Spanningsregelaars zijn een veelvoorkomend kenmerk in veel circuits om ervoor te zorgen dat een constante, stabiele spanning wordt geleverd aan gevoelige elektronica. Hoe ze werken, is typerend voor veel analoge schakelingen, het verstandige en elegante gebruik van feedback om de uitvoer op het gewenste niveau in te stellen.
Spanningsregelaar Overzicht
Wanneer een stabiele, betrouwbare spanning nodig is, zijn spanningsregelaars de go-to-componenten. Spanningsregelaars nemen een ingangsspanning en creëren een gereguleerde uitgangsspanning onafhankelijk van de ingangsspanning op een vast spanningsniveau of een instelbaar spanningsniveau (door de juiste externe componenten te selecteren). Deze automatische regeling van het uitgangsspanningsniveau wordt afgehandeld door verschillende feedbacktechnieken, sommige zijn zo eenvoudig als een zenerdiode, terwijl andere complexe feedbacktopologieën bevatten die de prestaties, betrouwbaarheid, efficiëntie kunnen verbeteren en andere functies toevoegen, zoals het verhogen van de uitgangsspanning boven de ingangsspanning om de spanningsregelaar.
Hoe lineaire spanningsregelaars werken
Het onderhouden van een vaste spanning met een onbekende en potentieel ruisende (of slechter) input vereist een feedbacksignaal om te weten welke aanpassingen moeten worden gemaakt. Lineaire regelaars gebruiken een vermogenstransistor (ofwel BJT of MOSFET afhankelijk van het gebruikte onderdeel) als een variabele weerstand die zich gedraagt als de eerste helft van een spanningsdelernetwerk. De uitgang van de spanningsdeler wordt gebruikt als terugkoppeling om de vermogenstransistor geschikt aan te drijven om een constante uitgangsspanning te handhaven. Helaas, omdat de transistor zich als een weerstand gedraagt, verspilt het veel energie door het om te zetten in warmte, vaak veel warmte. Aangezien het totale vermogen dat is omgezet in warmte gelijk is aan de spanningsval tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning maal de geleverde stroom, kan het gedissipeerde vermogen vaak erg hoog zijn en dat vraagt om goede koellichamen.
Een alternatieve vorm van een lineaire regelaar is een shuntregelaar, zoals een zenerdiode. In plaats van te fungeren als een variabele serieweerstand zoals de typische lineaire regelaar doet, biedt een shuntregelaar een weg naar aarde om overtollige spanning (en stroom) door te laten stromen. Helaas is dit type regelaar vaak zelfs minder efficiënt dan een gewone lineaire regelaar van de reeks en is het alleen praktisch wanneer er maar heel weinig vermogen nodig is en wordt geleverd.
Hoe schakelende spanningsregelaars werken
Een schakelspanningsregelaar werkt op een geheel ander principe dan lineaire spanningsregelaars. In plaats van te fungeren als een spanningsbron of stroomafvoer om een constante output te leveren, slaat een schakelende regulator energie op op een bepaald niveau en gebruikt feedback om ervoor te zorgen dat het laadniveau wordt gehandhaafd met een minimale spanningsrimpel. Deze techniek maakt het mogelijk dat de schakelende regulator veel efficiënter is dan de lineaire regelaar door een transistor volledig aan te zetten (met minimale weerstand), alleen wanneer het energieopslagcircuit een uitbarsting van energie nodig heeft. Dit vermindert het totale vermogen dat in het systeem wordt verspild tot de weerstand van de transistor tijdens het schakelen als het overgaat van geleidende (zeer lage weerstand) naar niet-geleidende (zeer hoge weerstand) en andere kleine circuitverliezen.
Hoe sneller een schakelende regelaar schakelt, des te minder energieopslagcapaciteit het nodig heeft om de gewenste uitgangsspanning te behouden, wat betekent dat kleinere componenten kunnen worden gebruikt. De kosten van snellere schakelingen zijn echter een efficiëntieverlies als er meer tijd wordt besteed aan de overgang tussen de geleidende en niet-geleidende toestanden, wat betekent dat meer vermogen verloren gaat door resistieve verwarming.
Een ander neveneffect van sneller schakelen is de toename van elektronische ruis die wordt gegenereerd door de schakelregelaar. Door verschillende schakeltechnieken te gebruiken, kan een schakelende regulator de ingangsspanning verlagen (buck topologie), de spanning opvoeren (boost-topologie), of zowel naar beneden stappen of de spanning verhogen (buck-boost) als nodig de gewenste uitgangsspanning behouden waardoor schakelende regelaars een goede keuze zijn voor veel toepassingen op batterijen, omdat de schakelende regelaar de ingangsspanning van de accu kan verhogen of verhogen als de accu ontlaadt. Hierdoor kan de elektronica blijven functioneren tot ver buiten het punt waarop de batterij direct de juiste spanning kan leveren om het circuit te laten werken.
