Saltar al contenido

Τι είναι οι ρυθμιστές τάσης και πώς λειτουργούν στα ηλεκτρονικά;

22 de mayo de 2021

Οι ρυθμιστές τάσης λαμβάνουν μια τάση εισόδου και δημιουργούν μια ρυθμιζόμενη τάση εξόδου ανεξάρτητα από την τάση εισόδου είτε σε σταθερό επίπεδο είτε σε ρυθμιζόμενο επίπεδο τάσης. Αυτή η αυτόματη ρύθμιση του επιπέδου τάσης εξόδου αντιμετωπίζεται με διάφορες τεχνικές ανάδρασης. Μερικές από αυτές τις τεχνικές είναι τόσο απλές όσο μια δίοδος Zener. Άλλοι περιλαμβάνουν σύνθετες τοπολογίες ανατροφοδότησης που βελτιώνουν την απόδοση, την αξιοπιστία και την αποδοτικότητα και προσθέτουν άλλα χαρακτηριστικά όπως αύξηση της τάσης εξόδου πάνω από την τάση εισόδου στον ρυθμιστή τάσης. Οι ρυθμιστές τάσης είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό σε πολλά κυκλώματα για να διασφαλιστεί ότι παρέχεται σταθερή, σταθερή τάση σε ευαίσθητα ηλεκτρονικά.

Mark Gittelman

Πώς λειτουργούν οι ρυθμιστές γραμμικής τάσης

Η διατήρηση σταθερής τάσης με άγνωστη και δυνητικά θορυβώδη είσοδο απαιτεί σήμα ανάδρασης για να διευκρινιστεί ποιες ρυθμίσεις πρέπει να γίνουν. Οι γραμμικοί ρυθμιστές χρησιμοποιούν ένα τρανζίστορ ισχύος ως μεταβλητή αντίσταση που συμπεριφέρεται σαν το πρώτο μισό ενός δικτύου διαχωριστή τάσης. Η έξοδος του διαιρέτη τάσης οδηγεί το τρανζίστορ ισχύος κατάλληλα για να διατηρήσει μια σταθερή τάση εξόδου. Επειδή το τρανζίστορ συμπεριφέρεται σαν αντίσταση, σπατάλει ενέργεια μετατρέποντάς το σε θερμότητα – συχνά πολύ θερμότητα. Δεδομένου ότι η συνολική ισχύς που μετατρέπεται σε θερμότητα είναι ίση με την πτώση τάσης μεταξύ της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου επί το ρεύμα που παρέχεται, η ισχύς που διατίθεται μπορεί συχνά να είναι πολύ υψηλή, απαιτώντας καλές ψύκτρες. Μια εναλλακτική μορφή ενός γραμμικού ρυθμιστή είναι ένας ρυθμιστής διακλάδωσης, όπως μια δίοδος Zener. Αντί να λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση σειράς όπως κάνει ο τυπικός γραμμικός ρυθμιστής, ένας ρυθμιστής διακλάδωσης παρέχει μια διαδρομή προς τη γείωση για να περάσει η υπερβολική τάση (και ρεύμα). Αυτός ο τύπος ρυθμιστή είναι συχνά λιγότερο αποτελεσματικός από έναν τυπικό γραμμικό ρυθμιστή σειράς. Είναι πρακτικό μόνο όταν απαιτείται και παρέχεται λίγη ισχύς.

Πώς λειτουργούν οι ρυθμιστές εναλλαγής τάσης

Ένας ρυθμιστής τάσης μεταγωγής λειτουργεί με διαφορετική αρχή από τους ρυθμιστές γραμμικής τάσης. Αντί να λειτουργεί ως νεροχύτης τάσης ή ρεύματος για παροχή σταθερής εξόδου, ένας ρυθμιστής εναλλαγής αποθηκεύει ενέργεια σε ένα καθορισμένο επίπεδο και χρησιμοποιεί ανατροφοδότηση για να διασφαλίσει ότι η στάθμη φόρτισης διατηρείται με ελάχιστη κυματική τάση. Αυτή η τεχνική επιτρέπει στον ρυθμιστή μεταγωγής να είναι πιο αποτελεσματικός από τον γραμμικό ρυθμιστή ενεργοποιώντας ένα τρανζίστορ πλήρως (με ελάχιστη αντίσταση) μόνο όταν το κύκλωμα αποθήκευσης ενέργειας χρειάζεται μια έκρηξη ενέργειας. Αυτή η προσέγγιση μειώνει τη συνολική απώλεια ισχύος στο σύστημα στην αντίσταση του τρανζίστορ κατά τη διάρκεια της αλλαγής καθώς μεταβαίνει από τη διεξαγωγή (πολύ χαμηλή αντίσταση) σε μη αγώγιμη (πολύ υψηλή αντίσταση) και άλλες μικρές απώλειες κυκλώματος. Όσο γρηγορότερα αλλάζει ένας ρυθμιστής αλλαγής, τόσο λιγότερη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας χρειάζεται για να διατηρήσει την επιθυμητή τάση εξόδου, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότερα εξαρτήματα. Ωστόσο, το κόστος της ταχύτερης αλλαγής είναι μια απώλεια στην αποδοτικότητα καθώς ξοδεύεται περισσότερος χρόνος μετάβασης μεταξύ των καταστάσεων αγώγιμης και μη αγωγιμότητας. Περισσότερη ισχύς χάνεται από την αντίσταση θέρμανσης. Μια άλλη παρενέργεια της ταχύτερης εναλλαγής είναι η αύξηση του ηλεκτρονικού θορύβου που παράγεται από τον ρυθμιστή εναλλαγής. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές μεταγωγής, ένας ρυθμιστής εναλλαγής μπορεί:

  • Μειώστε την τάση εισόδου (τοπολογία buck).
  • Αυξήστε την τάση (τοπολογία ενίσχυσης).
  • Και οι δύο κατεβαίνουν ή αυξάνουν την τάση (buck-boost) όπως απαιτείται για τη διατήρηση της επιθυμητής τάσης εξόδου.

Αυτή η ευελιξία καθιστά τους ρυθμιστές εναλλαγής μια εξαιρετική επιλογή για πολλές εφαρμογές που λειτουργούν με μπαταρία, επειδή ο ρυθμιστής εναλλαγής μπορεί να αυξήσει ή να αυξήσει την τάση εισόδου από την μπαταρία καθώς η μπαταρία αποφορτίζεται.