Spændingsregulatorer er en fælles funktion i mange kredsløb for at sikre, at en konstant, stabil spænding leveres til følsom elektronik. Hvordan de fungerer, er typisk for mange analoge kredsløb, den kloge og elegante brug af feedback for at justere udgangen til det ønskede niveau.
Oversigt over spændingsregulator
Når der kræves en stabil, pålidelig spænding, er spændingsregulatorerne go-to komponenterne. Spændingsregulatorer tager en indgangsspænding og skaber en reguleret udgangsspænding uanset indgangsspændingen ved enten et fast spændingsniveau eller et justerbart spændingsniveau (ved at vælge de rigtige eksterne komponenter). Denne automatiske regulering af udgangsspændingsniveauet håndteres af forskellige tilbagekoblingsteknikker, nogle er så simple som en zener-diode, mens andre omfatter komplekse feedback-topologier, som kan forbedre ydeevnen, pålideligheden, effektiviteten og tilføje andre funktioner som at øge udgangsspændingen over indgangsspændingen til spændingsregulatoren.
Hvordan linjære spændingsregulatorer arbejder
Vedligeholdelse af en fastspænding med en ukendt og potentielt støjende (eller dårligere) input kræver et feedback signal for at vide, hvilke justeringer der skal foretages. Lineære regulatorer bruger en strømtransistor (enten BJT eller MOSFET afhængigt af den anvendte komponent) som en variabel modstand, som opfører sig som den første halvdel af et spændingsdeler netværk. Udgangssignalet fra spændingsdeleren anvendes som tilbagemelding for at drive strømtransistoren passende for at opretholde en konstant udgangsspænding. Desværre spildes transistoren som en modstand, det spilder meget energi ved at omdanne det til varme, ofte masser af varme. Da den samlede effekt konverteret til varme er lig med spændingsfaldet mellem indgangsspændingen og udgangsspændingstiden den tilsluttede strøm, kan strømmen deraf ofte være meget høj, og der kræves gode heatsinks.
En alternativ form af en lineær regulator er en shunt regulator, såsom en Zener diode. I stedet for at fungere som en variabel serie modstand som den typiske lineære regulator gør, giver en shunt regulator en vej til jorden for overskydende spænding (og strøm) til at strømme igennem. Desværre er denne type regulator ofte endnu mindre effektiv end en typisk serie lineær regulator og er kun praktisk, når meget lidt strøm er nødvendig og leveres.
Hvordan skifte spændingsregulatorer arbejde
En spændingsregulator fungerer på en helt anden hovedstol end lineære spændingsregulatorer. I stedet for at fungere som en spænding eller strømforsyning for at tilvejebringe en konstant udgang, opbevarer en omskifteregulator energi på et defineret niveau og bruger feedback for at sikre, at ladningsniveauet opretholdes med minimal spændingsrippel. Denne teknik gør det muligt for omstillingsregulatoren at være meget mere effektiv end den lineære regulator ved kun at tænde en transistor (med minimal modstand), når energilagringskredsløbet har brug for en sprængning af energi. Dette reducerer den totale strøm, der er spildt i systemet, til transistorens modstand under omskiftningen, idet den overgår fra ledende (meget lav modstand) til ikke-ledende (meget høj modstand) og andre små kredsløbstab.
Jo hurtigere en koblingsregulator skifter, desto mindre energilagringskapacitet er det nødvendigt at opretholde den ønskede udgangsspænding, hvilket betyder mindre komponenter, der kan bruges. Omkostningerne ved hurtigere skifte er imidlertid et tab i effektivitet, da mere tid bruges til at overføre mellem ledende og ikke-ledende tilstande, hvilket betyder, at mere strøm går tabt på grund af resistiv opvarmning.
En anden bivirkning ved hurtigere skifte er stigningen i elektronisk støj, der genereres af omskifteren. Ved hjælp af forskellige koblingsteknikker kan en omskifteregulator nedsætte indgangsspændingen (buck topology), øge spændingen (boost topology) eller begge trin ned eller forøge spændingen (buck boost) efter behov bevare den ønskede udgangsspænding som gør omstillingsregulatorerne til et godt valg for mange batteridrevne applikationer, da omskifteren kan øge eller øge indgangsspændingen fra batteriet, når batteriet aflades. Dette gør det muligt for elektronikken at fungere godt ud over det punkt, hvor batteriet kunne direkte levere den rigtige spænding for kredsløbet til at fungere.
