Differenze tra Regolatori Lineari Regolatori a Commutazione e Regolatori in Serie

1.Regolatori Lineari vs. Regolatori a Commutazione

Un regolatore lineare richiede una tensione di ingresso superiore alla tensione di uscita. Gestisce la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita, nota come tensione di dropout, variando l'impedenza del suo elemento regolatore interno (come un transistor).

Pensa a un regolatore lineare come a un esperto "di controllo della tensione." Di fronte a una tensione di ingresso eccessiva, agisce in modo decisivo "tagliando" la parte che supera il livello desiderato di uscita, assicurando che la tensione di uscita rimanga costante. La tensione eccessiva "rimossa" viene infine dissipata sotto forma di calore, mantenendo stabile l'uscita.

In termini di configurazione del circuito, un tipico regolatore lineare in serie utilizza un amplificatore di errore, una sorgente di riferimento di tensione e un transistor passante per formare un sistema di feedback a ciclo chiuso che monitora e corregge continuamente la tensione di uscita in tempo reale.

I regolatori lineari includono principalmente i regolatori a tre terminali e i regolatori LDO (Low Dropout). Il primo utilizza un'architettura convenzionale che richiede una differenza di tensione di ingresso-uscita relativamente grande (tipicamente ≥2 V), risultando in un'efficienza inferiore, ed è adatto per applicazioni a media-alta potenza. In contrasto, i regolatori LDO sono ottimizzati per una tensione di dropout minima (fino a 0.1 V), rendendoli ideali per scenari in cui le tensioni di ingresso e uscita sono vicine, come nei dispositivi alimentati a batteria, sebbene sia necessario un accurato design termico.

La Figura 1 illustra i principi di funzionamento dei regolatori lineari e a commutazione.

D'altra parte, i regolatori a commutazione controllano il timing di conduzione e spegnimento degli interruttori di potenza (ad esempio, MOSFET) per regolare il ciclo di lavoro del trasferimento di energia. La tensione di ingresso viene quindi convertita in una tensione di uscita media stabile attraverso lo stoccaggio e il filtraggio dell'energia da parte di induttori e condensatori.

La loro caratteristica centrale è la regolazione "a tranciatura": la tensione di ingresso viene tranciata ad alta frequenza, e l'energia fornita all'uscita è controllata regolando il ciclo di lavoro degli interruttori. Questo approccio raggiunge un'efficienza significativamente superiore rispetto ai regolatori lineari.

Le topologie comuni dei regolatori a commutazione includono Buck (riduzione), Boost (aumento) e altre, supportando ampie gamme di tensione di ingresso e rendendoli adatti per applicazioni ad alta potenza o ambienti con fluttuazioni significative della tensione di ingresso.

La Figura 2 fornisce un confronto tra i regolatori lineari e quelli a commutazione. Puoi scegliere il tipo appropriato in base alle tue esigenze specifiche: scegli un regolatore lineare quando la priorità è il basso rumore e la semplicità del circuito; opta per un regolatore a commutazione quando sono richiesti alta efficienza e alta erogazione di potenza.

2. Regolatori di Tensione in Serie

Un regolatore di tensione in serie è posizionato tra la sorgente di alimentazione e il carico, agendo come una precisa "sentinella della regolazione della tensione". Il suo principio di funzionamento prevede l'adattamento dinamico della resistenza di un resistore variabile in risposta alle variazioni della tensione di ingresso o della corrente di uscita, mantenendo così la tensione di uscita a un valore stabile e preimpostato.

Nella tecnologia elettronica moderna, i circuiti integrati regolatori in serie utilizzano dispositivi attivi—come MOSFET o transistor a giunzione bipolare (BJT)—per sostituire elegantemente i tradizionali resistori variabili, migliorando significativamente le prestazioni e l'affidabilità del regolatore.

La configurazione del circuito di un regolatore di tensione in serie è precisa e ben strutturata, composta principalmente dai seguenti quattro componenti fondamentali:

● Transistor di Uscita: Collegato in serie tra i pin di ingresso e di uscita del regolatore, funge da ponte tra la sorgente di alimentazione a monte e il carico a valle. Quando si verificano fluttuazioni nella tensione di ingresso o nella corrente di uscita, il segnale proveniente dall'amplificatore di errore controlla con precisione la tensione di gate (per i MOSFET) o la corrente di base (per i BJT) di questo transistor.

● Sorgente di Tensione di Riferimento: Funge da riferimento stabile per l'amplificatore di errore ed ha un ruolo fondamentale. L'amplificatore di errore si basa su questa tensione fissa di riferimento per regolare con precisione il gate o la base del transistor di uscita, garantendo così una tensione di uscita stabile.

● Resistori di Retroazione: Questi resistori suddividono la tensione di uscita per generare una tensione di retroazione. L'amplificatore di errore confronta questa tensione di retroazione con la tensione di riferimento per ottenere una regolazione precisa dell'uscita. I due resistori di retroazione sono collegati in serie tra i pin VOUT e GND, e la tensione nel loro punto medio viene inviata all'amplificatore di errore.

● Amplificatore di Errore: Funzionante come il "cervello intelligente" del regolatore in serie, l'amplificatore di errore confronta attentamente la tensione di retroazione (cioè la tensione nel punto medio del partitore resistivo di retroazione) con la tensione di riferimento. Se la tensione di retroazione è inferiore alla tensione di riferimento, l'amplificatore di errore aumenta l'intensità del segnale di pilotaggio verso il MOSFET, riducendo la sua tensione drain-source e innalzando così la tensione di uscita. Al contrario, se la tensione di retroazione supera quella di riferimento, l'amplificatore riduce l'intensità del segnale di pilotaggio del MOSFET, aumentando la tensione drain-source e abbassando di conseguenza la tensione di uscita.

In questo articolo abbiamo ulteriormente esplorato i principi di funzionamento, le funzioni e le configurazioni circuitali di diversi tipi di regolatori di tensione. Nel prossimo capitolo, spiegheremo il meccanismo di regolazione dinamica dei regolatori lineari e chiariremo le differenze tra regolatori a tre terminali e regolatori LDO (Low Dropout).