Unterschied zwischen Spannungsregler im Schaltkreis und im Serienschaltkreis

Lineare Spannungsregler werden hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Shunt-Spannungsregler und Reihenspannungsregler. Der entscheidende Unterschied zwischen ihnen liegt in der Verbindung des Steuerelements: Bei einem Shunt-Spannungsregler ist das Steuerelement parallel zur Last angeschlossen; im Gegensatz dazu ist bei einem Reihenspannungsregler das Steuerelement in Reihe zur Last angeschlossen. Diese beiden Arten von Spannungsreglerschaltungen arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien und haben daher jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile, die in diesem Artikel erläutert werden.

Was ist ein Spannungsregler?

Ein Spannungsregler ist ein Gerät, das die Ausgangsspannung trotz Schwankungen des Laststroms oder der Eingangsspannung auf einem konstanten Wert hält. Er ist ein wesentlicher Bestandteil elektrischer und elektronischer Schaltungen, da er sicherstellt, dass die Gleichstrom-Ausgangsspannung innerhalb eines festgelegten Bereichs bleibt und unbeeinflusst von Fluktuationen der Eingangsspannung oder des Laststroms ist.

Im Wesentlichen wird eine unregulierte Gleichstrom-Versorgungsspannung in eine regulierte Gleichstrom-Ausgangsspannung umgewandelt, bei der die Ausgangsspannung keine signifikanten Schwankungen zeigt. Es sollte beachtet werden, dass das Steuerelement der Kernkomponente der Schaltung ist und seine Platzierung zwischen den beiden Arten von Reglern unterscheidet.

Definition des Shunt-Spannungsreglers

Die folgende Abbildung zeigt den Shunt-Spannungsregler:

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich, ist das Steuerelement parallel zur Last angeschlossen – daher der Name „Shunt-Spannungsregler“.

In dieser Anordnung versorgt die unregulierte Eingangsspannung die Last mit Strom, während ein Teil des Stroms durch das Steuerelement (das in einem parallelen Zweig zur Last liegt) fließt. Diese Verteilung hilft, eine stabile Spannung über der Last zu halten. Wenn die Lastspannung schwankt, sendet eine Abtastschaltung ein Rückführsignal an den Vergleichsverstärker. Der Vergleichsverstärker vergleicht dieses Rückführsignal mit einem Referenzeingang; der resultierende Unterschied bestimmt, wie viel Strom durch das Steuerelement fließen muss, um die Lastspannung konstant zu halten.

Definition des Reihenspannungsreglers

Die folgende Abbildung stellt einen Reihenspannungsregler dar:

Bei diesem Typ von Spannungsregler ist das Steuerelement in Reihe zur Last angeschlossen, daher der Name „Reihenspannungsregler“.

In einem Reihenspannungsregler ist das Steuerelement dafür verantwortlich, den Teil der Eingangsspannung zu regulieren, der am Ausgangsende ankommt, und fungiert als zwisehender Regelkomponente zwischen der unregulierten Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Ähnlich wie bei Shunt-Reglern wird hier auch ein Teil des Ausgangssignals über eine Abtastschaltung an den Vergleichsverstärker zurückgeführt, wo der Vergleichsverstärker das Referenzeingangssignal mit dem Rückführsignal vergleicht.

Anschließend wird aufgrund des Vergleichsergebnisses ein Steuersignal generiert und an das Steuerelement übertragen, das dann die Lastspannung entsprechend regelt.

Wesentliche Unterschiede zwischen Shunt- und Reihenspannungsreglern

• Verbindung des Steuerelements: Der Hauptunterschied liegt in der Anordnung des Steuerelements: Bei Shunt-Reglern ist es parallel zur Last angeschlossen; bei Reihenreglern in Reihe zur Last.

• Stromflusscharakteristiken: Bei Shunt-Reglern fließt nur ein Bruchteil des Gesamtstroms durch das Steuerelement, um eine stabile Gleichstromausgabe zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu fließt beim Reihenregler der gesamte Laststrom durch das Steuerelement.

• Regelgenauigkeit: Reihenspannungsregler bieten eine bessere Regelgenauigkeit im Vergleich zu Shunt-Spannungsreglern.

• Kompensation: Um die Lastspannung konstant zu halten, passen Shunt-Regler den Strom durch das Steuerelement an. Reihenregler modifizieren hingegen die Spannung über dem Steuerelement, um Ausgangsspannungsschwankungen auszugleichen.

• Wirkungsgradabhängigkeiten: Der Wirkungsgrad von Shunt-Reglern hängt vom Laststrom ab, was sie für wechselnde Lastbedingungen ungeeignet macht. Reihenregler hingegen haben einen Wirkungsgrad, der von der Ausgangsspannung abhängt.

• Designkomplexität: Shunt-Spannungsregler sind einfacher zu entwerfen als Reihenspannungsregler.

• Spannungsbereich: Shunt-Regler sind auf feste Spannungen beschränkt, während Reihenregler sowohl für feste als auch variable Spannungen geeignet sind.

• Kennlinien des Steuerelements: Bei Shunt-Konfigurationen ist das Steuerelement ein Komponente mit geringem Strom und hoher Spannung (da nur ein Teil des Laststroms durch es geleitet wird). Bei Reihenkonfigurationen ist das Steuerelement eine Komponente mit geringer Spannung und hohem Strom (da der gesamte Laststrom durch es fließt).

Fazit

Zusammenfassend dienen sowohl Shunt- als auch Reihenspannungsregler dem Kernzweck der Spannungsregelung, aber die Anordnung des Steuerelements in ihren jeweiligen Schaltungen führt zu unterschiedlichen Arbeitsmechanismen. Ihre Unterschiede in der Verbindung, dem Strommanagement, der Regelgenauigkeit und den Anwendungsszenarien machen jeden für spezifische Einsatzfälle geeignet, wie in der vorangegangenen Analyse detailliert erläutert.