De meeste geïntegreerde IC ‘ s hebben een constante spanning nodig waarmee ze kunnen werken. Of het nu gaat om een eenvoudige logische poort of een complexe microprocessor ze hebben hun eigen bedrijfsspanning. De meest voorkomende bedrijfsspanningen zijn 3.3 V, 5V en 12V. hoewel we batterijen en DC-adapters hebben die als spanningsbron kunnen fungeren, kunnen ze meestal niet direct worden aangesloten op ons circuitontwerp, omdat de spanning van hen niet is geregeld.,
bijvoorbeeld, we hebben 9V batterij, maar moeten een 5V relais activeren, die uiteraard werkt op 5V. wat doen we hier?
Wat is spanningsregelaar en waarom gebruiken we het?
je herinnert je schooltijd dat we geleerd hebben dat weerstanden de spanning laten dalen. Zou het niet een eenvoudige oplossing zijn om gewoon weerstanden te gebruiken om de spanning te laten dalen volgens de Ohm-wet? Maar dan, weerstanden daling spanning afhankelijk van de stroom die door hen. Op het moment dat je component minder stroom begint te trekken, schiet de spanning omhoog en doodt het.,
u hebt iets beters nodig – de spanning zou niet afhankelijk moeten zijn van de belastingstroom, tenminste niet veel. De volgende eenvoudigste oplossing die naar je hoofd komt is de spanningsdeler. Dit heeft twee weerstanden nodig, maar als ze erin geperst kunnen worden, kunnen ze net zo goed werken. Een ander zeurend probleem-het moment dat uw component begint te trekken te veel stroom, de output van de verdeler zakt – de bovenste weerstand is niet in staat om gelijke tred te houden met de huidige vraag. Nu begin je echt te wensen dat je dit op school had geleerd., Je zou dit kunnen oplossen door de weerstandwaarden te verlagen, maar dat zou ervoor zorgen dat de twee weerstanden te veel stroom trekken, waarschijnlijk je huidige budget ruïneren en te warm worden met het onmiddellijke risico op falen.
wat kan er nog meer worden gedaan? Versterking! Natuurlijk, je moest door urenlang lezingen over die! Waarom voeg je geen NPN transistor toe als spanningsvolger? De spanning divider bias kan worden aangesloten op de basis, de 12V rail ingang naar de collector en de uitgang naar de component naar de emitter, en bingo, je hebt het probleem opgelost!,
natuurlijk werkt de fix, maar het laat je met een zeurend gevoel-je hebt drie delen gebruikt, en bij het testen ontdek je dat glitches in de 12V supply rail perfect worden gerepliceerd op de output. Natuurlijk, dit is een versterker, het heeft niet de intelligentie om automatisch te compenseren. Je zou de onderste weerstand van de spanningsdeler kunnen vervangen door een zenerdiode, maar de stroom die nodig is om een Zener goed te beïnvloeden (tegen dingen als temperatuurcoëfficiënten en drift) is bijna net zoveel als je component verbruikt – wat volkomen zinloos is.,
is er geen betere manier om dit te doen? Is er geen magische zwarte doos die alles bevatte wat nodig was om een spanning efficiënt te laten dalen? Miljoenen Eee ‘ s over de hele wereld zijn al soortgelijke perioden van stress geweest (waaronder ik!). Natuurlijk, niet alle problemen worden geassocieerd met het laten vallen van spanningen, maar soortgelijke situaties zijn gebruikelijk is EEE labs overal!
maar je hebt geluk – de exacte component die je nodig hebt bestaat. In feite, het is een van de vroegste commerciële implementatie van de IC-technologie (afgezien van op – versterkers) – de bescheiden spanningsregelaar.,
als je ooit door de datasheet van een spanningsregelaar kijkt, zul je versteld staan van de circuits waarmee ze vol zitten om een spanning te laten vallen en schoon te houden – een mooie stabiele spanningsregelaar, versterkers met feedback en compensatie en een half fatsoenlijke power stage. Natuurlijk, als we zoveel technologie in onze telefoons hebben kunnen stoppen, waarom dan geen spanningsregeling in een mooi tot – 92 pakket?
ze worden elke dag beter – sommige van hen verbruiken niet meer dan een paar nanoamps, dat is een duizendste van een miljoenste van een amp!, Nog beter, anderen komen met kortsluiting en overtemperatuurbescherming-waardoor ze waterdicht zijn.
Spanningsregelaars-een nadere blik
zoals we hierboven hebben gezien, is de primaire taak van een spanningsregelaar om een grotere spanning naar een kleinere te laten zakken en deze stabiel te houden, aangezien die geregelde spanning wordt gebruikt om (gevoelige) elektronica aan te drijven.
een spanningsregelaar is in principe een versterkte emitter volger, zoals hierboven beschreven – een transistor die is aangesloten op een stabiele referentie die een constante spanning uitspuwt en de rest laat vallen.,
ze hebben ook een ingebouwde foutversterker, die de uitgangsspanning sampelt (opnieuw door een verdeler), deze vergelijkt met de referentiespanning, het verschil berekent en de uitgangstransistor dienovereenkomstig aandrijft. Dit is verre van een spanningsdeler, die getrouw het ingangssignaal repliceert, hoewel slechts een magnitude kleiner. U wilt geen AC rimpel bedekt op uw DC spanningsrail.
Het is wenselijk om een transistor met een hoge versterking te hebben, omdat vermogenstransistors een enorme last zijn om te rijden, met pathetische winsten in het bereik van twee cijfers., Dit is overwonnen door Darlington transistors en meer recent MOSFETs te gebruiken. Aangezien deze typen minder stroom nodig hebben om te rijden, neemt het totale stroomverbruik af. Dit wordt aangevuld door het feit dat de spanningsreferentie die intern wordt gebruikt ook zeer weinig stroom verbruikt.
de stroom die de regelaar verbruikt om al deze interne circuits aan te drijven wanneer de uitgang niet geladen is, wordt de ruststroom genoemd. Hoe lager de ruststroom, hoe beter.,
de manier waarop deze regelaars zijn gebouwd heeft drie transistors op de uitgangstrap – twee in een Darlington-configuratie en de andere als stroombegrenzer. De opeenvolgende ce-aansluitingen zorgen voor een spanningsdaling van ongeveer 2V over de regelaar.
deze spanning staat bekend als de uitvalspanning, de spanning waaronder de regelaar stopt met regelen.
u kunt apparaten vinden die LDO ‘ s worden genoemd of regelaars met een lage uitval met een spanningsdaling van ongeveer 0,4 V, omdat ze een MOSFET-schakelaar gebruiken.
drie Terminalregelaars
genoeg gepraat, nu voor de werkelijke onderdeelnummers.,
de meest voorkomende serie spanningsregelaars is de 78XX serie. De twee cijfers na de 78 vertegenwoordigen de uitgangsspanning van de regelaar, bijvoorbeeld de 7805 is een 5V regelaar en de 7812 is een 12V regelaar. De uitgangsspanningen beschikbaar met vaste regelaars dekt een groot bereik van 3,3 V tot 24V met mooie waarden zoals 5V, 6V, 9V, 15V en 18V beschikbaar.
deze serie regelaars zijn uitstekend voor de meeste doeleinden, ze kunnen tot bijna 30V aan op de ingang en afhankelijk van het pakket, tot 1A uitgangsstroom., Ze zijn uitzonderlijk eenvoudig te gebruiken – sluit de ingangspeld aan op de ingangsspanning en de outputspeld op het apparaat dat de lagere spanning en, natuurlijk, de grondspeld aan grond nodig heeft.
Hier zijn ontkoppelingscondensatoren optioneel, omdat de feedbackversterkers de ingangsrimpel en ruis’ afwijzen’, om ervoor te zorgen dat ze niet aan de uitgang worden doorgegeven. Echter, als uw apparaat trekt meer dan een paar tientallen milliampers, ten minste 4,7 uF op de input en output wordt aanbevolen, bij voorkeur in keramiek.
een interessant ding dat mensen doen is het maken van primitieve telefoonladers met behulp van deze regelaars., Sluit gewoon een 9V batterij aan op de ingang en een geschikte USB-aansluiting op de uitgang en voila, je hebt jezelf een noodtelefoon oplader. Deze constructie is vrij robuust, vanwege de ingebouwde thermische bescherming op de chip.
een leuk ding over dit soort spanningsregelaars is dat de pinouts bijna universeel zijn, dus plug-in vervangingen zijn mogelijk. Tegenwoordig zijn de meeste ‘transistor’ pakketten op PCB ‘ s spanningsregelaars die kunnen worden opgepikt voor andere projecten omdat ze zo eenvoudig te gebruiken zijn.,
het verhogen van de uitgangsstroom van Spanningsregelaars
een beperking die het nut snel overwint is de uitgangsstroom, die sterk wordt beperkt door het pakket en de manier waarop het pakket is gemonteerd.
Er zijn hoge stroomvarianten van deze regelaars, maar ze zijn moeilijk te vinden.
de enige apparaten die hoge stromen kunnen uitspuwen zijn gelijkstroom – GELIJKSTROOMOMZETTERS, maar de geluidscijfers van de output zijn verschrikkelijk.
het ontwerpen van uw eigen hoge stroom lineaire regelaar is mogelijk, maar u zult uiteindelijk tegen alle bovengenoemde problemen aanlopen.,
gelukkig is er een manier om een standaard regelaar met een paar extra onderdelen te ‘kapen’ en de uitgangsstroom te verhogen.
De meeste van deze wijzigingen omvatten het toevoegen van een bypass transistor over de regelaar en het besturen van de basis met de ingang, zoals weergegeven in de onderstaande figuur.
regelbare regelaars
drie regelaars zijn aardig en eenvoudig te gebruiken, maar wat als je een niet-standaard uitgangsspanning wilt zoals 10,5 V of 13V?,
natuurlijk is het min of meer mogelijk om vaste regelaars te kapen, maar het vereiste circuit is vrij complex en overtreft het primaire doel van eenvoud.
apparaten bestaan die het werk voor ons kunnen doen, de meest populaire is de LM317.
De LM317 is net als elke andere lineaire regelaar met een input en een output pin, maar in plaats van een grondpin is er een pin genaamd ‘adjust’. Deze pin is ontworpen om feedback te krijgen van een spanningsdeler over de uitgang, zodat de pin altijd op 1 staat.,25V, door het variëren van de weerstandswaarden kunnen we verschillende spanningen verkrijgen. In de datasheet staat zelfs, ‘elimineert het opslaan van veel vaste spanningen’, maar dit geldt natuurlijk alleen als je die twee weerstanden aan boord kunt hebben.
een leuk ding over regelbare regelaars als deze is dat met een kleine verandering in de configuratie ze kunnen dienen als constante stroom supplies ook.
door een weerstand aan te sluiten op de uitgangspin en de instelpin op het andere uiteinde van de weerstand zoals weergegeven in de figuur, probeert de regelaar een constante 1 te handhaven.,25V over de outputweerstand en dus een constante stroom op de output. Dit eenvoudige circuit is heel populair bij de diode laser gemeenschap.
vaste regelaars kunnen dit ook, maar de uitvalspanningen zijn onredelijk hoog (in feite, de nominale uitgangsspanning). Ze zullen werken in een snuifje, echter, als je wanhopig bent.
spanningsregelaar beperkingen
het grootste voordeel van lineaire regelaars is hun eenvoud; verder hoeft niets te worden gezegd.
echter, zoals alle goede chips komen ze met hun eigen set van beperkingen.,
Lineaire regelaars werken als een instelbare weerstand met feedback, waardoor elke onnodige spanning daalt. Tijdens het tekenen van dezelfde stroom als de belasting. Deze verspilde energie wordt omgezet in warmte, waardoor deze regelaars heet en inefficiënt bij hoge stromen.
bijvoorbeeld, een 5V-regelaar met een 12V-ingang die draait op 1A heeft een vermogensverlies van (12V – 5V)*1A, wat 7W is! Dat is een hoop verspilde energie, en de efficiëntie is slechts 58%!
dus bij hoge in-en uitgangsspanningsverschillen of bij hoge stromen hebben regelaars een pathetische energie-efficiëntie.,
het in-en uitvoerverschilspanningsprobleem kan worden opgelost met meer dan één regelaar in serie met afnemende uitgangsspanningen (tot de gewenste spanningswaarde), zodat de spanning in stappen daalt. Terwijl de totale vermogensdissipatie hetzelfde is als het hebben van één regelaar, wordt de warmtebelasting verspreid over alle apparaten, waardoor de totale bedrijfstemperatuur daalt.