I regolatori di tensione sono una caratteristica comune in molti circuiti per garantire che venga fornita una tensione costante e stabile ai componenti elettronici sensibili. Il modo in cui operano è tipico di molti circuiti analogici, l'uso giudizioso ed elegante del feedback per regolare l'uscita al livello desiderato.
Panoramica del regolatore di tensione
Quando è necessaria una tensione costante e affidabile, i regolatori di tensione sono i componenti di riferimento. I regolatori di tensione prendono una tensione in ingresso e creano una tensione di uscita regolata indipendentemente dalla tensione di ingresso a un livello di tensione fisso oa un livello di tensione regolabile (selezionando i componenti esterni corretti). Questa regolazione automatica del livello di tensione di uscita viene gestita da varie tecniche di feedback, alcune semplici come un diodo zener, mentre altre includono topologie di feedback complesse che possono migliorare le prestazioni, l'affidabilità, l'efficienza e aggiungere altre caratteristiche come l'aumento della tensione di uscita al di sopra della tensione di ingresso il regolatore di tensione.
Come funzionano i regolatori di tensione lineari
Mantenere una tensione fissa con un input sconosciuto e potenzialmente rumoroso (o peggio) richiede un segnale di feedback per sapere quali modifiche devono essere fatte. I regolatori lineari utilizzano un transistor di potenza (o BJT o MOSFET a seconda del componente utilizzato) come un resistore variabile che si comporta come la prima metà di una rete di partizione di tensione. L'uscita del partitore di tensione viene utilizzata come feedback per pilotare il transistor di potenza in modo appropriato per mantenere una tensione di uscita costante. Sfortunatamente, poiché il transistor si comporta come una resistenza, spreca molta energia convertendola in calore, spesso molto calore. Poiché la potenza totale convertita in calore è uguale alla caduta di tensione tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita moltiplicata per la corrente erogata, la potenza dissipata può essere spesso molto elevata e richiede buoni dissipatori di calore.
Una forma alternativa di un regolatore lineare è un regolatore di shunt, come un diodo Zener. Piuttosto che agire come una resistenza a serie variabile come fa il regolatore lineare tipico, un regolatore di shunt fornisce un percorso verso terra per far passare la tensione (e la corrente) in eccesso. Sfortunatamente, questo tipo di regolatore è spesso anche meno efficiente di un tipico regolatore lineare di serie ed è pratico solo quando è richiesta e fornita una potenza minima.
Come funzionano i regolatori di tensione di commutazione
Un regolatore di tensione di commutazione funziona su un principio completamente diverso rispetto ai regolatori di tensione lineari. Invece di fungere da dissipatore di tensione o corrente per fornire un'uscita costante, un regolatore di commutazione immagazzina energia a un livello definito e utilizza la retroazione per garantire che il livello di carica sia mantenuto con un'ondulazione minima della tensione. Questa tecnica consente al regolatore di commutazione di essere molto più efficiente del regolatore lineare ruotando completamente un transistor (con una resistenza minima) solo quando il circuito di accumulo di energia ha bisogno di una scarica di energia. Ciò riduce la potenza totale sprecata nel sistema alla resistenza del transistor durante la commutazione in quanto passa dalla conduttività (resistenza molto bassa) a quella non conduttiva (resistenza molto elevata) e altre perdite di piccolo circuito.
Più veloce è il regolatore di commutazione, minore è la capacità di accumulo di energia necessaria per mantenere la tensione di uscita desiderata, il che significa che è possibile utilizzare componenti più piccoli. Tuttavia, il costo di una commutazione più veloce è una perdita di efficienza in quanto si impiega più tempo a passare tra gli stati di conduzione e di non conduzione, il che significa che si perde più energia a causa del riscaldamento resistivo.
Un altro effetto collaterale di una commutazione più veloce è l'aumento del rumore elettronico generato dal regolatore di commutazione. Utilizzando diverse tecniche di commutazione, un regolatore di commutazione può ridurre la tensione di ingresso (topologia buck), aumentare la tensione (topologia boost), o abbassare o aumentare la tensione (buck-boost) secondo necessità mantenere la tensione di uscita desiderata il che rende i regolatori di commutazione un'ottima scelta per molte applicazioni alimentate a batteria poiché il regolatore di commutazione può aumentare o aumentare la tensione in ingresso dalla batteria quando la batteria si scarica. Ciò consente all'elettronica di continuare a funzionare ben oltre il punto in cui la batteria potrebbe fornire direttamente la giusta tensione affinché il circuito funzioni.
