Regulatory napięcia: wyjaśniono ich funkcję i znaczenie

Regulator napięcia to urządzenie, które sama utrzymuje napięcie.Dostosowuje napięcie, aby upewnić się, że podłączone do niego urządzenia mają stabilną i spójną ilość, nawet jeśli zmienia się napięcie wejściowe lub warunki obciążenia.Pomaga to chronić delikatne części elektroniczne przed uszkodzeniem przez zmiany napięcia.W tym artykule bliżej przygląda się głównym częściom i rodzajom regulatorów napięcia, pokazując, dlaczego są one tak ważne dla płynnego utrzymania elektroniki.Rozbicie dwóch głównych rodzajów organów regulacyjnych, opisując, jak działają, ich korzyści i jakie sytuacje najlepiej nadają się.Istnieje również praktyczny samouczek na temat budowy regulatora napięcia na płycie breadowskiej, dając praktyczny sposób na poznanie ich projektu i funkcji.Wreszcie, oferuje wskazówki, jak wybrać odpowiedni regulator napięcia, koncentrując się na równowadze między wydajnością, kontrolą ciepła i stabilnością napięcia dla określonych projektów.

Katalog

Rysunek 1: Regulator napięcia

Składniki regulatora napięcia

• Komparator

Komparator porównuje napięcie wyjściowe z ustawionym napięciem odniesienia.Jego zadaniem jest upewnienie się, że wyjście pozostanie w pożądanym zakresie poprzez wysyłanie sygnałów sterowania, które odpowiednio dostosowują napięcie.Gdy wyjście odpływa z wartości odniesienia, komparator wyzwala regulacje, aby przywrócić wyjście w linii.

Rysunek 2: Obwód regulatora napięcia z komparatorem napięcia

• Źródło napięcia odniesienia

Jest to wysoce stabilne napięcie, które działa jako punkt odniesienia do porównania.Napięcie odniesienia pozostaje stałe, nawet jeśli występują zmiany napięcia wejściowego, temperatury lub obciążenia.Jest to dostarczane przez odniesienie BandGAP i oferuje niezawodną stabilność w różnych warunkach pracy.

Rysunek 3: Źródło napięcia odniesienia

• Wzmacniacz błędu

Wzmacniacz błędu powiększa różnicę między napięciem odniesienia a napięciem wyjściowym.Ten wzmocniony sygnał jest następnie wykorzystywany do dopracowania mechanizmu sterowania, zmniejszając szczelinę między rzeczywistym wyjściem a napięciem docelowym.Zapewnia, że ​​wyjście pasuje do zamierzonego napięcia tak blisko, jak to możliwe.

Rysunek 4: Regulator napięcia ze wzmacniaczem błędów

• Sieć sprzężenia zwrotnego

Sieć sprzężenia zwrotnego składa się z rezystorów, a czasem kondensatorów, które wysyłają część napięcia wyjściowego z powrotem do systemu do monitorowania.Ta pętla sprzężenia zwrotnego jest ważna dla ustawienia prawidłowego napięcia wyjściowego i stabilizacji regulatora.Współczynnik sprzężenia zwrotnego, określony przez komponenty sieciowe, kontroluje, ile wyjścia jest przekazywana z powrotem do wzmacniacza błędu lub komparatora.

Rysunek 5: Sygnał sprzężenia zwrotnego w regulatorze napięcia

• Element sterujący

Element sterujący aktywnie dostosowuje napięcie wyjściowe.W regulatorach liniowych jest to tranzystor pracujący w stanie aktywnym w celu regulacji napięcia.W regulatorach przełączania element sterujący działa jako przełącznik, włączając i wyłączając napięcie wejściowe w celu przenoszenia energii przez komponenty takie jak induktory lub kondensatory, wygładzaj wyjście.

Rysunek 6: Element sterujący w regulatorze napięcia

• Regulacja obciążenia

Regulacja obciążenia to zdolność regulatora do utrzymania napięcia wyjściowego w miarę zmiany obciążenia.Silna regulacja obciążenia oznacza, że ​​wyjście pozostaje stałe, nawet jeśli ilość prądu obciążenia przyciąga.

Rysunek 7: Regulacja obciążenia

• Regulacja linii

Regulacja linii mierzy, jak dobrze regulator utrzymuje stabilne wyjście, gdy zmienia się napięcie wejściowe.Dobry regulator napięcia pokazuje minimalne zmiany wyjściowe, nawet gdy występują przesunięcia napięcia wejściowego.

Rysunek 8: Regulacja linii

• radiator

W przypadku regulatorów liniowych, które mogą wytwarzać ciepło poprzez rozpraszanie nadmiaru napięcia, często wymagany jest radiator.Pomaga rozproszyć ciepło wytwarzane przez element sterujący, taki jak tranzystor, utrzymując urządzenie w bezpiecznych temperaturach roboczych.

Rysunek 9: radiator

• Obwody ochrony

Wiele regulatorów napięcia ma wbudowane funkcje ochrony, takie jak nadprąd, wyłączenie termiczne i ochrona zwarcia.Te zabezpieczenia uniemożliwiają uszkodzenie regulatora i podłączonych urządzeń, zwiększając ogólne bezpieczeństwo i niezawodność.

Rodzaje regulatorów napięcia

Liniowe regulatory napięcia

Liniowe regulatory napięcia używają głównej części zwanej elementem przełęczy, zwykle typu tranzystora, takiego jak dwubiegunowy tranzystor połączenia (BJT) lub MOSFET.Ta część jest kontrolowana przez wzmacniacz operacyjny.Aby utrzymać stabilność napięcia, regulator stale porównuje napięcie wyjściowe ze stałym wewnętrznym napięciem odniesienia.Jeśli oba nie są takie same, wzmacniacz operacyjny zmienia element PASS, aby naprawić wyjście.Proces ten wciąż pracuje nad różnicą między dwoma napięciami tak małymi, jak to możliwe.

Ponieważ regulatory liniowe mogą obniżyć napięcie, wyjście zawsze będzie mniejsze niż napięcie wejściowe.Mimo że ogranicza to sposób, w jaki można je używać, organy regulacyjne liniowe są nadal popularne, ponieważ są proste i dobrze działają.Są one łatwe do zaprojektowania, niezawodne, opłacalne i wytwarzają bardzo małe zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), oznacza, że ​​w wyjściu jest mniej hałasu i falach.

Na przykład prosty regulator liniowy, taki jak MP2018, potrzebuje tylko kondensatora wejściowego i kondensatora wyjściowego do prawidłowego działania.Ta niewielka liczba części sprawia, że ​​projekt jest łatwy, niezawodny i niedrogi.

Rysunek 10: Liniowy regulator napięcia

Przełączanie regulatorów napięcia

Przełączanie organów regulacyjnych są bardziej zaawansowaną opcją w porównaniu z organami liniowymi, ale ich projekt wymaga większej precyzji i dbałości o szczegóły.W przeciwieństwie do regulatorów liniowych, regulatory przełączania zależą od komponentów zewnętrznych, starannego strojenia pętli kontrolnej i przemyślanego planowania układu.Te organy regulacyjne występują w trzech głównych typach: konwerterach kroków (Buck), konwerterach podnoszenia (Boost) i kombinacji tych dwóch.Ten zakres opcji sprawia, że ​​są one bardziej elastyczne niż regulatory liniowe.

Jedną z zalet zmiany regulatorów jest ich wysoka wydajność, często przekraczająca 95%.Poniżej prowadzą do zarządzania ciepłem i są w stanie obsłużyć większe prądy, jednocześnie obsługując szeroką gamę napięć wejściowych i wyjściowych.Jednak kompromis dla tego wynikach jest zwiększona złożoność.Aby poprawnie pracować, regulatory przełączające potrzebują dodatkowych komponentów, takich jak cewki, kondensatory, tranzystory w terenie (FET) i rezystory sprzężenia zwrotnego.

Dobrym przykładem regulatora przełączającego jest model HF920, który pokazuje silną wydajność i niezawodne zarządzanie energią, które oferują urządzenia.

Rysunek 11: Regulator napięcia przełączania

Rodzaje regulatorów napięcia przełączającego

Regulatory Buck, zwane również konwerterami kropkowymi, są używane w celu zmniejszenia wyższego napięcia do niższego, bardziej użytecznego napięcia wyjściowego.Proces zaczyna się od tranzystora, który włącza się i wyłącza z dużą prędkością, przecinając napięcie wejściowe w krótkie serie.Te szybkie wybuchy napięcia są następnie przekazywane przez cewkę, który tymczasowo przechowuje energię.W miarę kontynuowania napięcia jest on dalej wygładzany przez kondensator, co powoduje stałe niższe napięcie wyjściowe.Ta metoda jest wydajna, zmniejszając energię zmarnowaną jako ciepło.Regulatory Buck są dobre w urządzeniach takich jak laptopy, smartfony i inna przenośna elektronika.

Rysunek 12: Obwód regulatora Buck

Wzmocnij organy regulacyjne , często określane jako konwertera podnoszenia, pracuj nad zwiększeniem niskiego napięcia wejściowego do wyższego napięcia wyjściowego.Tutaj tranzystor ładujący induktor, gdy jest aktywny i uwalnia zapisaną energię po wyłączeniu.To kontrolowane zwolnienie podnosi poziom napięcia.Te regulatory są przydatne w sytuacjach, w których moc wejściowa, podobnie jak z baterii, jest zbyt niska dla potrzeb urządzenia.W miarę wyczerpania akumulatorów regulator Boost zapewnia spójność napięcia, utrzymując urządzenia działające, nawet gdy poziomy mocy spadają.To sprawia, że ​​są idealne do wielu elektroniki zasilanej baterią, które wymagają stałego napięcia pomimo wahańców energii.

Rysunek 13: Obwód regulatora Boost

Regulatory Buck-Boost Połącz cechy zarówno przetworników BUCK, jak i BOOST, umożliwiając im zwiększenie lub zmniejszenie napięcia wejściowego zgodnie z wymaganiami.Te regulatory najpierw odwracają napięcie wejściowe, a następnie dostosowują go, albo przyspieszając go lub w dół w zależności od wymaganego wyjścia.Ta zdolność do dostosowywania się do zmieniających się warunków sprawia, że ​​regulatory Buck-Boost są świetne w systemach o nieprzewidywalnych lub niestabilnych napięciach wejściowych, takich jak samochody lub zastosowania energii odnawialnej, takie jak systemy energii słonecznej.Zapewniając stabilne dane wyjściowe niezależnie od fluktuacji wejściowych, zapewniają one niezawodne urządzenia w szerokim zakresie warunków.

Rysunek 14: Obwód regulatora Buck-Boost

Zbuduj własny regulator napięcia breakboardu

Zestaw regulatora napięcia breakboardu jest idealnym punktem wejścia dla początkujących, którzy chcą uzyskać praktyczne wrażenia z lutowaniem i podstawowym projektem obwodów.Nauczysz się nie tylko podstawowych koncepcji elektroniki, ale pod koniec tego projektu zbudujesz w pełni funkcjonalne urządzenie, które może zapewnić stałą wydajność 5VDC do projektów małych elektroniki.

Ten zestaw zawiera wszystko, czego potrzebujesz do złożenia niezawodnego regulatora napięcia:

- Wydrukowana płyta obwodu (PCB)

- DC Power Jack

- kondensatory i rezystor

- Status mocy LED

- Nagłówki pinowe

- Kompleksowa instrukcja obsługi

Narzędzia wymagane dla tego projektu to:

- lutownicze i lutownicze

- Cutery drutu

- Zasilanie (takie jak adapter ścienny 6-18V)

Proces montażu jest rozkładany krok po kroku, aby pomóc Ci zrozumieć działanie regulatora napięcia w miarę upływu czasu.

Krok 1: Instalowanie rezystora i kondensatora

Zacznij od odebrania rezystora i zginanie jego potencjalnych klientów, aby pasować do gniazda R1.Włóż go do wyznaczonego miejsca na planszy i bezpiecznie przylutować przewody z tyłu.Po lutowaniu oderwij dodatkowy drut wystający.Następnie chwyć kondensator 0,1µF i postępuj zgodnie z tym samym procesem dla szczelin C2.Nie trzeba się martwić, w którą stronę stoją, te elementy można umieścić w obu kierunkach, ponieważ nie są spolaryzowane.

Rysunek 15: Instalowanie rezystora i kondensatora

Krok 2: Konfigurowanie regulatora napięcia i gniazda beczki

Umieść regulator napięcia w gnieździe V-Reg, upewnij się, że wyrównaj zakładkę do linii wskazanej na płycie.Prawidłowe uznanie tej orientacji jest ważne, jeśli zostanie zainstalowany wstecz, regulator nie będzie działał i może uszkodzić obwód.Rolą regulatora jest utrzymanie napięcia na stałym poziomie, nawet jeśli wejście zmienia się, zapewniając, że moc dostarczona do obwodu pozostaje stabilna.Po lutowaniu przewodów przycinaj dodatkowy drut.Teraz przejdź do gniazda beczki, włóż go do gniazda B1 i lutuj go na miejscu.Będzie to służyć jako główne połączenie zasilania twojego projektu.

Rysunek 16: Konfigurowanie regulatora napięcia i gniazda beczki

Krok 3: Umieszczenie kondensatora i zasilania LED

Włóż kondensator 10µF do szczeliny C1, upewniając się, że dłuższy przewód trafił do podkładki (+).Sprawdź dwukrotnie, że pasek na kondensatorze znajduje się obok etykiety PWR w celu właściwej orientacji.Następnie zainstaluj diodę LED w swoim gnieździe, wyrównując wycięcie z odpowiednią linią na symbolu płyty, aby upewnić się, że zostanie poprawnie umieszczona.

Rysunek 17: Umieszczenie kondensatora i mocy LED

Krok 4: Instalowanie przełącznika zasilania i pinów do chleba

Umieść przełącznik zasilania w gnieździe PWR i lutuj go bezpiecznie.Jeśli chodzi o szpilki do chleba, mogą być trudne do zarządzania, ponieważ muszą być lutowane spodem.Aby utrzymać je w wyrównaniu, możesz albo utrzymać je ręcznie, gdy lutujesz lub używać tablicy, aby je obsługiwać podczas procesu.

Rysunek 18: Instalowanie przełącznika zasilania i pinów do chleba

Krok 5: Konfigurowanie szyn zasilania

Aby upewnić się, że regulator napięcia działa poprawnie, musisz skonfigurować szyny zasilania.Wybierz bok breadboardu, którego chcesz użyć.Chodźmy z lewą do tej konfiguracji.Dopasuj podkładki na planszy do szyn „+” i „-” na tablicy chleba.Gdy wszystko zostanie wyrównane, lutuj półksiężycowe podkładki, aby zablokować połączenie na miejscu.Jeśli kiedykolwiek musisz odwrócić polaryzację mocy, możesz użyć numeru części SWT7 na określonych podkładkach, chociaż zwykle nie jest to wskazane.

Rysunek 19: Konfigurowanie szyn zasilania

Krok 6: Zasilanie planszy

Użyj źródła zasilania 2,1 mm, które zapewnia od 6 do 18 woltów, aby zasilić płytę.Jeśli napięcie wejściowe przekracza 12 woltów, regulator może się gorący, ale to normalne i nie stanowi powodu.Jeśli nie używasz tablicy chleba, możesz użyć podkładek lutu „+ -” znajdujących się w pobliżu gniazda beczki, aby narysować 5 V regulowanej mocy.

Rysunek 20: Zestaw regulatora napięcia breakboardu

Jak wybrać odpowiedni regulator napięcia do swojego projektu?

Regulator napięcia jest jak system sterowania energią projektu.Upewnia się, że Twój projekt ma odpowiednią moc.

Wyobraź sobie, że twoje źródło zasilania daje większe napięcie niż potrzebne projekt.A regulator liniowy to proste urządzenie, które obniża napięcie do bezpiecznego poziomu dla twojego projektu.Jest łatwy w użyciu i działa dobrze, jeśli różnica między napięciem, które posiadasz a napięciem, którego potrzebujesz, nie jest zbyt duże.

Ale liniowe regulatory mogą marnować energię, gdy istnieje duża różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym.Ta zmarnowana energia zamienia się w ciepło i staje się problemem dla twojego projektu.

Jeśli twój regulator liniowy robi się zbyt gorący, oznacza to, że marnuje dużo mocy.W takim przypadku możesz chcieć użyć Regulator przełączania Buck.Ten typ regulatora jest bardziej wydajny i nie marnuje tyle energii.Obniża napięcie, bardzo szybko włączając i wyłączając moc, aby stworzyć średnie niższe napięcie.

Jeśli Twój projekt potrzebuje większego napięcia niż może zapewnić źródło zasilania, a Regulator przełączania zwiększania może pomóc.Zwiększa napięcie ze źródła zasilania, aby nadać Twojemu projektowi dodatkową energię, której potrzebuje.

Czasami twoje źródło zasilania może nie być stabilne, dając za dużo lub za mało napięcia. Regulator przełączania buty może zarówno zwiększyć, jak i zmniejszyć napięcie zgodnie z wymaganiami, upewniając się, że projekt zawsze uzyskuje odpowiednią moc.

W przypadku projektów, które wymagają bardzo stabilnej mocy, możesz połączyć Regulator przełączania z regulatorem liniowym.Regulator przełączający obsługuje duże zmiany napięcia, podczas gdy regulator liniowy zapewnia gładką i stabilną moc.

Tak więc odpowiedni regulator napięcia zależy od tego, jak bardzo napięcie z źródła zasilania różni się od tego, czego potrzebuje Twój projekt i jak stabilna i czysta moc musi być.Każdy typ ma swoje mocne strony, więc wybierz ten, który najlepiej pasuje do twojego projektu.

Wniosek

Badanie regulatorów napięcia obejmuje ważną część inżynierii elektrycznej, która łączy praktyczne zastosowanie i teorię.Artykuł wyjaśnia komponenty takie jak wzmacniacze błędów i ciepła, a także różnice między regulatorami liniowymi i przełączającymi, co daje solidne zrozumienie, w jaki sposób urządzenia te kontrolują moc.Obejmuje również przewodnik krok po kroku o budowie regulatora napięcia na płycie breaks, który pomaga uczynić proces i daje czytelnikom praktyczne doświadczenie w celu wsparcia koncepcji.Ponieważ projekty elektroniczne stają się bardziej skomplikowane i zmieniają się potrzeby energii, wiedza o działaniach regulacji napięcia staje się bardzo ważna.Ten artykuł działa zarówno jako narzędzie dydaktyczne, jak i praktyczny przewodnik, pomagając zarówno projektantom, jak i hobbystom w wyborze i korzystaniu z najlepszych organów regulacyjnych napięcia do swoich projektów, zapewniając, że ich elektronika trwa dłużej i działać dobrze.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Kiedy użyć regulatora napięcia?

Regulator napięcia jest ważny, gdy potrzebne jest stabilne napięcie, aby urządzenia elektroniczne działały prawidłowo.Chroni przed szkodami od nagłego napięcia, co może się zdarzyć z powodu zmian popytu na energię lub problemów z podażem.Jest używany w takich rzeczach, jak zasilacze komputerowe, sprzęt telekomunikacyjny i inne urządzenia wrażliwe na zmiany napięcia.

2. Czy AVR jest regulatorem napięcia?

Tak, AVR (automatyczny regulator napięcia) jest rodzajem regulatora napięcia.Automatycznie dostosowuje poziom napięcia, aby zapewnić dostarczenie stałego i odpowiedniego napięcia do sprzętu, niezależnie od zmian napięcia obciążenia lub napięcia wejściowego.Pomaga to w zapobieganiu uszkodzeniom i poprawie wydajności urządzeń elektrycznych.

3. Co to jest regulator napięcia prądu przemiennego?

Regulator napięcia prądu przemiennego kontroluje napięcie mocy prądu naprzemiennego (AC) w celu zapewnienia stabilnego napięcia wyjściowego dla podłączonych urządzeń.Kompensuje zmiany w warunkach napięcia wejściowego i obciążenia, zapewniając dostarczanie stałego wyjścia prądu przemiennego, dobre dla niezawodnego działania urządzeń napędzanych prądem przemiennym.

4. Czy falownik jest regulatorem napięcia?

Nie, falownik nie jest regulatorem napięcia.Falownik został zaprojektowany do konwersji prądu stałego (DC) na prąd naprzemienny (AC).Podczas gdy niektóre falowniki mają wbudowane możliwości stabilizacji napięcia wyjściowego, ich główną funkcją jest konwersja typu prądu, a nie regulacja napięcia.

5. Jak testujesz regulator napięcia?

Oto jak przetestować regulator napięcia:

Skonfiguruj multimetr: Ustaw multimetr do pomiaru napięcia.

Podłącz multimetr: Pokonaj sondy do terminali wyjściowych regulatora.

Sprawdź napięcie: Włącz system i sprawdź odczyt.Powinien być zgodny z oczekiwanym wyjściem regulatora.

Opcjonalnie: Test z obciążeniem: Zmień ładunek i sprawdź, czy wyjście pozostaje stabilne, co pokazuje, że regulator działa poprawnie.

6. Jaka jest różnica między kontrolerem napięcia a regulatorem napięcia?

Kontroler napięcia dostosowuje napięcie wyjściowe w oparciu o wejście użytkownika, takie jak zmiana jasności światła lub prędkość silnika.Regulator napięcia utrzymuje napięcie stabilnie, nawet jeśli zmienia się obciążenie lub wejście.Kontrolery zmieniają napięcie zgodnie z wymaganiami, podczas gdy organy regulacyjne zapewniają, że pozostaje stała.