Die meisten integrierten Ics benötigen eine konstante Spannung, mit der sie arbeiten können. Sei es ein einfaches Logikgatter oder ein komplexer Mikroprozessor Sie haben ihre eigene Betriebsspannung. Die häufigsten Betriebsspannungen sind 3.3 V, 5V und 12V. Während wir Batterien und DC-Adapter haben, die als Spannungsquelle fungieren könnten, können sie die meiste Zeit nicht direkt an unser Schaltungsdesign angeschlossen werden, da die Spannung von ihnen nicht reguliert wird.,
Sagen wir zum beispiel, wir haben 9 V batterie aber müssen trigger eine 5 V Relais, die offensichtlich funktioniert auf 5 V. was tun wir hier?
Was ist Spannungsregler und warum verwenden wir ihn?
Sie erinnern Ihre Tage in der Schule wurde uns beigebracht, dass widerstände die Spannung fallen. Wäre es nicht eine einfache Lösung, nur Widerstände zu verwenden, um die Spannung gemäß dem Ohms-Gesetz abzufallen? Aber dann fallen Widerstände Spannung in Abhängigkeit von dem Strom, der durch sie fließt. In dem Moment, in dem Ihre Komponente weniger Strom zieht, schießt die Spannung hoch und tötet sie ab.,
Sie brauchen etwas Besseres – die Spannung sollte nicht vom Laststrom abhängen, zumindest nicht viel. Die nächste einfachste Lösung, die Ihnen auf den Kopf kommt, ist der Spannungsteiler. Dies benötigt zwei Widerstände, aber hey, wenn sie eingequetscht werden können, können sie auch funktionieren. Ein weiteres nagendes Problem – in dem Moment, in dem Ihre Komponente zu viel Strom zieht, sackt der Ausgang des Teilers ab-der obere Widerstand kann nicht mit dem Strombedarf Schritt halten. Jetzt fängst du wirklich an zu wünschen, du hättest davon in der Schule gelernt., Sie könnten dies beheben, indem Sie die Widerstandswerte senken, aber das würde dazu führen, dass die beiden Widerstände zu viel Strom ziehen, wahrscheinlich Ihr aktuelles Budget ruinieren und mit dem unmittelbaren Ausfallrisiko zu heiß werden.
Was könnte noch getan werden? Verstärkung! Natürlich mussten Sie stundenlang Vorträge darüber halten! Warum nicht einen NPN-Transistor als Spannungsfolger hinzufügen? Die Spannungsteiler-Vorspannung könnte an die Basis, den 12V-Schieneneingang an den Kollektor und den Ausgang an die Komponente an den Emitter angeschlossen werden, und Bingo, Sie haben das Problem gelöst!,
Natürlich funktioniert das Update, aber es hinterlässt ein nörgelndes Gefühl – Sie haben drei Teile verwendet, und beim Testen stellen Sie fest, dass Störungen in der 12V-Versorgungsschiene perfekt am Ausgang repliziert werden. Natürlich ist dies ein Verstärker, er hat nicht die Intelligenz, ihn automatisch zu kompensieren. Sie könnten den unteren Widerstand des Spannungsteilers durch eine Zenerdiode ersetzen, aber der Strom, der benötigt wird, um einen Zener richtig zu verzerren (gegen Dinge wie Temperaturkoeffizienten und Drift), ist fast so viel wie Ihre Komponente verbraucht – was völlig sinnlos ist.,
Gibt es keinen besseren Weg, dies zu tun? Gibt es nicht eine magische Blackbox, die alles enthielt, was benötigt wurde, um eine Spannung effizient fallen zu lassen? Millionen von EEEs auf der ganzen Welt haben ähnliche Stressperioden erlebt (einschließlich mir!). Natürlich sind nicht alle Probleme mit fallenden Spannungen verbunden, aber ähnliche Situationen sind überall in EEE Labs üblich!
Aber Sie haben Glück – die genaue Komponente, die Sie benötigen, existiert. Tatsächlich ist es eine der frühesten kommerziellen Implementierungen der IC-Technologie (abgesehen von Operationsverstärkern) – dem bescheidenen Spannungsregler.,
Wenn Sie jemals durch das Datenblatt eines Spannungsreglers schauen, werden Sie erstaunt sein über die Schaltung, mit der sie eine Spannung fallen lassen und sauber halten – ein schöner stabiler Spannungsregler, Verstärker mit Rückkopplung und Kompensation und eine halbwegs anständige Leistungsstufe. Wenn wir so viel Technologie in unsere Telefone packen konnten, warum nicht eine Spannungsregelung in ein schönes TO – 92-Paket?
Sie werden jeden Tag besser – einige von ihnen verbrauchen nicht mehr als ein paar Nanoampere, das ist ein Tausendstel Millionstel amp!, Noch besser ist, andere kommen mit Kurzschluss-und Übertemperatur-Schutz – so dass sie narrensicher.
Spannungsregler-Ein genauerer Blick
Wie wir im obigen Abschnitt gesehen haben, besteht die Hauptaufgabe eines Spannungsreglers darin, eine größere Spannung auf eine kleinere abzusenken und stabil zu halten, da diese geregelte Spannung verwendet wird, um (empfindliche) Elektronik mit Strom zu versorgen.
Ein Spannungsregler ist im Grunde ein aufgepeppter Emitterfolger, wie oben beschrieben – ein Transistor, der an eine stabile Referenz angeschlossen ist, die eine konstante Spannung ausspuckt und den Rest fallen lässt.,
Sie haben auch einen eingebauten Fehlerverstärker, der die Ausgangsspannung abtastet (wieder durch einen Teiler), mit der Referenzspannung vergleicht, die Differenz berechnet und den Ausgangstransistor entsprechend antreibt. Dies ist weit entfernt von einem Spannungsteiler, der das Eingangssignal getreu repliziert, wenn auch nur eine Größenordnung kleiner. Sie möchten keine Wechselstromwelligkeit auf Ihrer Gleichspannungsschiene überlagern.
Es ist wünschenswert, einen Transistor mit hoher Verstärkung zu haben, da Leistungstransistoren ein großer Schmerz sind, mit erbärmlichen Gewinnen im Bereich von zwei Ziffern zu fahren., Dies wurde durch die Verwendung von Darlington-Transistoren und in jüngerer Zeit MOSFETs überwunden. Da diese Typen weniger Strom zum Fahren benötigen, sinkt die Gesamtstromaufnahme. Ergänzt wird dies dadurch, dass die intern verwendete Spannungsreferenz auch sehr wenig Strom verbraucht.
Der Strom, den der Regler verbraucht, um all diese internen Schaltungen anzutreiben, wenn der Ausgang nicht geladen ist, wird als Ruhestrom bezeichnet. Je niedriger der Ruhestrom, desto besser.,
Die Art und Weise, wie diese Regler gebaut werden, hat drei Transistoren auf der Leistungsausgangsstufe – zwei davon in einer Darlington-Konfiguration und die andere als Strombegrenzungsvorrichtung. Die aufeinanderfolgenden CE-Übergänge summieren sich zu einem Spannungsabfall von etwa 2V über den Regler.
Diese Spannung wird als Dropout-Spannung bezeichnet, die Spannung, unter der der Regler aufhört zu regulieren.
Sie können Geräte finden, die als LDOs oder Low Dropout Regler mit einem Spannungsabfall von etwa 0,4 V bezeichnet werden, da sie einen MOSFET-Schalter verwenden.
Drei Klemmenregler
Genug geredet, jetzt für die tatsächlichen Teilenummern.,
Die gebräuchlichste Serie von Spannungsreglern ist die 78XX-Serie. Die zwei Ziffern nach dem 78 stellen die Ausgangsspannung des Reglers dar, beispielsweise ist der 7805 ein 5V-Regler und der 7812 ein 12V-Regler. Die mit festen Reglern verfügbaren Ausgangsspannungen decken einen großen Bereich von 3,3 V bis 24 V ab, wobei schöne Werte wie 5 V, 6 V, 9 V, 15 V und 18 V verfügbar sind.
Diese Serie von Reglern eignet sich hervorragend für die meisten Zwecke, sie können bis zu fast 30 V am Eingang und je nach Paket bis zu 1A Ausgangsstrom verarbeiten., Sie sind außergewöhnlich einfach zu bedienen-schließen Sie den Eingangspin an die Eingangsspannung und den Ausgangspin an das Gerät an, das die niedrigere Spannung benötigt, und natürlich den Massepin an Masse.
Hier sind Entkopplungskondensatoren optional, da die Rückkopplungsverstärker Eingangswelligkeit und Rauschen „ablehnen“ und sicherstellen, dass sie nicht an den Ausgang weitergegeben werden. Wenn Ihr Gerät jedoch mehr als einige zehn Milliampere zeichnet, wird mindestens 4.7 uF am Eingang und Ausgang empfohlen, vorzugsweise in Keramik.
Eine interessante Sache, die Menschen tun, ist primitive Telefonladegeräte mit diesen Reglern zu machen., Schließen Sie einfach eine 9V-Batterie an den Eingang und einen entsprechenden USB-Anschluss an den Ausgang und voila, Sie haben sich ein Notfall-Handy-Ladegerät. Diese Konstruktion ist aufgrund des eingebauten Wärmeschutzes auf dem Chip recht robust.
EINE schöne sache über diese art von spannungsreglern ist, dass die pinouts sind fast universal, so stecker in ersatz sind möglich. Heutzutage sind die meisten „Transistor“ – Pakete auf Leiterplatten Spannungsregler, die für andere Projekte abgeholt werden können, weil sie so einfach zu bedienen sind.,
Erhöhung des Ausgangsstroms von Spannungsreglern
Eine Einschränkung, die die Nützlichkeit schnell überwindet, ist der Ausgangsstrom, der durch das Paket und die Art und Weise, wie das Paket montiert wird, stark begrenzt ist.
Es gibt Hochstromvarianten dieser Regler, die aber schwer zu finden sind.
Die einzigen Geräte, die hohe Ströme ausspucken können, sind DC-DC-Schaltwandler, aber die Ausgangsrauschwerte sind schrecklich.
Das Entwerfen eines eigenen Linearreglers mit hohem Strom ist möglich, aber Sie werden schließlich auf alle oben genannten Probleme stoßen.,
Glücklicherweise gibt es eine Möglichkeit, einen Standardregler mit einigen zusätzlichen Teilen zu „entführen“ und den Ausgangsstrom zu erhöhen.
Die meisten dieser Modifikationen beinhalten das Hinzufügen eines Bypass-Transistors über den Regler und das Ansteuern der Basis mit dem Eingang, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Einstellbare Regler
Drei Klemmenregler sind sehr schön und einfach zu bedienen, aber was ist, wenn Sie eine nicht standardmäßige Ausgangsspannung wie 10,5 V oder 13 V wünschen?,
Natürlich ist es mehr oder weniger möglich, feste Regler zu entführen, aber die erforderliche Schaltung ist ziemlich komplex und übertrifft den Hauptzweck der Einfachheit.
Es gibt Geräte, die die Arbeit für uns erledigen können, am beliebtesten ist der LM317.
Der LM317 ist wie jeder andere Linearregler mit einem Eingang und einem Ausgangspin, aber anstelle eines Massepins gibt es einen Stift namens ‚adjust‘. Dieser Pin wurde entwickelt, um eine Rückkopplung von einem Spannungsteiler über den Ausgang zu erhalten, sodass der Pin immer bei 1 ist.,25V, durch Variation der Widerstandswerte können wir unterschiedliche Spannungen erhalten. Das Datenblatt sagt sogar: „Eliminiert zu viele feste Spannungen“, aber das gilt natürlich nur, wenn Sie es sich leisten können, diese beiden Widerstände an Bord zu haben.
Das Schöne an solchen Reglern ist, dass sie mit einer kleinen Konfigurationsänderung auch als Konstantstromversorgung dienen können.
Durch Anschließen eines Widerstands an den Ausgangspin und des Einstellpins an das andere Ende des Widerstands, wie in der Abbildung gezeigt, versucht der Regler eine Konstante 1 aufrechtzuerhalten.,25V über den Ausgangswiderstand und damit einen konstanten Strom am Ausgang. Diese einfache Schaltung ist bei der Diodenlaser-Community sehr beliebt.
Feste Regler können dies auch tun, aber die Dropout-Spannungen sind unangemessen hoch (tatsächlich ist die Nennausgangsspannung). Sie werden jedoch in einer Prise arbeiten, wenn Sie verzweifelt sind.
Spannungsreglerbeschränkungen
Der größte Vorteil von Linearreglern ist ihre Einfachheit; nichts anderes muss gesagt werden.
Wie alle guten Chips haben sie jedoch ihre eigenen Einschränkungen.,
Linearregler arbeiten wie ein variabler Widerstand mit Rückkopplung und lassen jede nicht benötigte Spannung fallen. Beim Zeichnen des gleichen Stroms wie die Last. Diese verschwendete Energie wird in Wärme umgewandelt, wodurch diese Regler bei hohen Strömen heiß und ineffizient werden.
Zum Beispiel hat ein 5V-Regler mit einem 12V-Eingang, der bei 1A läuft, eine Verlustleistung von (12V – 5V)*1A, was 7W ist! Das ist eine Menge Energieverschwendung, und die Effizienz beträgt nur 58%!
So haben Regler bei hohen Eingangs- / Ausgangsspannungsdifferentialen oder bei hohen Strömen eine erbärmliche Energieeffizienz.,
Mit mehr als einem Regler in Reihe mit abnehmenden Ausgangsspannungen (bis zum gewünschten Spannungswert) kann das Ein- / Ausgangs-Differenzspannungsproblem überwunden werden, so dass die Spannung stufenweise abfällt. Während die Gesamtleistungsableitung mit einem Regler identisch ist, wird die Wärmebelastung auf alle Geräte verteilt, wodurch die Gesamtbetriebstemperatur sinkt.