Spänningsregulatorer tar en inspänning och skapar en reglerad utspänning oavsett inspänningen vid antingen en fast spänningsnivå eller en justerbar spänningsnivå. Denna automatiska reglering av utspänningsnivån hanteras av olika återkopplingstekniker. Vissa av dessa tekniker är lika enkla som en zenerdiod. Andra inkluderar komplexa feedbacktopologier som förbättrar prestanda, tillförlitlighet och effektivitet och lägger till andra funktioner som att öka utspänningen över inspänningen till spänningsregulatorn.
Spänningsregulatorer är en vanlig funktion i många kretsar för att säkerställa att en konstant, stabil spänning tillförs känslig elektronik.
Hur linjära spänningsregulatorer fungerar
Att bibehålla en fast spänning med en okänd och potentiellt brusig ingång kräver en återkopplingssignal för att klargöra vilka justeringar som behöver göras. Linjära regulatorer använder en effekttransistor som ett variabelt motstånd som beter sig som den första halvan av ett spänningsdelarnätverk. Utgången från spänningsdelaren driver effekttransistorn på lämpligt sätt för att bibehålla en konstant utspänning.
Eftersom transistorn beter sig som ett motstånd, slösar den energi genom att omvandla den till värme, ofta mycket värme. Eftersom den totala effekten som omvandlas till värme är lika med spänningsfallet mellan ingångsspänningen och utspänningen gånger den tillförda strömmen, kan den förbrukade effekten ofta vara mycket hög, vilket kräver bra kylflänsar.
En alternativ form av en linjär regulator är en shuntregulator, till exempel en zenerdiod. Istället för att fungera som ett variabelt seriemotstånd som den typiska linjära regulatorn gör, tillhandahåller en shuntregulator en väg till jord för överspänning (och ström) att flöda igenom. Denna typ av regulator är ofta mindre effektiv än en vanlig linjär serieregulator. Det är bara praktiskt när lite ström behövs och levereras.
Hur fungerar växlande spänningsregulatorer
En växlande spänningsregulator fungerar på en annan princip än linjära spänningsregulatorer. Istället för att fungera som en spännings- eller strömsänka för att ge en konstant uteffekt, lagrar en omkopplingsregulator energi på en definierad nivå och använder återkoppling för att säkerställa att laddningsnivån upprätthålls med minimal spänningsrippel. Denna teknik tillåter omkopplingsregulatorn att vara effektivare än den linjära regulatorn genom att slå på en transistor helt (med minim alt motstånd) endast när energilagringskretsen behöver en energiskur. Detta tillvägagångssätt reducerar den totala effekt som går till spillo i systemet till transistorns resistans under omkopplingen när den övergår från ledande (mycket låg resistans) till icke-ledande (mycket hög resistans) och andra små kretsförluster.
Ju snabbare en omkopplingsregulator växlar, desto mindre energilagringskapacitet behöver den för att bibehålla den önskade utspänningen, vilket innebär att mindre komponenter kan användas. Kostnaden för snabbare växling är dock en förlust i effektivitet eftersom mer tid ägnas åt att växla mellan de ledande och icke-ledande tillstånden. Mer kraft går förlorad från resistiv uppvärmning.
En annan bieffekt av snabbare växling är ökningen av elektroniskt brus som genereras av växlingsregulatorn. Genom att använda olika växlingstekniker kan en växlingsregulator:
- Sänk ingångsspänningen (buck-topologi).
- Öka upp spänningen (boost topologi).
- Båda trappa ner eller höja spänningen (buck-boost) efter behov för att bibehålla den önskade utspänningen.
Denna flexibilitet gör växlingsregulatorer till ett utmärkt val för många batteridrivna applikationer eftersom växlingsregulatorn kan öka eller öka inspänningen från batteriet när batteriet laddas ur.
