Регуляторы напряжения берут входное напряжение и создают регулируемое выходное напряжение независимо от входного напряжения либо на фиксированном уровне напряжения, либо на регулируемом уровне напряжения. Эта автоматическая регулировка уровня выходного напряжения осуществляется с помощью различных методов обратной связи. Некоторые из этих методов так же просты, как диод Зенера. Другие включают в себя сложные топологии обратной связи, которые улучшают производительность, надежность и эффективность, а также добавляют другие функции, такие как повышение выходного напряжения выше входного напряжения для регулятора напряжения.
Регуляторы напряжения часто используются во многих схемах, чтобы гарантировать, что постоянное, стабильное напряжение подается на чувствительную электронику.
Как работают линейные регуляторы напряжения
Поддержание фиксированного напряжения с неизвестным и потенциально шумным входом требует сигнала обратной связи, чтобы уточнить, какие корректировки необходимо выполнить. Линейные регуляторы используют силовой транзистор в качестве переменного резистора, который ведет себя как первая половина сети делителя напряжения. Выход делителя напряжения управляет мощным транзистором для поддержания постоянного выходного напряжения.
Поскольку транзистор ведет себя как резистор, он тратит энергию, преобразовывая ее в тепло - часто много тепла. Поскольку общая мощность, преобразованная в тепло, равна падению напряжения между входным и выходным напряжением, умноженному на подаваемый ток, рассеиваемая мощность часто может быть очень высокой, что требует хороших радиаторов.
Альтернативной формой линейного регулятора является шунтирующий регулятор, такой как диод Зенера. Вместо того, чтобы действовать как переменное последовательное сопротивление, как это делает типичный линейный регулятор, шунтирующий регулятор обеспечивает путь к земле для протекания избыточного напряжения (и тока). Этот тип регулятора часто менее эффективен, чем типичный последовательный линейный регулятор. Это практично только тогда, когда требуется и подается небольшое количество энергии.
Как работают импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсный регулятор напряжения работает по другому принципу, чем линейный регулятор напряжения. Вместо того, чтобы действовать как приемник напряжения или тока для обеспечения постоянного выхода, импульсный стабилизатор сохраняет энергию на определенном уровне и использует обратную связь, чтобы гарантировать, что уровень заряда поддерживается с минимальными пульсациями напряжения. Этот метод позволяет импульсному регулятору быть более эффективным, чем линейный регулятор, за счет полного включения транзистора (с минимальным сопротивлением) только тогда, когда схеме накопления энергии требуется всплеск энергии. Этот подход уменьшает общую мощность, теряемую в системе, на сопротивление транзистора во время переключения, когда он переходит из проводящего (очень низкое сопротивление) в непроводящее (очень высокое сопротивление) и другие небольшие потери в цепи.
Чем быстрее переключается импульсный стабилизатор, тем меньше энергии ему требуется для поддержания желаемого выходного напряжения, а это означает, что можно использовать компоненты меньшего размера. Однако цена более быстрого переключения - это потеря эффективности, поскольку больше времени тратится на переход между проводящим и непроводящим состояниями. При резистивном нагреве теряется больше энергии.
Другим побочным эффектом более быстрого переключения является увеличение электронного шума, создаваемого переключающим регулятором. Используя различные методы переключения, импульсный стабилизатор может:
- Уменьшить входное напряжение (топология buck).
- Повышение напряжения (повышающая топология).
- Как понижать, так и повышать напряжение (понижающее-повышенное) по мере необходимости для поддержания желаемого выходного напряжения.
Эта гибкость делает импульсные стабилизаторы отличным выбором для многих приложений с батарейным питанием, поскольку импульсный стабилизатор может повышать входное напряжение от батареи по мере ее разрядки.
