La maggior parte dei circuiti integrati richiedono una tensione costante con cui potrebbe funzionare. Che si tratti di una semplice porta logica o di un microprocessore complesso, hanno una propria tensione operativa. Le tensioni operative più comuni sono 3.3 V, 5V e 12V. Mentre abbiamo batterie e adattatori DC che potrebbero fungere da fonte di tensione, la maggior parte del tempo non possono essere collegati direttamente al nostro disegno di circuito poiché la tensione da loro non è regolata.,
Ad esempio, abbiamo una batteria da 9 V ma è necessario attivare un relè da 5 V, che ovviamente funziona su 5 V. Cosa facciamo qui?
Che cosa è regolatore di tensione e perché lo usiamo?
Ricordi i tuoi giorni di scuola ci è stato insegnato che i resistori diminuiscono la tensione. Non sarebbe una soluzione semplice usare solo resistori per abbassare la tensione secondo la legge di Ohm? Ma poi, i resistori diminuiscono la tensione a seconda della corrente che li attraversa. Nel momento in cui il componente inizia a disegnare meno corrente, la tensione aumenta e la uccide.,
Hai bisogno di qualcosa di meglio – la tensione non dovrebbe dipendere dalla corrente di carico, almeno non molto. La prossima soluzione più semplice che ti viene in mente è il divisore di tensione. Questo ha bisogno di due resistori, ma hey, se possono essere schiacciati possono anche funzionare. Un altro problema fastidioso-nel momento in cui il componente inizia a disegnare troppa corrente, l’uscita del divisore si incurva – il resistore superiore non è in grado di tenere il passo con la domanda corrente. Ora inizi davvero a desiderare di averlo imparato a scuola., Potresti risolvere questo problema abbassando i valori dei resistori, ma ciò renderebbe i due resistori troppo correnti, probabilmente rovinando il tuo budget attuale e diventando troppo caldo con il rischio immediato di guasto.
Cos’altro si potrebbe fare? Amplificazione! Naturalmente, si doveva sgobbare attraverso ore di lezioni su quelli! Perché non aggiungere un transistor NPN come follower di tensione? La polarizzazione del divisore di tensione potrebbe essere collegata alla base, l’ingresso della guida 12V al collettore e l’uscita al componente all’emettitore, e bingo, hai risolto il problema!,
Certo, la correzione funziona, ma ti lascia con una sensazione fastidiosa: hai usato tre parti e durante i test scopri che i difetti nella guida di alimentazione 12V sono replicati perfettamente sull’uscita. Certo, questo è un amplificatore, non ha l’intelligenza per compensare automaticamente. È possibile sostituire il resistore inferiore del divisore di tensione con un diodo Zener, ma la corrente necessaria per polarizzare correttamente uno Zener (contro cose come i coefficienti di temperatura e la deriva) è quasi quanto il componente consuma, il che è completamente inutile.,
Non c’è un modo migliore per farlo? Non c’è una scatola nera magica che conteneva tutto il necessario per far cadere una tensione in modo efficiente? Milioni di EEE in tutto il mondo sono stati anche se simili periodi di stress (me compreso!). Naturalmente, non tutti i problemi sono associati con caduta tensioni, ma situazioni simili sono comuni è EEE labs ovunque!
Ma sei fortunato: esiste il componente esatto di cui hai bisogno. In realtà, è una delle prime implementazioni commerciali della tecnologia IC – a parte gli amplificatori operazionali) – l’umile regolatore di tensione.,
Se guardi attraverso la scheda tecnica di un regolatore di tensione, rimarrai stupito dalla circuiteria con cui sono stati imballati per abbassare una tensione e mantenerla pulita – un bel regolatore di tensione stabile, amplificatori con feedback e compensazione e uno stadio di potenza mezzo decente. Naturalmente, se siamo stati in grado di confezionare così tanta tecnologia in quei nostri telefoni, perché non un po ‘ di regolazione della tensione in un bel pacchetto TO – 92?
Continuano a migliorare ogni giorno – alcuni di loro consumano non più di qualche nanoamplificatore, cioè un millesimo di milionesimo di amplificatore!, Ancora meglio, altri sono dotati di protezione da cortocircuito e sovratemperatura, rendendoli infallibili.
Regolatori di tensione-Uno sguardo più da vicino
Come abbiamo visto nella sezione sopra, il compito principale di un regolatore di tensione è quello di abbassare una tensione più grande a una più piccola e mantenerla stabile, poiché tale tensione regolata viene utilizzata per alimentare l’elettronica (sensibile).
Un regolatore di tensione è fondamentalmente un seguace emettitore rinforzato, come descritto sopra – un transistor collegato a un riferimento stabile che sputa una tensione costante, lasciando cadere il resto.,
Hanno anche un amplificatore di errore incorporato, che campiona la tensione di uscita (di nuovo attraverso un divisore), la confronta con la tensione di riferimento, calcola la differenza e guida il transistor di uscita di conseguenza. Questo è ben lontano da un divisore di tensione, che replica fedelmente il segnale di ingresso, anche se solo una grandezza più piccola. Non vuoi che l’ondulazione CA sia sovrapposta alla guida di tensione CC.
È desiderabile avere un transistor ad alto guadagno, poiché i transistor di potenza sono un enorme dolore da guidare, con guadagni patetici nell’intervallo di due cifre., Questo è stato superato utilizzando transistor Darlington e più recentemente MOSFET. Poiché questi tipi richiedono meno corrente per guidare, il consumo di corrente complessivo diminuisce. Ciò è completato dal fatto che il riferimento di tensione utilizzato internamente consuma anche pochissima corrente.
La corrente che il regolatore consuma per pilotare tutto questo circuito interno quando l’uscita non è caricata è chiamata corrente di riposo. Più bassa è la corrente di riposo, meglio è.,
Il modo in cui questi regolatori sono costruiti ha tre transistor sullo stadio di uscita di potenza – due di loro in una configurazione Darlington e l’altro come limitatore di corrente. Le giunzioni CE successive si sommano a una caduta di tensione di circa 2V attraverso il regolatore.
Questa tensione è nota come tensione di interruzione, la tensione al di sotto della quale il regolatore si chiude regolando.
È possibile trovare dispositivi chiamati LDOs o regolatori a basso dropout con una caduta di tensione di circa 0,4 V, poiché utilizzano uno switch MOSFET.
Tre regolatori terminali
Basta parlare, ora per i numeri di parte effettivi.,
La serie più comune di regolatori di tensione è la serie 78XX. Le due cifre dopo il 78 rappresentano la tensione di uscita del regolatore, ad esempio il 7805 è un regolatore 5V e il 7812 è un regolatore 12V. Le tensioni di uscita disponibili con regolatori fissi copre una vasta gamma da 3.3 V a 24V con valori piacevoli come 5V, 6V, 9V, 15V e 18V disponibili.
Questa serie di regolatori sono eccellenti per la maggior parte degli scopi, possono gestire fino a quasi 30V sull’ingresso e, a seconda del pacchetto, fino a 1A corrente di uscita., Sono eccezionalmente semplici da usare – collegare il pin di ingresso alla tensione di ingresso e il pin di uscita al dispositivo che ha bisogno della tensione più bassa e, naturalmente, il pin di terra a terra.
Qui i condensatori di disaccoppiamento sono opzionali, poiché gli amplificatori di feedback ‘rifiutano’ il ripple e il rumore di ingresso, assicurandosi che non passino all’uscita. Tuttavia, se il dispositivo disegna più di poche decine di milliampere, si consiglia almeno 4,7 uF sull’ingresso e sull’uscita, preferibilmente in ceramica.
Una cosa interessante che la gente fa è fare caricabatterie telefono primitivo utilizzando questi regolatori., Basta collegare una batteria da 9V all’ingresso e un connettore USB appropriato all’uscita e voilà, hai un caricabatterie per telefono di emergenza. Questa costruzione è abbastanza robusta, a causa della protezione termica integrata sul chip.
Una cosa bella di questi tipi di regolatori di tensione è che i pinout sono quasi universali, quindi sono possibili sostituzioni di plug-in. Al giorno d’oggi la maggior parte dei pacchetti ‘transistor’ su PCB sono regolatori di tensione che possono essere prelevati per altri progetti perché sono così facili da usare.,
Aumentare la corrente di uscita dei regolatori di tensione
Una limitazione che supera rapidamente l’utilità è la corrente di uscita, che è severamente limitata dal pacchetto e dal modo in cui il pacchetto è montato.
Esistono varianti ad alta corrente di questi regolatori, ma sono difficili da trovare.
Gli unici dispositivi in grado di sputare correnti elevate sono convertitori di commutazione DC-DC, ma le cifre del rumore in uscita sono terribili.
È possibile progettare il proprio regolatore lineare ad alta corrente, ma alla fine ti imbatterai in tutti i problemi sopra menzionati.,
Fortunatamente, c’è un modo per ‘dirottare’ un regolatore standard con alcune parti aggiuntive e aumentare la corrente di uscita.
La maggior parte di queste modifiche comporta l’aggiunta di un transistor di bypass attraverso il regolatore e la guida della base con l’ingresso, come mostrato nella figura seguente.
Regolatori regolabili
Tre regolatori terminali sono molto belli e facili da usare, ma cosa succede se si desidera una tensione di uscita non standard come 10.5 V o 13V?,
Ovviamente è più o meno possibile dirottare i regolatori fissi, ma la circuiteria richiesta è piuttosto complessa e batte lo scopo primario della semplicità.
Esistono dispositivi che possono fare il lavoro per noi, il più popolare è il LM317.
Il LM317 è proprio come qualsiasi altro regolatore lineare con un ingresso e un pin di uscita, ma al posto di un pin di massa c’è un pin chiamato ‘adjust’. Questo pin è progettato per ottenere feedback da un divisore di tensione attraverso l’uscita in modo che il pin sia sempre a 1.,25V, variando i valori di resistenza possiamo ottenere tensioni diverse. La scheda tecnica dice anche, ‘elimina stoccaggio molte tensioni fisse’, ma naturalmente questo vale solo se ci si può permettere di avere quei due resistori a bordo.
Una cosa bella di regolatori regolabili come questo è che con un piccolo cambiamento nella configurazione possono servire come forniture di corrente costante troppo.
Collegando un resistore al pin di uscita e il pin di regolazione all’altra estremità del resistore come mostrato in figura, il regolatore cerca di mantenere costante 1.,25V attraverso il resistore di uscita e quindi una corrente costante sull’uscita. Questo semplice circuito è molto popolare con la comunità del laser a diodi.
Anche i regolatori fissi possono farlo, ma le tensioni di interruzione sono irragionevolmente alte (in effetti, la tensione di uscita nominale). Funzioneranno in un pizzico, tuttavia, se sei disperato.
Limitazioni del regolatore di tensione
Il più grande vantaggio dei regolatori lineari è la loro semplicità; nient’altro deve essere detto.
Tuttavia, come tutti i buoni chip sono dotati di una propria serie di limitazioni.,
I regolatori lineari funzionano come un resistore variabile con feedback, lasciando cadere qualsiasi tensione non necessaria. Mentre si disegna la stessa corrente del carico. Questa energia sprecata viene convertita in calore, rendendo questi regolatori caldi e inefficienti a correnti elevate.
Per esempio, un 5 V regolatore con un 12 V ingresso in esecuzione a 1A ha una perdita di potenza di (12 V – 5 V)*1A, che è 7 W! Questo è un sacco di energia sprecata, e l’efficienza è solo del 58%!
Quindi ad alti differenziali di tensione in ingresso-uscita o ad alte correnti, i regolatori hanno una patetica efficienza energetica.,
Il problema della tensione differenziale ingresso-uscita può essere superato utilizzando più di un regolatore in serie con tensioni di uscita decrescenti (fino al valore di tensione desiderato) in modo che la tensione venga abbassata a gradini. Mentre la dissipazione di potenza complessiva è la stessa di avere un regolatore, il carico termico è distribuito su tutti i dispositivi, diminuendo la temperatura complessiva di funzionamento.