Электронные схемы — регуляторы

Следующим и последним этапом перед нагрузкой в ​​системе электропитания является часть регулятора. Давайте теперь попробуем понять, что такое регулятор и что он делает.

Часть электроники, которая занимается управлением и преобразованием электроэнергии, может быть названа силовой электроникой . Регулятор является важным устройством, когда речь идет о силовой электронике, поскольку он контролирует выходную мощность.

Нужен регулятор

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

Регулятор напряжения — это такое устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение вместо любых колебаний входного напряжения или любых изменений тока, потребляемых нагрузкой. Следующее изображение дает представление о том, как выглядит практический регулятор.

Типы регуляторов

Регуляторы могут быть классифицированы на различные категории, в зависимости от их работы и типа подключения.

В зависимости от типа регулирования регуляторы в основном делятся на два типа, а именно линейные и нагрузочные регуляторы.

• Линейный регулятор — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения входной линии, он называется Линейным регулятором .

• Регулятор нагрузки — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения нагрузки на выходе, он называется регулятором нагрузки .

Линейный регулятор — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения входной линии, он называется Линейным регулятором .

Регулятор нагрузки — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения нагрузки на выходе, он называется регулятором нагрузки .

В зависимости от типа подключения , существует два типа регуляторов напряжения. Они есть

• Серийный регулятор напряжения
• Шунтирующий регулятор напряжения

Расположение их в цепи будет таким же, как на следующих рисунках.

Давайте посмотрим на другие важные типы регуляторов.

Стабилизатор напряжения стабилитрона

Регулятор напряжения Зенера — это регулятор, который использует стабилитрон для регулирования выходного напряжения. Мы уже обсуждали детали, касающиеся стабилитрона, в руководстве по базовой электронике.

Когда стабилитрон работает в области пробоя или стабилитрона , напряжение на нем по существу постоянное для большого изменения тока через него. Эта характеристика делает стабилитрон хорошим стабилизатором напряжения .

На следующем рисунке показано изображение простого регулятора Зенера.

Приложенное входное напряжение $V_i$, когда оно превышает значение напряжения стабилитрона $V_z$, затем диод стабилитрона работает в области пробоя и поддерживает постоянное напряжение на нагрузке. Последовательный ограничивающий резистор $R_s$ ограничивает входной ток.

Работа стабилизатора напряжения Зенера

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

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

Это можно записать как

$$V_o = V_ {в} -IR_ {S}$$

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

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

Случай 3 — Если входное напряжение $V_i$ увеличивается, то ток $I_S$ через последовательный резистор RS увеличивается. Это увеличивает падение напряжения на резисторе, то есть увеличивается $V_S$. Хотя ток через стабилитрон $I_Z$ увеличивается с этим, напряжение на стабилитроне $V_Z$ остается постоянным, сохраняя постоянное напряжение на выходе нагрузки.

Случай 4. Если входное напряжение уменьшается, ток через последовательный резистор уменьшается, что приводит к уменьшению тока через стабилитрон $I_Z$. Но стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение благодаря своему свойству.

Ограничения стабилитрона напряжения

Есть несколько ограничений для стабилизатора напряжения Зенера. Они —

• Он менее эффективен для токов большой нагрузки.
• Импеданс Зенера немного влияет на выходное напряжение.

Следовательно, стабилизатор напряжения Зенера считается эффективным для применений с низким напряжением. Теперь давайте рассмотрим другие типы регуляторов напряжения, которые сделаны с использованием транзисторов.

Регулятор напряжения серии транзистор

Этот регулятор имеет транзистор, последовательно соединенный с регулятором Зенера и оба параллельно нагрузке. Транзистор работает как переменный резистор, регулирующий напряжение эмиттера на коллекторе, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. На рисунке ниже показан транзисторный последовательный регулятор напряжения.

При входных рабочих условиях ток через базу транзистора изменяется. Это влияет на напряжение на соединении базового эмиттера транзистора $V_ {BE}$. Выходное напряжение поддерживается постоянным напряжением стабилитрона $V_Z$. Поскольку оба они поддерживаются равными, любое изменение входного питания указывается изменением базового напряжения эмиттера $V_ {BE}$.

Следовательно, выходное напряжение Vo можно понимать как

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

Работа транзисторного стабилизатора напряжения серии

Работу последовательного стабилизатора напряжения следует учитывать при изменении входного напряжения и нагрузки. Если входное напряжение увеличивается, выходное напряжение также увеличивается. Но это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на базовом переходе коллектора $V_ {BE}$, так как напряжение Зенера $V_Z$ остается постоянным. Проводимость уменьшается по мере увеличения сопротивления в области коллектора эмиттера. Это дополнительно увеличивает напряжение на соединении эмиттера коллектора VCE, тем самым уменьшая выходное напряжение $V_O$. Это будет похоже на уменьшение входного напряжения.

Когда происходят изменения 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 базового напряжения эмиттера $V_ {BE}$ проводимость увеличивается, уменьшая сопротивление коллектора эмиттера. Это, в свою очередь, увеличивает входной ток, который компенсирует снижение сопротивления нагрузки. Это будет похоже на увеличение тока нагрузки.

Ограничения транзисторного стабилизатора напряжения серии

Регуляторы напряжения серии транзисторов имеют следующие ограничения —

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

Чтобы минимизировать эти ограничения, используется транзисторный шунтирующий регулятор.

Транзисторный Шунт Регулятор Напряжения

Транзисторная схема шунтирующего регулятора формируется путем последовательного подключения резистора к входу и транзистора, база и коллектор которого соединены стабилитроном, который регулирует оба параллельно нагрузке. На рисунке ниже показана принципиальная схема транзисторного шунтирующего регулятора.

Работа транзисторного шунтирующего стабилизатора напряжения

Если входное напряжение увеличивается, $V_ {BE}$ и $V_O$ также увеличиваются. Но это происходит изначально. На самом деле, 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, поддерживая его постоянным. Следовательно, $V_o$ поддерживается постоянным. Если вместо этого уменьшается выходное напряжение, происходит обратное.

Если сопротивление нагрузки уменьшается, должно быть уменьшение выходного напряжения $V_o$. Ток через нагрузку увеличивается. Это приводит к уменьшению тока базы и тока коллектора транзистора. Напряжение на последовательном резисторе становится низким, так как ток течет интенсивно. Входной ток будет постоянным.

Появится выходное напряжение, которое будет представлять собой разницу между приложенным напряжением $V_i$ и падением последовательного напряжения $V_s$. Следовательно, выходное напряжение будет увеличено для компенсации начального снижения и, следовательно, будет поддерживаться постоянным. Обратное происходит, если сопротивление нагрузки увеличивается.

IC Регуляторы

Регуляторы напряжения в настоящее время доступны в виде интегральных микросхем (ИС). Они вкратце называются регуляторами IC.

Наряду с функциями, подобными обычному регулятору, 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 —

• Фиксированные положительные регуляторы напряжения
• Фиксированные отрицательные регуляторы напряжения
• Регулируемые регуляторы напряжения
• Регуляторы напряжения с двойным слежением

Давайте теперь обсудим их подробно.

Фиксированный положительный регулятор напряжения

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

Наиболее используемая серия — это серии 7800, и ИС будут похожи на IC 7806, IC 7812, IC 7815 и т. Д., Которые обеспечивают + 6 В, + 12 В и + 15 В соответственно в качестве выходных напряжений. На рисунке ниже показана микросхема 7810, подключенная для обеспечения фиксированного 10 В положительного регулируемого выходного напряжения.

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

Регулятор Фиксированного Отрицательного Напряжения

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

Наиболее используемая серия — это серия 7900, и микросхемы будут похожи на IC 7906, IC 7912, IC 7915 и т. Д., Которые обеспечивают -6 В, -12 В и -15 В соответственно в качестве выходных напряжений. На рисунке ниже показана ИС 7910, подключенная для обеспечения фиксированного 10В отрицательного регулируемого выходного напряжения.

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

Регулируемые регуляторы напряжения

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

На приведенном выше рисунке показан нерегулируемый источник питания, приводящий в действие регулируемый регулятор IC 317, который обычно используется. LM 317 представляет собой трехполюсный положительный регулируемый регулятор напряжения и может подавать 1,5A тока нагрузки в регулируемом диапазоне выходных напряжений от 1,25 до 37 В.

Регуляторы напряжения с двойным слежением

Двойной регулятор слежения используется, когда необходимо разделить напряжение питания. Они обеспечивают равные положительные и отрицательные выходные напряжения. Например, микросхема RC4195 обеспечивает выходы постоянного тока + 15В и -15В. Для этого необходимо два нерегулируемых входных напряжения, например, положительный вход может варьироваться от + 18 В до + 30 В, а отрицательный вход может варьироваться от -18 В до -30 В.

На изображении выше показан регулятор RC4195 с двойным слежением. Также доступны регулируемые регуляторы двойного прихвата, выходы которых варьируются между двумя номинальными пределами.