de flesta av de integrerade IC: erna kräver en konstant spänning med vilken den kan fungera. Var det en enkel logisk grind eller en komplex mikroprocessor har de sin egen driftspänning. De vanligaste driftspänningarna är 3,3 V, 5V och 12V. medan vi har batterier och DC-adaptrar som kan fungera som en spänningskälla, kan de för det mesta inte anslutas direkt till vår kretsdesign eftersom spänningen från dem inte regleras.,
Säg till exempel att vi har 9V-batteri men behöver utlösa ett 5V-relä, vilket uppenbarligen fungerar på 5V. Vad gör vi här?
Vad är spänningsregulator och varför använder vi den?
Du minns dina skoldagar vi fick lära oss att motstånd faller spänning. Skulle det inte vara en enkel fix att bara använda motstånd för att släppa spänningen enligt Ohms lag? Men sedan släpper motstånden spänning beroende på strömmen som strömmar genom dem. När din komponent börjar dra mindre ström, spänningen skjuter upp och dödar den.,
du behöver något bättre-spänningen bör inte bero på lastströmmen, åtminstone inte mycket. Nästa enklaste fix som kommer till ditt huvud är spänningsdelaren. Detta behöver två motstånd, men hej, om de kan pressas in kan de lika bra fungera. Ett annat gnagande problem-det ögonblick din komponent börjar dra för mycket ström, utmatningen från delare sags-det övre motståndet kan inte hålla jämna steg med den nuvarande efterfrågan. Nu börjar du verkligen önska att du hade lärt dig om detta i skolan., Du kan fixa detta genom att sänka motståndsvärdena, men det skulle få de två motstånden att dra för mycket ström, förmodligen förstöra din nuvarande budget och bli för varm med den omedelbara risken för misslyckande.
vad mer kan man göra? Förstärkning! Naturligtvis var du tvungen att sätta igenom timmar av föreläsningar om dem! Varför inte lägga till en NPN transistor som en spänningsföljare? Spänningsdelaren bias kan anslutas till basen, 12V järnvägsinmatningen till kollektorn och utgången till komponenten till emittern, och bingo, du har löst problemet!,
självklart fungerar fixen, men det lämnar dig med en gnagande känsla-du har använt tre delar, och vid testning upptäcker du att glitches i 12V-matningsskenan replikeras perfekt på utgången. Naturligtvis är detta en förstärkare, den har inte intelligens att automatiskt kompensera. Du kan ersätta spänningsdelarens bottenmotstånd med en zenerdiod, men strömmen som krävs för att korrekt förspänning en Zener (mot saker som Temperaturkoefficienter och drift) är nästan lika mycket som din komponent förbrukar – vilket är helt meningslöst.,
finns det inte ett bättre sätt att göra detta? Finns det inte en magisk svart låda som innehöll allt som behövs för att släppa en spänning effektivt? Miljontals EEEs runt om i världen har varit om liknande perioder av stress (inklusive mig!). Naturligtvis är inte alla problem förknippade med att släppa spänningar, men liknande situationer är vanliga är EEE labs överallt!
men du har tur – den exakta komponenten du behöver finns. Faktum är att det är en av de tidigaste kommersiella implementeringarna av IC-tekniken (förutom op – amps) – den ödmjuka spänningsregulatorn.,
om du någonsin tittar igenom databladet för en spänningsregulator, kommer du att bli förvånad över de kretsar som de har packats med för att släppa en spänning och hålla den ren – en trevlig stabil spänningsregulator, förstärkare med feedback och kompensation och ett halvt anständigt kraftsteg. Självklart, om vi har kunnat packa så mycket teknik i våra telefoner, varför inte någon spänningsreglering i ett trevligt till 92-paket?
de fortsätter att bli bättre varje dag – några av dem konsumerar inte mer än några nanoamps, det är en tusendel av en miljonte av en amp!, Ännu bättre, andra kommer med kortslutning och övertemperaturskydd – vilket gör dem idiotsäkra.
spänningsregulatorer-en närmare titt
som vi har sett i avsnittet ovan är det primära jobbet hos en spänningsregulator att släppa en större spänning till en mindre och hålla den stabil, eftersom den reglerade spänningen används för att driva (känslig) elektronik.
en spänningsregulator är i grunden en beefed up emitterföljare, som beskrivits ovan – en transistor ansluten till en stabil referens som spottar ut en konstant spänning och släpper resten.,
de har också en inbyggd felförstärkare, som samplar utspänningen (igen genom en avdelare), jämför den med referensspänningen, beräknar skillnaden och driver utgångstransistorn i enlighet därmed. Detta är långt ifrån en spänningsdelare, som troget replikerar ingångssignalen, men bara en storleksordning mindre. Du vill inte ha AC ripple överlagrad på din DC – spänningsskena.
det är önskvärt att ha en transistor med hög förstärkning, eftersom krafttransistorer är en stor smärta att köra, med patetiska vinster i intervallet två siffror., Detta har övervunnits genom att använda Darlington transistorer och mer nyligen MOSFETs. Eftersom dessa typer kräver mindre ström att köra, minskar den totala strömförbrukningen. Detta kompletteras med det faktum att spänningsreferensen som används internt också förbrukar mycket liten ström.
den ström som regulatorn förbrukar för att driva alla dessa interna kretsar när utgången inte laddas kallas quiescent ström. Ju lägre Den tysta strömmen desto bättre.,
hur dessa regulatorer byggs har tre transistorer på uteffektstadiet – två av dem i en Darlington-konfiguration och den andra som en strömbegränsande enhet. De successiva CE-korsningar lägga upp till ett spänningsfall på cirka 2V över regulatorn.
denna spänning kallas dropout spänning, spänningen under vilken regulatorn slutar reglera.
Du kan hitta enheter som kallas LDOs eller låg hoppar tillsynsmyndigheter med ett spänningsfall på cirka 0,4 V, eftersom de använder en MOSFET-switch.
tre Terminalregulatorer
tillräckligt tal, nu för de faktiska delnumren.,
den vanligaste serien av spänningsregulatorer är 78XX-serien. De två siffrorna efter 78 representerar utspänning av tillsynsmyndigheten, till exempel 7805 är en 5V regulator och 7812 är en 12V-regulator. Utgångsspänningarna som finns med fasta regulatorer täcker ett stort utbud från 3.3 V till 24V med fina värden som 5V, 6V, 9V, 15V och 18V tillgängliga.
denna serie av regulatorer är utmärkta för de flesta ändamål, de kan hantera upp till nästan 30V på ingången och beroende på paketet, upp till 1A Utgångsström., De är exceptionellt enkla att använda-Anslut ingångsstiftet till ingångsspänningen och utgångsstiftet till den enhet som behöver den lägre spänningen och, naturligtvis, jordpinnen till marken.
här är frikopplingskondensatorer valfria, eftersom återkopplingskondensatorerna ”avvisar” ingångsrippel och brus, och ser till att de inte vidarebefordrar till utgången. Men om enheten drar mer än några tiotals milliamps, rekommenderas minst 4,7 uF på ingång och utgång, helst i keramik.
en intressant sak människor gör är att göra primitiva telefonladdare med hjälp av dessa regulatorer., Anslut bara ett 9V-batteri till ingången och en lämplig USB-kontakt till utgången och voila, du har själv en nödladdare. Denna konstruktion är ganska robust, på grund av det inbyggda värmeskyddet på chipet.
en trevlig sak om dessa typer av spänningsregulatorer är att pinoutsna är nästan universella, så plug in ersättare är möjliga. Numera de flesta av de ”transistor” paket på PCB är spänningsregulatorer som kan plockas upp för andra projekt eftersom de är så lätt att använda.,
öka utgångsströmmen för spänningsregulatorer
en begränsning som snabbt övervinner användbarheten är utgångsströmmen, som är allvarligt begränsad av paketet och hur paketet är monterat.
det finns höga nuvarande varianter av dessa regulatorer men de är svåra att hitta.
de enda enheter som kan spotta ut höga strömmar är DC-DC-omkopplingsomvandlare, men utmatningsbrusfigurerna är hemska.
det är möjligt att designa din egen höga nuvarande linjära regulator, men du kommer så småningom att stöta på alla ovan nämnda problem.,
lyckligtvis finns det ett sätt att ”kapa” en standardregulator med några extra delar och öka utgångsströmmen.
de flesta av dessa ändringar innebär att man lägger till en bypass-transistor över regulatorn och kör basen med ingången, som visas i nedanstående figur.
Justerbara regulatorer
tre terminalregulatorer är ganska trevliga och lätta att använda, men vad händer om du vill ha en icke-standard utspänning som 10.5 V eller 13V?,
naturligtvis är det mer eller mindre möjligt att kapa fasta regulatorer, men de nödvändiga kretsarna är ganska komplexa och slår det primära syftet med enkelhet.
enheter finns som kan göra jobbet för oss, den mest populära är LM317.
LM317 är precis som alla andra linjära regulator med en ingång och en utgångsstift, men i stället för en jordstift finns en pin-kod som heter ”justera”. Denna stift är utformad för att få feedback från en spänningsdelare över utgången så att stiftet alltid är vid 1.,25V, genom att variera motståndsvärdena kan vi få olika spänningar. Databladet säger även, ”eliminerar stocking många fasta spänningar”, men det gäller naturligtvis bara om du har råd att ha dessa två motstånd ombord.
en trevlig sak om justerbara regulatorer som detta är att med en liten förändring i konfigurationen kan de också fungera som konstanta strömförsörjningar.
genom att ansluta ett motstånd till utgångsstiftet och justeringsstiftet till den andra änden av motståndet som visas i figuren försöker regulatorn behålla en konstant 1.,25V över utgångsmotståndet och därmed en konstant ström på utgången. Denna enkla krets är ganska populär bland diodlasersamfundet.
fasta regulatorer kan göra detta också, men dropoutspänningarna är orimligt höga (i själva verket den nominella utspänningen). De kommer att arbeta i en nypa, dock, om du är desperat.
Spänningsregulatorbegränsningar
den största fördelen med linjära regulatorer är deras enkelhet; inget annat behöver sägas.
men liksom alla bra marker kommer de med sin egen uppsättning begränsningar.,
linjära regulatorer fungerar som ett variabelt motstånd med återkoppling och släpper eventuell onödig spänning. Medan du ritar samma ström som lasten. Denna bortkastade energi omvandlas till värme, vilket gör dessa regulatorer heta och ineffektiva vid höga strömmar.
till exempel har en 5V-regulator med en 12V-ingång som körs vid 1A en effektförlust på (12V – 5V) * 1A, vilket är 7W! Det är mycket slöseri med energi, och effektiviteten är bara 58 procent!
så vid hög input-output spänningsskillnader eller vid höga strömmar har regulatorer en patetisk energieffektivitet.,
problemet med in-output differentialspänning kan övervinnas med mer än en regulator i serie med minskande utspänningar (upp till önskat spänningsvärde) så att spänningen sänks i steg. Medan den totala effektförlusten är densamma som att ha en regulator, sprids värmebelastningen över alla enheter, vilket minskar den totala driftstemperaturen.