωσης, όπως μια δίοδος Zener . Αντί να ενεργεί ως μεταβλητή αντίσταση σειράς, όπως κάνει ο τυπικός γραμμικός ρυθμιστής, ένας ρυθμιστής διακλάδωσης παρέχει μια διαδρομή προς τη γη για να ρέει η υπερβολική τάση (και το ρεύμα). Δυστυχώς, αυτός ο τύπος ρυθμιστή είναι συχνά ακόμη λιγότερο αποδοτικός από έναν τυπικό γραμμικό ρυθμιστή σειράς και είναι πρακτικός μόνο όταν χρειάζεται και παρέχεται πολύ μικρή ισχύς.
Πώς λειτουργούν οι ρυθμιστές τάσης αλλαγής τάσης
Ένας ρυθμιστής τάσης μεταγωγής λειτουργεί σε ένα εντελώς διαφορετικό κύριο από τους γραμμικούς ρυθμιστές τάσης. Αντί να ενεργεί ως νεροχύτης τάσης ή ρεύματος για να παρέχει μια σταθερή έξοδο, ένας ρυθμιστής μεταγωγής αποθηκεύει ενέργεια σε ένα καθορισμένο επίπεδο και χρησιμοποιεί ανατροφοδότηση για να εξασφαλίσει ότι η στάθμη φόρτισης διατηρείται με ελάχιστη κυμάτωση τάσης. Αυτή η τεχνική επιτρέπει στον ρυθμιστή μεταγωγής να είναι πολύ πιο αποδοτικός από ότι ο γραμμικός ρυθμιστής γυρνώντας πλήρως ένα τρανζίστορ (με ελάχιστη αντίσταση) μόνο όταν το κύκλωμα αποθήκευσης ενέργειας χρειάζεται μια έκρηξη ενέργειας. Αυτό μειώνει τη συνολική ισχύ που έχει σπαταληθεί στο σύστημα στην αντίσταση του τρανζίστορ κατά τη διάρκεια της μεταγωγής, καθώς μεταβαίνει από την αγωγιμότητα (πολύ χαμηλή αντίσταση) σε μη αγώγιμες (πολύ υψηλής αντίστασης) και άλλες μικρές απώλειες κυκλώματος.
Όσο πιο γρήγορα ο διακόπτης ρύθμισης ενεργοποιεί, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας που χρειάζεται για τη διατήρηση της επιθυμητής τάσης εξόδου, που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότερα εξαρτήματα. Ωστόσο, το κόστος της ταχύτερης μετάβασης είναι μια απώλεια στην αποδοτικότητα καθώς ο περισσότερος χρόνος δαπανάται μεταβαίνοντας μεταξύ των αγωγών και των μη-αγωγιμότερων καταστάσεων που σημαίνει ότι περισσότερη δύναμη χάνεται λόγω της θερμικής αντίστασης.
Μια άλλη παρενέργεια της ταχύτερης μεταγωγής είναι η αύξηση του ηλεκτρονικού θορύβου που παράγεται από τον ρυθμιστή εναλλαγής. Με τη χρήση διαφορετικών τεχνικών μεταγωγής, ένας ρυθμιστής μεταγωγής μπορεί να αποσυρθεί από την τάση εισόδου (topology buck), να αυξήσει την τάση (boost topology) ή και να κατεβάσει ή να αυξήσει την τάση (buck-boost) που καθιστούν τους ρυθμιστές διακοπτών εξαιρετική επιλογή για πολλές εφαρμογές με μπαταρίες, καθώς ο ρυθμιστής μεταγωγής μπορεί να αυξήσει ή να αυξήσει την τάση εισόδου από την μπαταρία καθώς εκφορτίζεται η μπαταρία. Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρονικά να συνεχίσουν να λειτουργούν πολύ πέρα από το σημείο στο οποίο η μπαταρία θα μπορούσε να τροφοδοτήσει άμεσα τη σωστή τάση για να λειτουργήσει το κύκλωμα.