Diferentes tipos de reguladores de tensão com princípio de funcionamento

No fornecimento de energia, os reguladores de tensão desempenham um papel fundamental. Portanto, antes de discutir um regulador de voltagem , temos que saber qual é o papel de uma fonte de alimentação ao projetar um sistema ?. Por exemplo, em qualquer sistema funcional como um smartphone, relógio de pulso, computador ou laptop, a fonte de alimentação é uma parte essencial para o funcionamento do sistema coruja, porque fornece alimentação consistente, confiável e contínua para os componentes internos do sistema. Em dispositivos eletrônicos, a fonte de alimentação fornece uma alimentação estável e regulada para operar os circuitos adequadamente. As fontes de alimentação são de dois tipos, como a fonte de alimentação CA que obtém das tomadas principais e a fonte de alimentação CC que obtém das baterias. Portanto, este artigo discute uma visão geral dos diferentes tipos de reguladores de tensão e seu funcionamento.

O que é um regulador de tensão?

Um regulador de tensão é usado para regular os níveis de tensão. Quando uma tensão estável e confiável é necessária, o regulador de tensão é o dispositivo preferido. Ele gera uma tensão de saída fixa que permanece constante para quaisquer mudanças em uma tensão de entrada ou nas condições de carga. Ele atua como um buffer para proteger os componentes contra danos. UMA regulador de voltagem é um dispositivo com um design de feed-forward simples e usa loops de controle de feedback negativo.

Regulador de voltagem

Existem basicamente dois tipos de reguladores de tensão: reguladores de tensão linear e reguladores de tensão de comutação - são usados ​​em aplicações mais amplas. O regulador de tensão linear é o tipo mais fácil de regulador de tensão. Ele está disponível em dois tipos, que são compactos e usados ​​em sistemas de baixa potência e baixa tensão. Vamos discutir os diferentes tipos de reguladores de tensão.

O principais componentes usados ​​no regulador de tensão estamos

• Circuito de Feedback
• Tensão de referência estável
• Circuito de controle de elemento de passagem

O processo de regulação de tensão é muito fácil usando os três acima componentes . O primeiro componente do regulador de tensão, como um circuito de feedback, é usado para detectar as mudanças na saída de tensão CC. Com base na tensão de referência, bem como na realimentação, um sinal de controle pode ser gerado e aciona o elemento de passagem para compensar as alterações.

Aqui, o elemento de passagem é um tipo de estado sólido dispositivo semicondutor semelhante a um transistor BJT, Diodo de junção PN, caso contrário, um MOSFET. Agora, a tensão de saída DC pode ser mantida aproximadamente estável.

Funcionamento do regulador de tensão

Um circuito regulador de tensão é usado para fazer e manter uma tensão de saída permanente, mesmo quando a tensão de entrada, caso contrário, as condições de carga são alteradas. O regulador de tensão obtém a tensão de uma fonte de alimentação e pode ser mantida em uma faixa que é adequada com o restante componentes elétricos . Mais comumente, esses reguladores são usados ​​para converter energia DC / DC, AC / AC caso contrário AC / DC.

Tipos de reguladores de tensão e seu funcionamento

Esses reguladores podem ser implementados por meio de circuitos integrados ou circuitos de componentes discretos. Os reguladores de tensão são classificados em dois tipos: regulador de tensão linear e regulador de tensão de comutação. Estes reguladores são usados ​​principalmente para regular a tensão de um sistema, porém, reguladores lineares trabalham com baixa eficiência assim como reguladores chaveadores que funcionam com alta eficiência. Ao alternar reguladores com alta eficiência, a maior parte da potência i / p pode ser transmitida para o o / p sem dissipação.

Tipos de reguladores de tensão

Basicamente, existem dois tipos de reguladores de tensão: regulador de tensão linear e regulador de tensão de comutação.

• Existem dois tipos de reguladores de tensão linear: Série e Shunt.
• Existem três tipos de reguladores de tensão de comutação: reguladores de tensão Step up, Step down e Inverter.

Reguladores de tensão linear

O regulador Linear atua como um divisor de tensão. Na região ôhmica, ele usa FET. A resistência do regulador de tensão varia com a carga, resultando em tensão de saída constante. Reguladores de tensão linear são o tipo original de regulador usado para regular as fontes de alimentação. Neste tipo de regulador, a condutividade variável do elemento de passagem ativa como um MOSFET ou um BJT é responsável por alterar a tensão de saída.

Uma vez que uma carga é aliada, as mudanças em qualquer entrada, caso contrário, a carga resultará em uma diferença na corrente ao longo do transistor para manter a saída constante. Para alterar a corrente do transistor, ele deve ser trabalhado em uma região ativa, caso contrário, Ohmic.

Ao longo desse procedimento, esse tipo de regulador dissipa muita potência porque a tensão líquida cai dentro do transistor para se dissipar como calor. Geralmente, esses reguladores são categorizados em diferentes categorias.

• Positivo Ajustável
• Negativo Ajustável
• Saída Fixa
• Rastreamento
• Flutuando

Vantagens

O vantagens de um regulador de tensão linear inclui o seguinte.

• Dá uma baixa tensão de ondulação de saída
• Tempo de resposta rápido para carregar ou mudanças de linha
• Baixa interferência eletromagnética e menos ruído

Desvantagens

O desvantagens de um regulador de tensão linear inclui o seguinte.

• A eficiência é muito baixa
• Requer grande espaço - dissipador de calor é necessário
• Tensão acima da entrada não pode ser aumentada

Reguladores de tensão em série

Um regulador de tensão em série usa um elemento variável colocado em série com a carga. Ao alterar a resistência desse elemento em série, a queda de tensão pode ser alterada. E a tensão na carga permanece constante.

A quantidade de corrente consumida é efetivamente utilizada pela carga, esta é a principal vantagem do regulador de tensão em série . Mesmo quando a carga não exige nenhuma corrente, o regulador em série não extrai a corrente total. Portanto, um regulador em série é consideravelmente mais eficiente do que um regulador de tensão em derivação.

Reguladores de tensão shunt

Um shunt regulador de tensão funciona fornecendo um caminho da tensão de alimentação ao solo por meio de uma resistência variável. A corrente através do regulador shunt foi desviada da carga e flui inutilmente para o solo, tornando esta forma geralmente menos eficiente do que o regulador em série. É, no entanto, mais simples, às vezes consistindo em apenas um diodo de referência de tensão e é usado em circuitos de energia muito baixa em que a corrente perdida é muito pequena para ser preocupante. Esta forma é muito comum para circuitos de referência de tensão. Um regulador de derivação geralmente pode apenas absorver (absorver) a corrente.

Aplicações de reguladores shunt

Reguladores de derivação são usados ​​em:

• Fontes de alimentação comutadas de baixa tensão de saída
• Circuitos de fonte e dissipador de corrente
• Amplificadores de erro
• Tensão ajustável ou corrente linear e comutação Suprimentos de energia
• Monitoramento de Tensão
• Circuitos analógicos e digitais que requerem referências de precisão
• Limitadores de corrente de precisão

Reguladores de tensão de comutação

Um regulador de comutação liga e desliga rapidamente um dispositivo em série. O ciclo de trabalho da chave define a quantidade de carga transferida para a carga. Isso é controlado por um mecanismo de feedback semelhante ao de um regulador linear. Os reguladores de chaveamento são eficientes porque o elemento em série é totalmente condutor ou desligado porque quase não dissipa energia. Os reguladores de chaveamento são capazes de gerar tensões de saída superiores à tensão de entrada ou de polaridade oposta, ao contrário dos reguladores lineares.

O regulador de tensão de comutação liga e desliga rapidamente para alterar a saída. Ele requer um oscilador de controle e também carrega componentes de armazenamento.

Em um regulador de comutação com frequência variável de modulação de taxa de pulso, ciclo de trabalho constante e espectro de ruído imposto por PRM variam, é mais difícil filtrar esse ruído.

Um regulador de comutação com Modulação de largura de pulso , frequência constante, ciclo de trabalho variável, é eficiente e fácil de filtrar o ruído.
Em um regulador de chaveamento, a corrente de modo contínuo através de um indutor nunca cai a zero. Ele permite a maior potência de saída. Oferece melhor desempenho.

Em um regulador de chaveamento, a corrente de modo descontínuo através do indutor cai para zero. Oferece melhor desempenho quando a corrente de saída é baixa.

Topologias de comutação

Possui dois tipos de topologias: Isolamento dielétrico e Não-isolamento.

Isolado

É baseado em radiação e ambientes intensos. Novamente, os conversores isolados são classificados em dois tipos, que incluem o seguinte.

• Conversores Flyback
• Conversores diretos

Nos conversores isolados listados acima são discutidos no tópico de fonte de alimentação comutada.

Não -Isolamento

É baseado em pequenas mudanças no Vout / Vin. Exemplos são regulador de tensão Step Up (Boost) - Aumenta a tensão de entrada Reduz (Buck) - diminui a tensão de entrada Aumenta / Abaixa (boost / buck) Regulador de tensão - Abaixa ou aumenta ou inverte a tensão de entrada dependendo do controlador Bomba de carga - Ele fornece múltiplos de entrada sem usar um indutor.

Mais uma vez, os conversores não isolados são classificados em diferentes tipos, no entanto os mais significativos são

• Conversor Buck ou Regulador Redutor de Tensão
• Conversor de reforço ou regulador de tensão de aumento
• Conversor Buck ou Boost

Vantagens das topologias de comutação

As principais vantagens de uma fonte de alimentação chaveada são eficiência, tamanho e peso. É também um design mais complexo, capaz de lidar com maior eficiência de energia. Um regulador de tensão de comutação pode fornecer saída, que é maior ou menor ou que inverte a tensão de entrada.

Desvantagens de Mudança de Topologias

• Tensão de ondulação de saída mais alta
• Tempo de recuperação transiente mais lento
• EMI produz uma saída muito ruidosa
• Muito caro

Os conversores de comutação de aumento, também chamados de reguladores de comutação de reforço, fornecem uma saída de tensão mais alta aumentando a tensão de entrada. A tensão de saída é regulada, desde que a potência seja consumida dentro da especificação de potência de saída do circuito. Para acionar cadeias de LEDs, é usado o regulador de tensão de comutação intensiva.

Reguladores de tensão de aumento

Suponha que o circuito sem perdas Pin = Pout (as potências de entrada e saída são iguais)

Então V_noeu_no= V_Foraeu_Fora,

eu_Fora/ EU_no= (1-D)

A partir disso, infere-se que neste circuito

• Os poderes permanecem os mesmos
• Aumentos de tensão
• Diminuições atuais
• Equivalente ao transformador DC

Regulador de tensão de redução (Buck)

Ele reduz a tensão de entrada.

Reguladores de tensão redutores

Se a potência de entrada for igual à potência de saída, então

P_no= P_ForaV_noeu_no= V_Foraeu_Fora,

eu_Fora/ EU_no= V_no/ V_Fora= 1 / D

O conversor redutor é equivalente ao transformador CC, em que a relação de espiras está na faixa de 0-1.

Aumentar / Diminuir (Boost / Buck)

Também é chamado de inversor de tensão. Usando esta configuração, é possível aumentar, diminuir ou inverter a tensão de acordo com o requisito.

• A tensão de saída é da polaridade oposta à da entrada.
• Isso é conseguido pelo diodo de polarização reversa de polarização direta VL durante os tempos desligados, produzindo corrente e carregando o capacitor para a produção de tensão durante os tempos desligados
• Usando este tipo de regulador de comutação, 90% de eficiência pode ser alcançada.

Reguladores de tensão aumentam / diminuem

Reguladores de tensão do alternador

Os alternadores produzem a corrente necessária para atender às demandas elétricas de um veículo quando o motor funciona. Ele também repõe a energia que é usada para dar partida no veículo. Um alternador tem a capacidade de produzir mais corrente em velocidades mais baixas do que os geradores CC que antes eram usados ​​pela maioria dos veículos. O alternador tem duas partes

Regulador de tensão do alternador

Estator - Este é um componente estacionário, que não se move. Ele contém um conjunto de condutores elétricos enrolados em bobinas sobre um núcleo de ferro.
Rotor / Armadura - Este é o componente móvel que produz um campo magnético giratório por qualquer uma das três maneiras a seguir: (i) indução (ii) ímãs permanentes (iii) usando um excitador.

Regulador de tensão eletrônico

Um regulador de tensão simples pode ser feito de um resistor em série com um diodo (ou série de diodos). Devido à forma logarítmica das curvas V-I do diodo, a tensão através do diodo muda apenas ligeiramente devido às mudanças na corrente consumida ou mudanças na entrada. Quando o controle preciso da tensão e a eficiência não são importantes, este projeto pode funcionar bem.

Regulador de tensão eletrônico

Regulador de tensão do transistor

Os reguladores eletrônicos de tensão têm uma fonte de referência de tensão astável que é fornecida pelo Diodo Zener , que também é conhecido como diodo de operação de tensão de ruptura reversa. Ele mantém uma tensão de saída DC constante. A ondulação de tensão CA está bloqueada, mas o filtro não pode ser bloqueado. O regulador de tensão também possui um circuito extra para proteção contra curto-circuito e circuito limitador de corrente, proteção contra sobretensão e desligamento térmico.

Parâmetros básicos de reguladores de tensão

• Os parâmetros básicos que precisam ser considerados ao operar um regulador de tensão incluem principalmente a tensão i / p, a tensão o / p e a corrente o / p. Geralmente, todos esses parâmetros são usados ​​principalmente para determinar o tipo de VR topologia é bem compatível ou não com o IC de um usuário.
• Outros parâmetros deste regulador são a frequência de comutação, a resistência térmica da tensão de realimentação da corrente quiescente pode ser aplicável com base no requisito
• A corrente quiescente é significativa, uma vez que a eficiência em todos os modos de espera ou carga leve é ​​a principal preocupação.
• Uma vez que a freqüência de chaveamento é considerada um parâmetro, explorar a freqüência de chaveamento pode levar às soluções de um sistema pequeno. Além disso, a resistência térmica pode ser perigosa para eliminar o calor do dispositivo e também para dissolver o calor do sistema.
• Se o controlador tiver um MOSFET, depois todos os condutores, bem como dinâmicos perdas será dissipado dentro da embalagem e deve ser considerado assim que medir a temperatura máxima do regulador.
• O parâmetro mais importante é a tensão de feedback, pois ela decide a menor tensão o / p que o IC pode conter. Isso restringe a menor tensão o / p e a precisão terá impacto na regulação da tensão de saída.

Como escolher o regulador de tensão correto?

• Os parâmetros-chave desempenham um papel fundamental ao selecionar o regulador de tensão pelo designer, como Vin, Vout, Iout, prioridades do sistema, etc. Alguns recursos-chave extras, como habilitar o controle ou indicação de boa potência.
• Quando o projetista tiver descrito essas necessidades, use uma tabela de pesquisa paramétrica para descobrir o melhor aparelho para atender às necessidades preferidas.
• Para designers, esta tabela é muito valiosa porque fornece vários recursos, bem como pacotes que podem ser obtidos para atender aos parâmetros necessários para a exigência de um designer.
• Os dispositivos do MPS estão disponíveis com suas fichas técnicas que descrevem em detalhes as partes externas necessárias, como medir seus valores para obter um design estável, eficiente e de alto desempenho.
• Esta folha de dados ajuda principalmente na medição de valores de componentes como capacitância de saída, resistência de feedback, indutância o / p, etc.
• Além disso, você pode utilizar algumas ferramentas de simulação, como o software MPSmart / DC / DC Designer, etc. O MPS fornece diferentes reguladores de tensão com uma variedade linear compacta de tipos eficientes e de comutação como a família MP171x, a família HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 e MPQ2013-AEC1.

Limitações / desvantagens

As limitações dos reguladores de tensão incluem o seguinte.

• Uma das principais limitações do regulador de tensão é que eles são ineficientes devido à dissipação de grande corrente em algumas aplicações
• A queda de tensão deste IC é semelhante a um resistor queda de voltagem. Por exemplo, quando a entrada do regulador de tensão é 5 V e gera uma saída como 3 V, a queda de tensão entre os dois terminais é 2 V.
• A eficiência do regulador pode ser restrita a 3 V ou 5 V, o que significa que esses reguladores são aplicáveis ​​com menos diferenciais Vin / Vout.
• Em qualquer aplicação, é muito significativo considerar a dissipação de energia esperada para um regulador, porque quando as tensões de entrada são altas, a dissipação de energia será alta, de modo que pode danificar diferentes componentes devido ao superaquecimento.
• Outra limitação é que eles são simplesmente capazes de conversão de buck em comparação com os tipos de comutação, porque esses reguladores fornecem buck e conversão.
• Os reguladores como o tipo de comutação são altamente eficientes, no entanto, eles têm algumas desvantagens como a relação custo-benefício em comparação com os reguladores do tipo linear, mais complexos, de grande porte e podem gerar mais ruído se seus componentes externos não forem escolhidos com cautela.

Trata-se de diferentes tipos de reguladores de tensão e seu princípio de funcionamento. Acreditamos que as informações fornecidas neste artigo são úteis para uma melhor compreensão deste conceito. Além disso, para qualquer dúvida sobre este artigo ou qualquer ajuda na implementação projetos elétricos e eletrônicos , você pode nos abordar comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você - Onde usaremos um regulador de tensão do alternador?