Napěťové regulátory jsou společným rysem mnoha obvodů, které zajišťují, že citlivé elektronice dodává konstantní stabilní napětí. Jak fungují, je typické pro mnoho analogových obvodů, rozumné a elegantní použití zpětné vazby pro nastavení výstupu na požadovanou úroveň.
Přehled regulátoru napětí
Pokud je zapotřebí stabilní spolehlivé napětí, regulátory napětí jsou komponenty typu go-to. Regulátory napětí mají vstupní napětí a vytvářejí regulované výstupní napětí bez ohledu na vstupní napětí na úrovni pevného napětí nebo nastavitelné úrovně napětí (výběrem správných externích komponent). Tato automatická regulace úrovně výstupního napětí je řešena různými zpětnovazebnými technikami, někteří jsou tak jednoduchí jako zenerová dioda, zatímco jiní obsahují komplexní topologii zpětné vazby, která může zlepšit výkon, spolehlivost, účinnost a přidat další funkce, jako je zvýšení výstupního napětí nad vstupní napětí regulátoru napětí.
Jak fungují regulátory lineárního napětí
Udržování pevného napětí s neznámým a potenciálně hlučným (nebo horším) vstupem vyžaduje signál zpětné vazby, aby zjistil, jaké úpravy je třeba provést. Lineární regulátory používají výkonový tranzistor (buď BJT nebo MOSFET v závislosti na použitém komponentu) jako proměnný rezistor, který se chová jako první polovina dělicí sítě napětí. Výstup děliče napětí se používá jako zpětná vazba pro správné ovládání výkonového tranzistoru pro udržení konstantního výstupního napětí. Bohužel, protože se tranzistor chová jako odpor, ztrácí spoustu energie tím, že ji převádí na teplo, často hodně tepla. Vzhledem k tomu, že celkový výkon přeměněný na teplo se rovná poklesu napětí mezi vstupním napětím a výstupním napětím v dodávaném proudu, může být rozptýlený výkon často velmi vysoký a vyžaduje dobré chladiče.
Alternativní forma lineárního regulátoru je regulátor shuntu, jako je Zenerova dioda . Spíše než působit jako variabilní sériový odpor jako běžný lineární regulátor, regulátor posunutí poskytuje cestu k zemi pro průtok přebytečného napětí (a proudu). Bohužel tento typ regulátoru je často ještě méně účinný než typický řadový lineární regulátor a je praktický pouze tehdy, když je zapotřebí a dodáváno velmi málo energie.
Jak fungují přepínací regulátory napětí
Spínací regulátor napětí pracuje na zcela odlišném principu než lineární regulátory napětí. Spíše než působící jako napáječ napětí nebo proudu pro zajištění konstantního výkonu, spínací regulátor ukládá energii na definovanou úroveň a využívá zpětnou vazbu, aby se zajistilo udržování úrovně nabití s minimálním zvlněním napětí. Tato technika umožňuje, aby spínací regulátor byl mnohem efektivnější než lineární regulátor úplným zapnutím tranzistoru (s minimálním odporem), pouze když obvod pro ukládání energie potřebuje výboj energie. Tím se snižuje celkový ztrátový výkon v systému na odpor tranzistoru během přepínání, když se přechází z vodivosti (velmi nízkého odporu) na nevodivé (velmi vysoké odporové) a jiné malé ztráty okruhů.
Čím rychleji spínací regulátor přepíná, tím méně energie potřebné pro udržení požadovaného výstupního napětí, což znamená, že je možné použít menší součásti. Náklady na rychlejší spínání jsou však ztrátou účinnosti, neboť více času se stane přechodem mezi vodivými a nevodivými stavy, což znamená, že více energie je ztraceno díky odporovému vytápění.
Dalším vedlejším efektem rychlejšího přepínání je zvýšení elektronického šumu generovaného spínacím regulátorem. Při použití různých spínacích technik může spínací regulátor snížit vstupní napětí (buck topology), zesílit napětí (boost topology) nebo oba snížit nebo zvýšit napětí (buck-boost) podle potřeby zachovat požadované výstupní napětí což činí spínací regulátory skvělou volbou pro mnoho aplikací napájených bateriemi, jelikož přepínací regulátor může zvýšit nebo zvýšit vstupní napětí z baterie při vybití baterie. To umožňuje, aby elektronika pokračovala i nad rámec místa, ve kterém by baterie mohla přímo napájet správné napětí pro zapojení obvodu.