Regulator napięcia od pierwszych zasad - dlaczego w tranzystorze jest zrzucana moc?

15

Próbuję pogłębić swoje rozumienie elektroniki, więc postanowiłem zaprojektować stały regulator napięcia, który mógłby dostarczyć wzmacniacz lub coś podobnego. Zebrałem to od pierwszych zasad bez odwoływania się do jakiegokolwiek odniesienia do tego, jak zwykle projektowane są regulatory napięcia.

Moje myśli to:

  • Zenera i rezystora, aby zapewnić stałe napięcie odniesienia.
  • Komparator do wykrywania, kiedy napięcie wyjściowe jest powyżej progu docelowego.
  • Tranzystor do włączania i wyłączania zasilania.
  • Kondensator działający jak zbiornik.

Mając to na uwadze, zaprojektowałem ten stały regulator 5V, który wydaje się działać:

Konstrukcja regulatora napięcia

Zauważyłem jednak, że ma pewne ograniczenia, których nie jestem w stanie wywnioskować z przyczyny:

  • Prąd z V1 (wejściowy) w przybliżeniu równy jest prądowi na R2 (wyjściowym), pomimo różnych napięć. To wydaje się pasować do zachowania liniowych regulatorów napięcia (czy właśnie to właśnie stworzyłem?), Ale nie jestem pewien, dlaczego tak się dzieje. Dlaczego tak dużo mocy jest tracone z drugiego kwartału, skoro tylko się włącza i wyłącza?
  • Kiedy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga progu 5 V, lecz oscyluje wokół 4 V. Próbowałem tego przy różnych obciążeniach, ale po prostu nie działa ono poniżej tego napięcia wejściowego. Co jest tego przyczyną?
Wielomian
źródło
Istniejące odpowiedzi już dotyczą przyczyn tego, co widzisz. Spróbuj wprowadzić trochę pozytywnych opinii na temat swojego „komparatora”
opampa,
1
„Komparator do wykrycia ...” - W twoim obwodzie nie ma komparatora, tylko wzmacniacz operacyjny. Jeśli zastąpisz go rzeczywistym komparatorem, możesz zobaczyć inne (niekoniecznie lepsze ) zachowanie.
marcelm
1
Zauważ, że nawet jeśli tranzystor byłby zawsze całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony, nadal byłby to regulator liniowy - po prostu użyłbyś rezystancji przewodów zamiast sprawić, że tranzystor będzie miał rezystancję.
user253751

Odpowiedzi:

11

Zebrałem to od pierwszych zasad bez odwoływania się do jakiegokolwiek odniesienia do tego, jak zwykle projektowane są regulatory napięcia.

Nie jest to dobry początek, ale tak naprawdę skończyłeś z prawie dokładną konstrukcją większości regulatorów liniowych. Ale „pierwszą zasadą”, o której zapomnieliście, jest region liniowy MOSFET . Próbowałeś tego w symulatorze? Układ ustabilizuje się w punkcie, w którym tranzystor jest w połowie włączony, rozpraszając moc jako rezystor.

Kiedy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga progu 5 V, lecz oscyluje wokół 4 V. Próbowałem tego przy różnych obciążeniach, ale po prostu nie działa ono poniżej tego napięcia wejściowego. Co jest tego przyczyną?

Nazywa się to „spadkiem napięcia”. Jest to spowodowane ograniczeniami w odległości od szyn wejściowych, którą opamp może prowadzić; tracisz około 0,7 V w tranzystorze wyjściowym opampa i kolejne 0,7 V z powodu napięcia progowego MOSFET.

Być może lepiej poradzisz sobie z lepszym wzmacniaczem operacyjnym niż starodawny, przestarzały 741. W przeciwnym razie próbujesz zaprojektować coś, co nazywa się LDO: regulator niskiej wydajności.

pjc50
źródło
facepalm - to wszystko, co wiedziałem, ale nie zastosowałem w kontekście. Dziękuję Ci.
Wielomian
1
Powinienem wspomnieć, że został zaprojektowany wyłącznie w symulatorze, i tak właśnie się dzieje. Nie jestem dość szalony wystarczy umieścić coś razem, jak to z prawdziwymi części bez odwoływania się do odniesienia.
Wielomian
9
Regulator liniowy jest w zasadzie inteligentnym rezystorem - tranzystor odgrywa tutaj rolę rezystora.
Ecnerwal
5
Dlaczego to nie jest dobry początek? (zakładając, że jest to projekt hobby / uczenia się nie do produkcji)
użytkownik253751
5

Dlaczego tak dużo mocy jest tracone z drugiego kwartału, skoro tylko się włącza i wyłącza?

Ponieważ nie jest to obwód regulatora przełączającego - to zaprojektowany przez Ciebie regulator liniowy.

Prąd z V1 (wejściowy) w przybliżeniu równy jest prądowi na R2 (wyjściowym), pomimo różnych napięć. To wydaje się pasować do zachowania liniowych regulatorów napięcia (czy właśnie to właśnie stworzyłem?)

Tak ty masz.

Gdy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga wartości progowej 5 V.

Potrzebujesz około kilku woltów na bramce (w odniesieniu do źródła), aby zacząć włączać MOSFET. Musi to pochodzić ze wzmacniacza operacyjnego i prawdopodobnie „traci” około wolta na wyjściu w porównaniu z wejściową szyną zasilającą. Tak więc, jeśli potrzebujesz napięcia wyjściowego 5 woltów, potrzebujesz źródła zasilania około 8 woltów, które będą przy niewielkich obciążeniach.

Przy dużych obciążeniach napięcie bramki może wymagać 3 lub 4 woltów. Teraz prawdopodobnie będziesz potrzebować zasilania o napięciu około 10 woltów, aby utrzymać moc wyjściową regulatora na poziomie 5 woltów.

Miej szacunek dla prostego regulatora, szczególnie tych, które są typami o niskim poziomie wypadania !!

Andy aka
źródło
Dodatkowo prąd zenera jest bardzo niski nawet przy 10 V, jego jedyne 5ma, urządzenie jest określone bliżej 50ma. Napięcie Zenera spadnie przy niższych prądach zwrotnych. Jeśli spodziewasz się tak szerokiego zakresu, zamiast tego użyłbym urządzenia odniesienia napięcia.
Trevor_G
„Miej szacunek dla prostego regulatora” - rzeczywiście! Naprawdę nie doceniałem, ile inżynierii idzie w skromne LDO!
Wielomian
Tak, jest dużo inżynierii. Nie zaczęliśmy nawet mówić o stabilności, PSRR czy hałasie.
pjc50
Możesz spróbować MOSFET-a mocy P_channel. Ponieważ działa to w INVERTING_MODE, w porównaniu do sposobu wykorzystania kanału N_kanał IRFP054, będziesz musiał przełączyć wejścia OpAmp.
analogsystemsrf
1
To może warto zauważyć, że nawet jeśli MOSFET były być wykorzystywane jako przełącznik zamiast w swoim regionie liniowego, to nadal trzeba odprowadzić dużo ciepła, ponieważ chcesz być trudny do ładowania kondensatora ze źródła napięcia, która nigdy nie może być wydajnym w ponad 50%.
pericynthion
3

Projekt jest OK, z wyjątkiem tego, że opuszczenie FET LDO może być niższe niż BJT LDO, ale kompensacja FET może wymagać ograniczonego zakresu ESR dla stabilności i pozwolić na pewne tętnienia dla sprzężenia zwrotnego.

Możesz zwiększyć efektywność do 98%, wybierając dobry induktor z niskim przełącznikiem RDSOn i niskim dławikiem DCR. Teraz masz regulator buck. Symulacja tutaj

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło
To jest naprawdę stara odpowiedź, ale nie jestem do końca przekonany, że to regulator złotówki. Ma tylko jeden element przełączający, a tranzystor nadal rozprasza znaczne ilości mocy.
Palenisko
@ Felthry Dlaczego wątpię w moją symulację, sprawdź Zenera Vz za pomocą myszy, dodaj Tranny do zakresu, zmień zakres, aby wyświetlać Watts max, min dla Vce, Ice, zwróć uwagę na zmienne wejście trójkąta wejściowego V i obciążenie pulsacyjne od 0,7 do 1,9 A, a następnie zmień NPN na NFET (usuń, rysuj FET) zmień gm na 1 na 5 i dodaj do zakresu, zmień na Watts min, max, dodaj DCR do L, przeciągnij narożnik części za pomocą Shift lub ^? do trybu gumki w celu rozciągnięcia kurczenia lub obracania. Udowodnij, że działa lub o ile lepiej możesz to zrobić. Zmień limit, aby dodać niski ESR, a następnie dodaj 0,1 uF z niższym ESR.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 18.10.18
Cóż, z jednej strony widzę po prostu unoszące się nad tranzystorem, że rozprasza się w górę o 20 watów w krótkich seriach i regularnie rozprasza wiele watów, co nie powinno się zdarzyć w konwerterze przełączającym. O dziwo, nie można wykresować rozpraszania mocy w tranzystorach na symulatorze falstad.
Hearth,
Możesz zobaczyć waty w skali zakresu, ale wykreśl Moc w tranzystorach polowych, tutaj z PFET dostosowanym do 90% wydajności 125 W pełny impuls impulsu obciążenia 50% z wejściem tętnienia 2 V i wyjściem tętnienia 5 mV. tinyurl.com/ya5gyufe . Niektóre części obejmują ESR, ważny jest wybór FET. @Felthry
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,
0

Moc jest zrzucana do tranzystora, ponieważ jest to element szeregowy, więc cały prąd dla obciążenia musi przez nią przejść, a jednocześnie musi zmniejszyć różnicę między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym.

Jaskółka oknówka
źródło
-1

Co jest tego przyczyną?

Przy zasilaniu twojego opampa w v1, maksymalne napięcie wyjściowe na opampie i twojej bramce MOSFET wynosi v1. MOSFET będzie potrzebował kilku vgs do pracy, piasku, który zwykle wynosi od 2 do 5 V, w zależności od zastosowanego MOSFET. 0,7 V dla bitów i 1,3 V dla Darlington.

Oznacza to, że maksymalne źródło MOSFET może zobaczyć to v1 - 2 do 5v. Właśnie to widziałeś.

dannyf
źródło