Verschillen tussen lineaire regelaars schakelregelaars en serie-regelaars

1. Lineaire regelaars versus schakelregelaars

Een lineaire regelaar vereist een ingangsspanning die hoger is dan de uitgangsspanning. Het handelt het verschil tussen de ingang- en uitgangsspanningen - bekend als de dropout spanning - af door de impedantie van zijn interne regelend element (zoals een transistor) te variëren.

Stel je een lineaire regelaar voor als een precieze "spanningscontrole expert". Wanneer deze te maken heeft met een te hoge ingangsspanning, handelt hij resoluut door het gedeelte dat de gewenste uitgangsniveau te boven gaat, "af te snijden", zodat de uitgangsspanning constant blijft. De overtollige spanning die wordt "weggesneden" wordt uiteindelijk afgevoerd als warmte, waardoor een stabiele uitgang wordt onderhouden.

Wat betreft de schakeling, gebruikt een typische serie-lineaire regelaar een foutversterker, een referentiespanningsbron en een pass-transistor om een gesloten lus feedback systeem te vormen dat continu de uitgangsspanning in real-time monitort en corrigeert.

Lineaire regelaars omvatten voornamelijk drie-polige regelaars en LDO (Low Dropout) regelaars. De eerste maakt gebruik van een conventionele architectuur die een relatief groot verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning vereist (typisch ≥2 V), wat resulteert in een lagere efficiëntie, en geschikt is voor toepassingen met middelbare tot hoge vermogens. Daarentegen zijn LDO-regelaars geoptimaliseerd voor minimale dropout spanning (tot zo laag als 0,1 V), waardoor ze ideaal zijn voor scenario's waarbij de ingangs- en uitgangsspanningen dicht bij elkaar liggen - zoals in batterijgestuurde apparaten - hoewel een zorgvuldige thermische ontwerp benodigd is.

Figuur 1 illustreert de werking van lineaire en schakelregelaars.

Schakelregelaars daarentegen, controleren de geleidings- en uitschakelingstijden van stroomschakelaars (bijvoorbeeld MOSFETs) om de duty cycle van energieoverdracht aan te passen. De ingangsspanning wordt vervolgens omgezet in een stabiel gemiddelde uitgangsspanning door energieopslag en filtering door spoelen en condensatoren.

Hun kernkenmerk is "chopper-stijl" regeling: de ingangsspanning wordt op hoge frequentie gekapt, en de naar de uitgang overgebrachte energie wordt geregeld door de schakelduty cycle aan te passen. Deze methode bereikt aanzienlijk hogere efficiëntie in vergelijking met lineaire regelaars.

Gemeenschappelijke topologieën van schakelregelaars omvatten Buck (step-down), Boost (step-up) en andere, die brede ingangsspanningsbereiken ondersteunen en daarom goed geschikt zijn voor toepassingen met hoge vermogens of omgevingen met aanzienlijke fluctuaties in de ingangsspanning.

Figuur 2 biedt een vergelijking tussen lineaire en schakelregelaars. U kunt het juiste type kiezen op basis van uw specifieke behoeften: kies een lineaire regelaar wanneer lage ruis en circuitsimpliciteit prioriteit hebben; kies een schakelregelaar wanneer hoge efficiëntie en hoge vermogenslevering vereist zijn.

2. Serie spanningregelaars

Een serie spanningregelaar wordt geplaatst tussen de stroombron en de belasting, waarbij het fungeert als een precieze "spanningsregelwachter". Het werkingprincipe ervan omvat het dynamisch aanpassen van de weerstand van een variabele weerstand in reactie op veranderingen in de ingangsspanning of uitgangsstroom, waardoor de uitgangsspanning op een stabiele, vooraf ingestelde waarde wordt gehouden.

In de moderne elektronische technologie gebruiken serie regelaar IC's actieve componenten - zoals MOSFET's of bipolaire junction transistors (BJT's) - om traditionele variabele weerstanden elegant te vervangen, wat de prestaties en betrouwbaarheid van de regelaar aanzienlijk verbetert.

De schakeling van een serie spanningregelaar is precies en goed gestructureerd, en bestaat voornamelijk uit de volgende vier kerncomponenten:

● Uitgangstransistor: Verbonden in serie tussen de ingangs- en uitgangspennen van de regelaar, vormt deze een brug tussen de bovenstroomse stroombron en de nevenstroomse belasting. Wanneer er fluctuaties optreden in de ingangsspanning of de uitgangsstroom, regelt het signaal van de foutversterker de poortspanning (voor MOSFET's) of de basisstroom (voor BJT's) van deze transistor nauwkeurig.

● Referentiespanningsbron: Deze dient als stabiel referentiepunt voor de foutversterker en speelt een cruciale rol. De foutversterker vertrouwt op deze vaste referentie om de poort of basis van de uitgangstransistor nauwkeurig te regelen, waardoor een stabiele uitgangsspanning wordt gewaarborgd.

● Feedbackweerstanden: Deze weerstanden delen de uitgangsspanning om een feedbackspanning te genereren. De foutversterker vergelijkt deze feedbackspanning met de referentiespanning om een nauwkeurige uitgangsregeling te bereiken. De twee feedbackweerstanden zijn in serie verbonden tussen de VOUT en GND pennen, en de spanning op hun middelpunt wordt ingevoerd in de foutversterker.

● Foutversterker: Fungerend als de "intelligente hersenen" van de serie regelaar, vergelijkt de foutversterker zorgvuldig de feedbackspanning (d.w.z. de spanning op het middelpunt van de feedbackweerstandsdivider) met de referentiespanning. Als de feedbackspanning onder de referentiespanning valt, verhoogt de foutversterker de aandrijfsterkte naar de MOSFET, waardoor de drain-source spanning afneemt en de uitgangsspanning stijgt. Omgekeerd, als de feedbackspanning de referentiespanning overschrijdt, vermindert de versterker de aandrijfsterkte van de MOSFET, waardoor de drain-source spanning toeneemt en de uitgangsspanning daalt.

In dit artikel hebben we dieper ingegaan op de werkingsprincipes, functies en schakelingen van verschillende soorten spanningregelaars. In de volgende aflevering zullen we het dynamische regelmechanisme van lineaire regelaars uitleggen en de verschillen tussen driedraadregelaars en LDO (Low Dropout) regelaars verduidelijken.