Электронные схемы - регуляторы

Следующей и последней ступенью перед нагрузкой в системе питания является Регулятор. Давайте теперь попробуем понять, что такое регулятор и для чего он нужен.

Часть электроники, которая занимается управлением и преобразованием электроэнергии, может быть названа Power Electronics. Когда дело касается силовой электроники, регулятор является важным устройством, поскольку он регулирует выходную мощность.

Необходимость в регуляторе

Для источника питания, обеспечивающего постоянное выходное напряжение, независимо от изменений входного напряжения или колебаний тока нагрузки, необходим регулятор напряжения.

А voltage regulatorпредставляет собой такое устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение вместо каких-либо колебаний подаваемого входного напряжения или любых изменений тока, потребляемого нагрузкой. Следующее изображение дает представление о том, как выглядит практичный регулятор.

Типы регуляторов

Регуляторы можно разделить на разные категории в зависимости от их работы и типа подключения.

Depending upon the type of regulation, регуляторы в основном делятся на два типа: линейные и нагрузочные.

Line Regulator - Регулятор, регулирующий постоянное выходное напряжение, несмотря на колебания входной линии, называется Line regulator.
Load Regulator - Регулятор, регулирующий постоянное выходное напряжение, несмотря на колебания нагрузки на выходе, называется Load regulator.

Depending upon the type of connectionЕсть два типа регуляторов напряжения. Они есть

Регулятор напряжения серии
Шунтирующий регулятор напряжения

Их расположение в цепи будет таким же, как на следующих рисунках.

Давайте посмотрим на другие важные типы регуляторов.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения Зенера - это тот, который использует стабилитрон для регулирования выходного напряжения. Мы уже обсуждали детали, касающиеся стабилитрона, в учебнике BASIC ELECTRONICS.

При срабатывании стабилитрона в пробое или Zener region, напряжение на нем существенно constant для large change of currentчерез это. Эта характеристика делает стабилитронgood voltage regulator.

На следующем рисунке показано изображение простого стабилитрона.

Приложенное входное напряжение $ V_i $ при увеличении сверх напряжения стабилитрона $ V_z $, тогда стабилитрон работает в области пробоя и поддерживает постоянное напряжение на нагрузке. Последовательный ограничительный резистор $ R_s $ ограничивает входной ток.

Работа стабилитрона стабилизатора напряжения

Стабилитрон поддерживает напряжение на нем постоянным, несмотря на колебания нагрузки и колебания входного напряжения. Следовательно, мы можем рассмотреть 4 случая, чтобы понять работу стабилизатора напряжения Зенера.

Case 1- Если ток нагрузки $ I_L $ увеличивается, то ток через стабилитрон $ I_Z $ уменьшается, чтобы поддерживать постоянным ток через последовательный резистор $ R_S $. Выходное напряжение Vo зависит от входного напряжения Vi и напряжения на последовательном резисторе $ R_S $.

Это можно записать как

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

Где $ I $ постоянно. Следовательно, $ V_o $ также остается постоянным.

Case 2- Если ток нагрузки $ I_L $ уменьшается, то ток через стабилитрон $ I_Z $ увеличивается, так как ток $ I_S $ через резистор серии RS остается постоянным. Хотя ток $ I_Z $ через стабилитрон увеличивается, он поддерживает постоянное выходное напряжение $ V_Z $, что поддерживает постоянное напряжение нагрузки.

Case 3- Если входное напряжение $ V_i $ увеличивается, то ток $ I_S $ через последовательный резистор RS увеличивается. Это увеличивает падение напряжения на резисторе, т.е. увеличивается $ V_S $. Хотя при этом увеличивается ток через стабилитрон $ I_Z $, напряжение на стабилитроне $ V_Z $ остается постоянным, сохраняя постоянным выходное напряжение нагрузки.

Case 4- Если входное напряжение уменьшается, ток через резистор последовательно уменьшается, что приводит к уменьшению тока через стабилитрон $ I_Z $. Но стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение благодаря своим свойствам.

Ограничения стабилитрона стабилизатора напряжения

Для стабилитрона напряжения есть несколько ограничений. Они -

Он менее эффективен при больших токах нагрузки.
Импеданс стабилитрона незначительно влияет на выходное напряжение.

Следовательно, стабилизатор напряжения Зенера считается эффективным для приложений с низким напряжением. Теперь давайте рассмотрим другие типы регуляторов напряжения, которые сделаны на транзисторах.

Регулятор напряжения серии транзисторов

Этот регулятор имеет транзистор, подключенный последовательно к стабилитрону и оба параллельно нагрузке. Транзистор работает как переменный резистор, регулирующий напряжение своего коллектора-эмиттера, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. На рисунке ниже показан транзисторный стабилизатор напряжения.

В зависимости от условий работы входа изменяется ток через базу транзистора. Это влияет на напряжение на переходе база-эмиттер транзистора $ V_ {BE} $. Выходное напряжение поддерживается постоянным напряжением стабилитрона $ V_Z $. Поскольку они оба поддерживаются равными, любое изменение входного питания обозначается изменением базового напряжения эмиттера $ V_ {BE} $.

Следовательно, выходное напряжение Vo можно понимать как

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

Работа регулятора напряжения серии транзисторов

Следует учитывать работу последовательного регулятора напряжения при изменении входа и нагрузки. Если входное напряжение увеличивается, выходное напряжение также увеличивается. Но это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на коллекторно-базовом переходе $ V_ {BE} $, поскольку напряжение стабилитрона $ V_Z $ остается постоянным. Проводимость уменьшается по мере увеличения сопротивления в области коллектора эмиттера. Это дополнительно увеличивает напряжение на коллекторно-эмиттерном переходе VCE, тем самым уменьшая выходное напряжение $ V_O $. Это будет аналогично при уменьшении входного напряжения.

Когда происходит изменение нагрузки, что означает, что если сопротивление нагрузки уменьшается, увеличивая ток нагрузки $ I_L $, выходное напряжение $ V_O $ уменьшается, увеличивая базовое напряжение эмиттера $ V_ {BE} $.

С увеличением напряжения базы эмиттера $ V_ {BE} $ проводимость увеличивается, уменьшая сопротивление коллектора эмиттера. Это, в свою очередь, увеличивает входной ток, который компенсирует уменьшение сопротивления нагрузки. Это будет аналогично при увеличении тока нагрузки.

Ограничения регулятора напряжения серии транзисторов

Регуляторы напряжения серии транзисторов имеют следующие ограничения:

На напряжения $ V_ {BE} $ и $ V_Z $ влияет повышение температуры.
Хорошее регулирование больших токов невозможно.
Рассеиваемая мощность высокая.
Рассеиваемая мощность высокая.
Менее эффективными.

Чтобы минимизировать эти ограничения, используется транзисторный шунтирующий стабилизатор.

Транзисторный шунтирующий регулятор напряжения

Схема транзисторного шунтирующего стабилизатора формируется путем соединения резистора последовательно с входом и транзистора, база и коллектор которого соединены стабилитроном, который регулирует, оба параллельно с нагрузкой. На рисунке ниже показана принципиальная схема транзисторного шунтирующего стабилизатора.

Работа транзисторного шунтирующего регулятора напряжения

Если входное напряжение увеличивается, $ V_ {BE} $ и $ V_O $ также увеличиваются. Но это происходит изначально. Фактически, когда $ V_ {in} $ увеличивается, текущий $ I_ {in} $ также увеличивается. Этот ток, когда протекает через RS, вызывает падение напряжения $ V_S $ на последовательном резисторе, которое также увеличивается с $ V_ {in} $. Но это заставляет $ V_o $ уменьшаться. Теперь это уменьшение $ V_o $ компенсирует начальное увеличение, сохраняя его постоянным. Следовательно, $ V_o $ поддерживается постоянным. Если вместо этого выходное напряжение уменьшается, происходит обратное.

Если сопротивление нагрузки уменьшается, должно происходить уменьшение выходного напряжения $ V_o $. Ток через нагрузку увеличивается. Это приводит к уменьшению тока базы и коллектора транзистора. Напряжение на последовательном резисторе становится низким из-за сильного протекания тока. Входной ток будет постоянным.

Выходное напряжение будет разницей между приложенным напряжением $ V_i $ и последовательным падением напряжения $ V_s $. Следовательно, выходное напряжение будет увеличиваться для компенсации начального снижения и, следовательно, оставаться постоянным. Обратное происходит, если сопротивление нагрузки увеличивается.

Регуляторы IC

Регуляторы напряжения сейчас доступны в форме интегральных схем (ИС). Вкратце они называются регуляторами IC.

Наряду с функциональностью обычного регулятора, регулятор IC имеет такие свойства, как термокомпенсация, защита от короткого замыкания и защита от перенапряжения, которые встроены в устройство.

Типы регуляторов IC

Регуляторы IC могут быть следующих типов -

Регуляторы постоянного положительного напряжения
Регуляторы постоянного отрицательного напряжения
Регулируемые регуляторы напряжения
Стабилизаторы напряжения с двойным слежением

Давайте теперь обсудим их подробно.

Регулятор постоянного положительного напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются положительными, что означает, что предоставленное выходное напряжение является положительным напряжением.

Наиболее часто используемая серия - это серия 7800, а ИС будут такими, как IC 7806, IC 7812, IC 7815 и т. Д., Которые обеспечивают выходное напряжение +6 В, +12 В и + 15 В соответственно. На рисунке ниже показана микросхема IC 7810, подключенная для получения фиксированного положительного стабилизированного выходного напряжения 10 В.

На приведенном выше рисунке входной конденсатор $ C_1 $ используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор $ C_2 $ действует как линейный фильтр для улучшения переходной характеристики.

Фиксированный регулятор отрицательного напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются отрицательными, что означает, что предоставленное выходное напряжение является отрицательным.

Наиболее часто используемая серия - это серия 7900, а ИС будут такими же, как IC 7906, IC 7912, IC 7915 и т. Д., Которые обеспечивают выходное напряжение -6 В, -12 В и -15 В соответственно. На рисунке ниже показана микросхема IC 7910, подключенная для обеспечения фиксированного отрицательного регулируемого выходного напряжения 10 В.

Регулируемые регуляторы напряжения

Регулируемый регулятор напряжения имеет три клеммы IN, OUT и ADJ. Входные и выходные клеммы являются общими, в то время как регулируемая клемма оснащена переменным резистором, который позволяет изменять выходной сигнал в широком диапазоне.

На приведенном выше рисунке показан нерегулируемый источник питания, приводящий в действие регулируемый IC-регулятор LM 317, который обычно используется. LM 317 - это трехконтактный регулируемый стабилизатор напряжения с положительной полярностью, который может подавать ток нагрузки 1,5 А в регулируемом диапазоне выходного напряжения от 1,25 В до 37 В.

Стабилизаторы напряжения Dual-Tracking

Стабилизатор с двойным трекингом используется, когда требуется разделенное напряжение питания. Они обеспечивают равное положительное и отрицательное выходное напряжение. Например, микросхема RC4195 обеспечивает выходы постоянного тока +15 В и -15 В. Для этого требуются два нерегулируемых входных напряжения, например, положительный вход может изменяться от + 18 В до + 30 В, а отрицательный вход может варьироваться от -18 В до -30 В.

На изображении выше показан стабилизатор RC4195 IC с двойным слежением. Также доступны регулируемые регуляторы двойной закрепки, выходная мощность которых находится в двух номинальных пределах.