Regulador de voltaje a partir de primeros principios - ¿por qué es la energía vertida en el transistor?

Question

Estoy tratando de mejorar mi comprensión de la electrónica, así que me decidí a intentar diseñar un regulador de voltaje fijo, capaz de suministrar un amplificador o algo así. Pongo esto en conjunto a partir de los primeros principios, sin referencia a ningún tipo de referencia sobre cómo los reguladores de tensión son generalmente diseñados.

Mis pensamientos eran:

• Zener y una resistencia para proporcionar un voltaje fijo de referencia.
• Comparador de detectar cuando el voltaje de salida se fue por encima del umbral de destino.
• Transistor para cambiar el suministro de encendido y apagado.
• Condensador para actuar como un reservorio.

Con eso en mente, he diseñado esta fijo regulador de 5V, que parece funcionar:

Lo que noté, sin embargo, es que tiene ciertas limitaciones que no puedo derivar la causa de:

• La corriente de V1 (entrada) aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida), a pesar de diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento lineal de los reguladores de voltaje (que es lo que acabo de crear?) pero no estoy seguro de por qué sucede. ¿Por qué tanta potencia disipada de Q2 teniendo en cuenta que es solo el encendido y apagado?
• Cuando V1 es menor que alrededor de 7.5 V, el voltaje de salida no llega a los 5V del umbral, sino que se sitúa alrededor de 4V. He intentado esto con cargas variables, pero simplemente no funcionan por debajo que el voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de todo esto?

Answer 1

Pongo esto en conjunto a partir de los primeros principios, sin referencia a ningún tipo de referencia sobre cómo los reguladores de tensión son generalmente diseñados.

No es un buen comienzo, pero en realidad hemos terminado con casi el diseño exacto de la mayoría de los reguladores lineales. Pero el "primer principio" te has olvidado es el MOSFET de la región lineal. ¿Has probado esta cosa en un simulador? El sistema se conforma en un punto donde el transistor es de la mitad, de disipación de energía como una resistencia.

Cuando V1 es menor que alrededor de 7.5 V, el voltaje de salida no llega a los 5V del umbral, sino que se sitúa alrededor de 4V. He intentado esto con cargas variables, pero simplemente no funcionan por debajo que el voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de todo esto?

Esto se llama el "voltaje de desconexión". Es debido a las limitaciones en cómo cerca de la entrada de los rieles del opamp es capaz de conducir; no pierde aproximadamente 0,7 V en el transistor de salida del amplificador operacional y otro 0,7 V debido a la tensión umbral de los MOSFET.

Usted podría ser capaz de hacer mejor con un mejor op-amp de la antigua, obsoleta 741. De lo contrario, usted está tratando de diseñar lo que se llama un LDO: baja de deserción regulador.

Answer 2

¿Por qué tanta potencia disipada de Q2 teniendo en cuenta que es sólo el encendido y apagado?

Porque no es un regulador de conmutación de circuitos es un regulador lineal que usted ha diseñado.

La corriente de V1 (entrada) aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida), a pesar de diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento de lineal de los reguladores de voltaje (que es lo que acabo de crear?)

Sí, usted tiene.

Cuando V1 es menor que alrededor de 7.5 V, el voltaje de salida no llega a los 5V umbral

Usted necesita un par de voltios en la puerta (con respecto a la fuente) para empezar a convertir en el MOSFET. Esto tiene que venir de la op-amp y que probablemente se "pierde" acerca de un voltio en su producción en comparación con la alimentación de entrada de ferrocarril. Por lo tanto, si usted desea un voltaje de salida de 5 voltios, entonces usted necesita un suministro de entrada de alrededor de 8 voltios y lo que será en las cargas de luz.

En cargas pesadas, la puerta de la tensión de la fuente puede ser que necesite para tener 3 o 4 voltios. Ahora usted probablemente necesitará un suministro de corriente, que es de unos 10 voltios para mantener el regulador de salida a 5 voltios.

Tener respeto por el simple regulador, especialmente aquellos que son de bajo de deserción tipos!!

Answer 3

El diseño está bien excepto por la omisión de la FET LDO pueden ser inferiores a los BJT LDO, pero FET de la indemnización, la demanda de una gama limitada de ESR para la estabilidad y permitir que algunos de rizo de retroalimentación.

Usted puede hacer hasta un 98% de eficiencia por la buena elección de un inductor con una baja RDSOn interruptor y baja DCR choke. Ahora usted tiene un regulador buck. Simulación de aquí

Answer 4

El poder es objeto de dumping en el transistor porque es el elemento de la serie, así que toda la corriente de la carga se tiene que ir a través de él, mientras que al mismo tiempo tiene que soltar la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida.

Answer 5

¿Cuál es la causa de todo esto?

Con la oferta para ti opamp en v1, el valor máximo de la tensión de salida del amplificador operacional y te Mosfet de puerta es v1. El MOSFET de la necesidad de algunos vgs para el trabajo, la arena que suele ser de 2 a 5 v, dependiendo del MOSFET utilizado. 0,7 v para bits y 1.3 v para Darlington.

Eso significa que el max, el Mosfet de la fuente puede ver es v1 - 2 a 5v. Eso es exactamente lo que vio.