Doğrusal Regülatörler Arasındaki Farklar Anahtarlı Regülatörler ve Seri Regülatörler

1. Doğrusal Regülatörler ve Anahtarlı Regülatörler

Bir doğrusal regülatör, çıkış voltajından daha yüksek bir giriş voltajı gerektirir. Giriş ve çıkış voltajları arasındaki fark—bu farka düşüş voltajı denir—iç regulasyon elemanının (örneğin bir transistörün) iç direncini değiştirerek kontrol edilir.

Bir doğrusal regülatörü, hassas bir “voltaj kontrol uzmanı” olarak düşünün. Aşırı giriş voltajıyla karşılaştığında, istenen çıkış seviyesini aşan kısmını “keserek” kararlı bir şekilde harekete geçer, bu sayede çıkış voltajının sabit kalmasını sağlar. “Kesilen” fazla voltaj sonunda ısı olarak dağılır, böylece sabit bir çıkış sağlanır.

Devre yapılandırma açısından, tipik bir seri doğrusal regülatör, hata amplifikatörü, referans voltaj kaynağı ve geçiş transistörünü kullanarak, çıkış voltajını sürekli olarak izleyip düzeltme işlevini gerçekleştiren kapalı döngü geri bildirim sistemini oluşturur.

Doğrusal regülatörler genellikle üç terminal regülatörler ve LDO (Düşük Düşüş Voltajı) regülatörlerden oluşur. İlki, nispeten büyük bir giriş-çıkış voltaj farkı gerektiren (genellikle ≥2 V) geleneksel bir yapıyı kullanır, bu da daha düşük verimliliğe yol açar ve orta ila yüksek güç uygulamalarına uygundur. Buna karşılık, LDO regülatörleri, en düşük düşüş voltajı (düşükse 0.1 V) için optimize edilmiş olup, giriş ve çıkış voltajlarının yakın olduğu durumlarda—örneğin pil ile çalışan cihazlarda—idealdir, ancak dikkatli termal tasarım gereklidir.

Şekil 1, doğrusal ve anahtarlı regülatörlerin çalışma ilkelerini göstermektedir.

Öte yandan, anahtarlı regülatörler, enerji transferinin doluluğunu ayarlamak için güç anahtarlama devrelerinin (örneğin MOSFET'lerin) iletkenlik ve kapanma zamanlarını kontrol eder. Giriş voltajı, endüktörler ve kondansatörler aracılığıyla enerji depolama ve filtreleme ile stabil bir ortalama çıkış voltajına dönüştürülür.

Ana karakteristiği “kesici tarz” regülatördür: giriş voltajı yüksek frekansla kesilir ve çıkışa aktarılan enerji anahtar doluluğu ayarlayarak kontrol edilir. Bu yaklaşım, doğrusal regülatörlere kıyasla çok daha yüksek verimlilik sağlar.

Anahtarlı regülatörlerin yaygın topolojileri arasında Buck (indirgeme), Boost (arttırma) ve diğerleri bulunur, geniş giriş voltaj aralıklarını destekleyerek, yüksek güç uygulamaları veya önemli giriş voltaj dalgalanmaları olan ortamlara uygundur.

Şekil 2, doğrusal ve anahtarlı regülatörler arasında bir karşılaştırma sunmaktadır. Belirli ihtiyaçlarınıza göre uygun türü seçebilirsiniz: düşük gürültü ve devre basitliği öncelikli olduğunda bir doğrusal regülatör seçin; yüksek verimlilik ve yüksek güç sağlama gerekliliği olduğunda bir anahtarlı regülatör tercih edin.

2. Seri Gerilim Düzenleyicileri

Bir seri gerilim düzenleyici, güç kaynağı ile yük arasında yer alır ve tıpkı hassas bir “gerilim düzenleme koruyucusu” gibi davranır. Çalışma prensibi, giriş geriliminin veya çıkış akımının değişmesine yanıt olarak değişken dirençli bir dirençin direncini dinamik olarak ayarlamayı içerir, bu da çıkış geriliminin belirlenmiş, sabit bir değerde kalmasını sağlar.

Modern elektronik teknolojide, seri düzenleyici IC'leri, geleneksel değişken dirençlerin yerine aktif cihazlar—MOSFET'ler veya bipolar jonksiyon transistörleri (BJT'ler)—kullanarak zarifçe değiştirir, bu da düzenleyicinin performansını ve güvenilirliğini önemli ölçüde artırır.

Seri gerilim düzenleyicinin devre yapılandırması hassas ve iyi yapılandırılmıştır, genel olarak aşağıdaki dört temel bileşenden oluşur:

● Çıkış Transistörü: Düzenleyicinin giriş ve çıkış pinleri arasında serile bağlanır, yukarı akım kaynaklarını ve aşağı akım yüklerini birleştiren bir köprü görevi görür. Giriş gerilimi veya çıkış akımı değişiklik gösterdiğinde, hata amplifikatörünün sinyali bu transistörün kapak gerilimini (MOSFET'ler için) veya baz akımını (BJT'ler için) hassas bir şekilde kontrol eder.

● Referans Gerilim Kaynağı: Hata amplifikatörü için istikrarlı bir referans olarak görev yapar, kritik bir rol oynar. Hata amplifikatörü, bu sabit referansa dayanarak çıkış transistörünün kapak veya bazını hassas bir şekilde düzenleyerek istikrarlı bir çıkış gerilimi sağlar.

● Geribildirim Dirençleri: Bu dirençler, çıkış gerilimini bölerek bir geribildirim gerilimi oluşturur. Hata amplifikatörü, bu geribildirim gerilimini referans gerilim ile karşılaştırarak hassas bir çıkış düzenlemesi gerçekleştirir. İki geribildirim direnci, VOUT ve GND pinleri arasında seri olarak bağlanır ve orta noktasındaki gerilim hata amplifikatörüne beslenir.

● Hata Amplifikatörü: Seri düzenleyicinin “akıllı beyni” olarak işlev görür, hata amplifikatörü geribildirim gerilimini (yani geribildirim direnç bölücü orta noktasındaki gerilim) referans gerilim ile dikkatlice karşılaştırır. Eğer geribildirim gerilimi referans gerilimin altında kalırsa, hata amplifikatörü MOSFET'e olan sürme gücünü artırarak, drain-kaynak gerilimini azaltır ve bu da çıkış gerilimini yükseltir. Aksi halde, eğer geribildirim gerilimi referans gerilimin üzerindeyse, amplifikatör MOSFET'in sürme gücünü azaltarak, drain-kaynak gerilimini artırır ve çıkış gerilimini buna göre düşürür.

Bu makalede, çeşitli türdeki gerilim düzenleyicilerin çalışma prensipleri, işlevleri ve devre yapılandırmalarını daha ayrıntılı inceledik. Bir sonraki bölümde, doğrusal düzenleyicilerin dinamik düzenleme mekanizmasını açıklayacağız ve üç terminal düzenleyiciler ile düşük düşüş (LDO) düzenleyiciler arasındaki farkları netleştireceğiz.