Obwody elektroniczne - regulatory

Kolejnym i ostatnim etapem przed obciążeniem w systemie zasilania jest część Regulator. Spróbujmy teraz zrozumieć, czym jest regulator i co robi.

Część elektroniki, która zajmuje się sterowaniem i przetwarzaniem energii elektrycznej, można określić jako Power Electronics. Regulator jest ważnym urządzeniem, jeśli chodzi o elektronikę mocy, ponieważ steruje mocą wyjściową.

Potrzeba regulatora

Aby zasilacz wytwarzał stałe napięcie wyjściowe, niezależnie od zmian napięcia wejściowego lub zmian prądu obciążenia, potrzebny jest regulator napięcia.

ZA voltage regulatorto takie urządzenie, które utrzymuje stałe napięcie wyjściowe, zamiast jakichkolwiek wahań w przyłożonym napięciu wejściowym lub jakichkolwiek zmian prądu pobieranego przez obciążenie. Poniższy obraz daje wyobrażenie o tym, jak wygląda praktyczny regulator.

Rodzaje regulatorów

Regulatory można podzielić na różne kategorie, w zależności od ich działania i rodzaju połączenia.

Depending upon the type of regulation, regulatory są głównie podzielone na dwa typy, a mianowicie regulatory liniowe i regulatory obciążenia.

Line Regulator - Regulator, który reguluje napięcie wyjściowe, aby było stałe, pomimo zmian linii wejściowej, nazywa się Line regulator.
Load Regulator - Regulator, który reguluje napięcie wyjściowe na stałym poziomie, pomimo zmian obciążenia na wyjściu, nazywany jest Load regulator.

Depending upon the type of connectionistnieją dwa rodzaje regulatorów napięcia. Oni są

Szeregowy regulator napięcia
Bocznikowy regulator napięcia

Ich rozmieszczenie w obwodzie będzie takie, jak na poniższych rysunkach.

Przyjrzyjmy się innym ważnym typom regulatorów.

Regulator napięcia Zenera

Regulator napięcia Zenera to taki, który wykorzystuje diodę Zenera do regulacji napięcia wyjściowego. Szczegóły dotyczące diody Zenera omówiliśmy już w tutorialu BASIC ELECTRONICS.

Gdy dioda Zenera działa w przypadku awarii lub Zener region, napięcie na nim jest znacznie constant dla large change of currentprzez to. Ta cecha sprawia, że dioda Zenera agood voltage regulator.

Poniższy rysunek przedstawia obraz prostego regulatora Zenera.

Przyłożone napięcie wejściowe $ V_i $, gdy wzrośnie powyżej napięcia Zenera $ V_z $, wówczas dioda Zenera działa w obszarze przebicia i utrzymuje stałe napięcie na obciążeniu. Szeregowy rezystor ograniczający $ R_s $ ogranicza prąd wejściowy.

Działanie regulatora napięcia Zenera

Dioda Zenera utrzymuje stałe napięcie na niej pomimo zmian obciążenia i wahań napięcia wejściowego. Dlatego możemy rozważyć 4 przypadki, aby zrozumieć działanie regulatora napięcia Zenera.

Case 1- Jeśli prąd obciążenia $ I_L $ wzrasta, to prąd płynący przez diodę Zenera $ I_Z $ maleje, aby utrzymać stały prąd na rezystorze szeregowym $ R_S $. Napięcie wyjściowe Vo zależy od napięcia wejściowego Vi i napięcia na rezystorze szeregowym $ R_S $.

Można to zapisać jako

$$ V_o = V_ {in} -IR_ {s} $$

Gdzie $ I $ jest stałe. Dlatego $ V_o $ również pozostaje stałe.

Case 2- Jeśli prąd obciążenia $ I_L $ maleje, to prąd płynący przez diodę Zenera $ I_Z $ wzrasta, ponieważ prąd $ I_S $ przez rezystor szeregowy RS pozostaje stały. Chociaż prąd $ I_Z $ przechodzący przez diodę Zenera wzrasta, to utrzymuje stałe napięcie wyjściowe $ V_Z $, które utrzymuje stałe napięcie obciążenia.

Case 3- Jeśli napięcie wejściowe $ V_i $ wzrasta, to prąd $ I_S $ przez rezystor szeregowy RS rośnie. Zwiększa to spadek napięcia na rezystorze, tj. $ V_S $ wzrasta. Chociaż prąd płynący przez diodę Zenera $ I_Z $ wzrasta wraz z tym, napięcie na diodzie Zenera $ V_Z $ pozostaje stałe, utrzymując stałe napięcie wyjściowe obciążenia.

Case 4- Jeśli napięcie wejściowe spada, prąd płynący przez rezystor szeregowy maleje, co powoduje zmniejszenie prądu płynącego przez diodę Zenera $ I_Z $. Ale dioda Zenera utrzymuje stałe napięcie wyjściowe ze względu na swoje właściwości.

Ograniczenia regulatora napięcia Zenera

Istnieje kilka ograniczeń dotyczących regulatora napięcia Zenera. Oni są -

Jest mniej wydajny w przypadku dużych prądów obciążenia.
Impedancja Zenera nieznacznie wpływa na napięcie wyjściowe.

Stąd regulator napięcia Zenera jest uważany za skuteczny w zastosowaniach niskonapięciowych. Teraz przejdźmy do innych typów regulatorów napięcia, które są wykonane za pomocą tranzystorów.

Regulator napięcia serii tranzystorów

Ten regulator ma tranzystor połączony szeregowo z regulatorem Zenera i oba równolegle do obciążenia. Tranzystor działa jako rezystor zmienny regulujący napięcie kolektora na emiterze w celu utrzymania stałego napięcia wyjściowego. Poniższy rysunek przedstawia szeregowy regulator napięcia tranzystora.

Wraz z wejściowymi warunkami pracy zmienia się prąd płynący przez podstawę tranzystora. Wpływa to na napięcie na złączu baza-emiter tranzystora $ V_ {BE} $. Napięcie wyjściowe jest utrzymywane przez stałe napięcie Zenera $ V_Z $. Ponieważ oba są równe, każda zmiana zasilania wejściowego jest wskazywana przez zmianę napięcia bazowego emitera $ V_ {BE} $.

Stąd napięcie wyjściowe Vo można rozumieć jako

$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$

Działanie regulatora napięcia serii tranzystorów

Należy wziąć pod uwagę pracę szeregowego regulatora napięcia przy zmianach na wejściu i obciążeniu. Jeśli wzrasta napięcie wejściowe, wzrasta również napięcie wyjściowe. Ale to z kolei powoduje spadek napięcia na złączu podstawy kolektora $ V_ {BE} $, ponieważ napięcie Zenera $ V_Z $ pozostaje stałe. Przewodnictwo maleje wraz ze wzrostem rezystancji w obszarze kolektora emitera. To dodatkowo zwiększa napięcie na złączu kolektora-emiter VCE, zmniejszając w ten sposób napięcie wyjściowe $ V_O $. Podobnie będzie, gdy napięcie wejściowe spadnie.

Gdy zachodzą zmiany obciążenia, co oznacza, że jeśli rezystancja obciążenia maleje, zwiększając prąd obciążenia $ I_L $, napięcie wyjściowe $ V_O $ maleje, zwiększając napięcie bazowe emitera $ V_ {BE} $.

Wraz ze wzrostem napięcia bazowego emitera $ V_ {BE} $ przewodnictwo wzrasta, zmniejszając rezystancję kolektora emitera. To z kolei zwiększa prąd wejściowy, który kompensuje spadek rezystancji obciążenia. Podobnie będzie, gdy prąd obciążenia wzrośnie.

Ograniczenia regulatora napięcia szeregowego tranzystora

Regulatory napięcia szeregowego tranzystorów mają następujące ograniczenia -

Na napięcia $ V_ {BE} $ i $ V_Z $ ma wpływ wzrost temperatury.
Nie jest możliwa dobra regulacja dla wysokich prądów.
Straty mocy są wysokie.
Straty mocy są wysokie.
Mniej wydajne.

Aby zminimalizować te ograniczenia, stosuje się regulator bocznikowy tranzystora.

Regulator napięcia bocznika tranzystora

Obwód regulatora bocznikowego tranzystora jest tworzony przez połączenie rezystora szeregowo z wejściem i tranzystora, którego baza i kolektor są połączone za pomocą diody Zenera, która reguluje, oba równolegle do obciążenia. Poniższy rysunek przedstawia schemat obwodu regulatora bocznikowego tranzystora.

Działanie regulatora napięcia bocznika tranzystora

Jeśli napięcie wejściowe wzrasta, $ V_ {BE} $ i $ V_O $ również się zwiększają. Ale dzieje się to początkowo. W rzeczywistości, gdy $ V_ {in} $ rośnie, bieżące $ I_ {in} $ również rośnie. Ten prąd przepływający przez RS powoduje spadek napięcia $ V_S $ na rezystorze szeregowym, który również wzrasta o $ V_ {in} $. Ale to sprawia, że $ V_o $ spada. Teraz ten spadek $ V_o $ kompensuje początkowy wzrost utrzymując go na stałym poziomie. Stąd $ V_o $ jest utrzymywane na stałym poziomie. Jeśli zamiast tego napięcie wyjściowe spada, dzieje się odwrotnie.

Jeśli rezystancja obciążenia spada, należy zmniejszyć napięcie wyjściowe $ V_o $. Prąd przepływający przez obciążenie wzrasta. Powoduje to zmniejszenie prądu bazowego i prądu kolektora tranzystora. Napięcie na rezystorze szeregowym staje się niskie, ponieważ prąd płynie silnie. Prąd wejściowy będzie stały.

Pojawi się napięcie wyjściowe, będące różnicą między przyłożonym napięciem $ V_i $ a szeregowym spadkiem napięcia $ V_s $. Stąd napięcie wyjściowe zostanie zwiększone, aby skompensować początkowy spadek, a tym samym utrzymane na stałym poziomie. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy wzrasta rezystancja obciążenia.

Regulatory IC

Regulatory napięcia są obecnie dostępne w postaci układów scalonych (IC). Są one w skrócie nazywane regulatorami IC.

Oprócz funkcji normalnego regulatora, regulator IC ma takie właściwości jak kompensacja termiczna, ochrona przed zwarciem i ochrona przeciwprzepięciowa, które są wbudowane w urządzenie.

Rodzaje regulatorów IC

Regulatory IC mogą być następujących typów -

Naprawiono dodatnie regulatory napięcia
Naprawiono ujemne regulatory napięcia
Regulowane regulatory napięcia
Regulatory napięcia z podwójnym śledzeniem

Omówmy je teraz szczegółowo.

Naprawiono dodatni regulator napięcia

Wyjście tych regulatorów jest ustalone na określoną wartość, a wartości są dodatnie, co oznacza, że dostarczane napięcie wyjściowe jest napięciem dodatnim.

Najczęściej używaną serią jest seria 7800, a układy scalone będą podobne do IC 7806, IC 7812 i IC 7815 itp., Które zapewniają odpowiednio + 6v, + 12v i + 15v jako napięcia wyjściowe. Poniższy rysunek przedstawia IC 7810 podłączony w celu zapewnienia stałego, dodatnio regulowanego napięcia wyjściowego 10V.

Na powyższym rysunku kondensator wejściowy $ C_1 $ jest używany do zapobiegania niepożądanym oscylacjom, a kondensator wyjściowy $ C_2 $ działa jako filtr liniowy poprawiający odpowiedź przejściową.

Naprawiono ujemny regulator napięcia

Wyjście tych regulatorów jest ustalone na określoną wartość, a wartości są ujemne, co oznacza, że dostarczane napięcie wyjściowe jest napięciem ujemnym.

Najczęściej używaną serią jest seria 7900, a układy scalone będą podobne do IC 7906, IC 7912 i IC 7915 itp., Które zapewniają odpowiednio -6v, -12v i -15v jako napięcia wyjściowe. Poniższy rysunek przedstawia IC 7910 podłączony w celu zapewnienia stałego ujemnego regulowanego napięcia wyjściowego 10 V.

Regulowane regulatory napięcia

Regulowany regulator napięcia ma trzy zaciski IN, OUT i ADJ. Zaciski wejściowe i wyjściowe są wspólne, podczas gdy zacisk regulowany jest wyposażony w rezystor zmienny, który umożliwia zmianę wartości wyjściowej w szerokim zakresie.

Powyższy rysunek przedstawia nieregulowany zasilacz napędzający regulowany regulator IC LM 317, który jest powszechnie używany. LM 317 to trójzaciskowy dodatni regulowany regulator napięcia, który może dostarczać 1,5 A prądu obciążenia w regulowanym zakresie wyjściowym od 1,25 V do 37 V.

Regulatory napięcia z podwójnym śledzeniem

Regulator z podwójnym śledzeniem jest używany, gdy potrzebne są napięcia podzielonego zasilania. Zapewniają one równe dodatnie i ujemne napięcia wyjściowe. Na przykład układ scalony RC4195 zapewnia wyjścia DC o napięciu + 15 V i -15 V. Wymaga to dwóch nieregulowanych napięć wejściowych, takich jak dodatnie wejście może zmieniać się od + 18 V do + 30 V, a ujemne napięcie wejściowe może zmieniać się od -18 V do -30 V.

Powyższy obraz przedstawia regulator IC RC4195 z podwójnym śledzeniem. Dostępne są również regulowane regulatory z podwójnym sczepieniem, których moc wyjściowa waha się między dwoma wartościami granicznymi.