Wszystkie produkty
Porady
Wszystkie urządzenia elektroniczne wymagają określonej mocy elektrycznej. Podczas gdy pobór mocy jest dynamiczny i zależy od obciążenia urządzenia, napięcie zasilające powinno w idealnym przypadku pozostać stałe. Właśnie regulatory napięcia o to dbają. Tutaj dowiesz się, jak działają ci mali pomocnicy, jakie są dostępne typy i konstrukcje oraz na co zwrócić uwagę przy ich zakupie.
Zasilacz urządzenia elektronicznego zwykle przekształca przychodzący prąd zmienny w prąd stały o określonych napięciach i natężeniach.
Aby zapewnić, że napięcie pozostaje takie samo nawet przy wahaniach mocy i obciążenia, regulator napięcia wbudowany w zasilacz przyjmuje wyższe napięcie wejściowe i wystawia na wyjściu niższe, ale bardziej stabilne napięcie.
Dodatkowym zastosowaniem regulatora jest ochrona przed skokami napięcia i zwarciami, które mogą potencjalnie uszkodzić elementy elektroniczne.
Regulatory napięcia stosowane w niskonapięciowym sprzęcie elektronicznym są zazwyczaj układami scalonymi.
Najczęściej spotykane typy z elementami wzmacniającymi, takimi jak tranzystory lub wzmacniacze operacyjne, to liniowe i przełączane regulatory napięcia:
Liniowe regulatory napięcia
Liniowe regulatory napięcia to proste urządzenia oparte na tranzystorach, które są zwykle pakowane jako układy scalone. Ich wewnętrzny obwód wykorzystuje wzmacniacze różnicowe do kontroli napięcia wyjściowego w relacji do napięcia odniesienia. Liniowe regulatory napięcia mogą mieć stałe napięcie wyjściowe lub napięcie regulowane. Jako regulowane regulatory napięcia wymagają zwykle prądu wejściowego znacznie większego od prądu wyjściowego.
Najczęściej spotykane liniowe regulatory pochodzą z serii 78XX i 79XX odpowiednio dla dodatnich i ujemnych napięć wyjściowych. XX oznacza stałe napięcia wyjściowe 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 lub 24 V. Do prawidłowej pracy regulatory napięcia potrzebują napięcia wejściowego o 2 do 3 V wyższego od pożądanego napięcia na wyjściu. Za maksymalną granicę napięcia na wejściu uważa się zazwyczaj 36 V. Regulatory te są dostępne do montażu powierzchniowego oraz w obudowach TO-92 i TO-220. Do podłączenia w obudowach TO dostępne są trzy piny: jeden wejściowy, jeden wspólny GND i jeden wyjściowy.
Przełącznikowe regulatory napięcia
Przełączane stabilizatory napięcia dostarczają napięcie wejściowe do przełącznika MOSFET lub tranzystora bipolarnego.
Przefiltrowane napięcie wyjściowe przełącznika mocy jest podawane z powrotem do obwodu, który wykorzystuje częstotliwości w zakresie megaherców do sterowania czasem włączenia i wyłączenia przełącznika mocy.
Dzięki temu na wyjściu powstaje stałe napięcie, niezależne od zmian napięcia wejściowego lub prądu obciążenia.
Zasilacze AC/DC
W zdecydowanej większości przypadków urządzenia elektroniczne zasilane z sieci energetycznej wykorzystują napięcia i prądy w stosunkowo niskich zakresach.
Z reguły pierwszym wyborem w tym zakresie są zasilacze zewnętrzne z pustymi przewodami wtykowymi po stronie wyjściowej.
Jeśli jednak prąd sieciowy ma być doprowadzony bezpośrednio do urządzenia, najlepszym wyborem są zasilacze z nadrukiem AC/CD.
Nie tylko przetwarzają one prąd zmienny (AC) na niezbędny prąd stały (DC), ale zawierają również kompletne regulatory dla stałego napięcia wyjściowego - a do tego są tak małe i lekkie, że można je wlutować bezpośrednio na płytkę drukowaną jako elementy SMD.
Przetwornice DC/DC
Do popularnych regulatorów napięcia należą również konwertery DC/DC.
Ich głównym zadaniem jest przekształcenie wyższych napięć stałych w niższe lub odwrotnie.
W zakresie wejściowym skala rozciąga się do 840 V, w zakresie wyjściowym do 53 V. Prąd wyjściowy może wynosić do 40 amperów, moc do 500 watów.
Przede wszystkim musisz zwrócić uwagę na niezbędne napięcia dla wejścia i wyjścia, a także na niezbędny amperaż.
Jeśli można zainstalować zasilacz druku, najlepszym wyborem są regulatory z wejściem o szerokim zakresie dla 100 do 240 V. Zazwyczaj komponenty te są również zaprojektowane jako dwuczęstotliwościowe, tak aby mogły pracować zarówno w sieci 50- jak i 60-hercowej. Jeśli należy spodziewać się stosunkowo dużych strat mocy - co często ma miejsce w przypadku liniowych regulatorów napięcia - należy zaplanować radiatory.
Jakie straty występują w regulatorach napięcia?
Straty w przełączanych regulatorach napięcia występują z powodu mocy potrzebnej do włączania i wyłączania MOSFET-u, która jest podłączona do sterownika bramki MOSFET-u. Ponadto straty w MOSFET występują, ponieważ przełączenie ze stanu przewodzenia do stanu nieprzewodzenia trwa pewien czas. Straty występują również ze względu na energię potrzebną do ładowania i rozładowywania pojemności bramki MOSFET pomiędzy napięciem progowym a napięciem bramki.
Straty mocy liniowego regulatora napięcia są wprost proporcjonalne do jego prądu wyjściowego dla danego napięcia wejściowego i wyjściowego. Oznacza to, że typowa sprawność może wynosić nawet 80 procent lub mniej w pewnych okolicznościach i przy zastosowaniu niezoptymalizowanych komponentów. Jednak wydajność szumowa regulatora liniowego jest znacznie niższa niż regulatora przełączającego o tych samych wymaganiach dotyczących napięcia i prądu wyjściowego. Ogólnie rzecz biorąc, regulator przełączający może napędzać większe obciążenia prądowe niż regulator liniowy.
W jaki sposób regulator przełączający steruje swoim wyjściem?
Przełączane regulatory napięcia wymagają uśrednienia, aby zmieniać ich napięcie wyjściowe w odpowiedzi na zmiany napięcia wejściowego i wyjściowego. Jednym z podejść jest wykorzystanie modulacji szerokości impulsu, czyli PWM. Steruje ona wejściem powiązanego przełącznika mocy, który odpowiednio dostosowuje cykl pracy. Podczas pracy, przefiltrowane napięcie wyjściowe sterownika jest zwracane do sterownika PWM. Gdy przefiltrowane napięcie wyjściowe zmienia się, sprzężenie zwrotne do kontrolera PWM zmienia cykl pracy, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe.
Jak częstotliwość przełączania wpływa na stosowanie przełączanych regulatorów napięcia?
Wyższe częstotliwości przełączania oznaczają, że regulator napięcia może używać mniejszych cewek i kondensatorów. Jednak oznaczają one również wyższe straty przy przełączaniu i więcej szumu w obwodzie.
Na co należy zwrócić uwagę przy stosowaniu regulatorów napięcia typu 78XX i 79XX?
Liniowe regulatory napięcia typu 78XX i 79XX mogą zapewnić stałe znamionowe napięcie wyjściowe tylko wtedy, gdy napięcie wejściowe wynosi co najmniej 2,5 V lub więcej niż napięcie wyjściowe. Na przykład LM7809 nie może zapewnić napięcia wyjściowego 9 V przy zasilaniu z baterii 9 V.
Spadek napięcia występuje, ponieważ regulatory te zasadniczo zachowują się jak pseudorezystory i rozpraszają dodatkową moc wejściową z baterii w postaci ciepła. Oczywiście nie jest to zbyt wydajne, ponieważ ciepło musi być rozpraszane za pomocą radiatorów lub wentylatorów. Regulatory wysokonapięciowe i wysokoprądowe wymagają więc dużych radiatorów lub stałego stosowania wentylatorów, aby zapewnić stabilne zakresy temperatur. Dodatkowo, wysokie napięcia wejściowe dla niskich wyjść - jak na przykład wejście 24 V dla LM7805 o specyfikacji 5 V, przynosi tylko bardzo słabą sprawność około 20 procent.