Elektronik 102 - Lektion 4 - ein einfacher Spannungsregler
In der vorherigen Lektion verbesserten wir die Verstärker, simuliert er und demonstriert seine Leistung SPICE.
In dieser Lektion werden wir einen Spannungsregler zu entwerfen, das Herz einer jede Stromversorgung.
Die Notwendigkeit für Spannungsregler
Der Zweck des Spannungsreglers ist eine stetige Versorgungsspannung an die Schaltungen zur Verfügung zu stellen Sie entwerfen.
Sie sind die am häufigsten verwendeten Schaltungen (jedes elektronische System, egal was es ist Funktion, hat mindestens eine), und doch sind sie oft wegen ihrer utilitaristischen Natur vernachlässigt.
Spannungsreferenz
Spannungsregler benötigen eine Referenz zu betreiben. Eine Spannungsreferenz ist ein Teil oder eine Schaltung, die eine stabile Spannung, wenn die Außenparameter wie Versorgungsspannung oder die Temperatur variieren liefert.
Die gebräuchlichste Spannungsreferenz ist die Zener-Diode ([1]). Eine Zener-Diode ist eine Diode, wo die Lawinendurchbruchverhalten optimiert wurde und quantifiziert, so dass die Diode sicher in diesem Bereich betrieben werden kann.
Wir können SwitcherCAD verwenden das Verhalten einer Zener-Diode zu erläutern.
Diese einfache Schaltung wird verwendet, ein weiteres Merkmal der SPICE-Software zu demonstrieren. Wir werden das Programm stellen die Spannung von der Quelle V1 und plotten die Spannung über die Zener-Diode als Folge zu fegen.
Erstellen Sie das Schema jetzt, Sie müssen nicht für jetzt einen beliebigen Wert in Quelle V1 einzugeben. Keine Sorge über die .DC Aussage am unteren Ende der schematischen, es ist nur eine Textzeile ich dort als Referenz gesetzt. Wenn Sie die schematische getan erstellen, klicken Sie auf Simulate-> Simulation bearbeiten Cmd dann „DC Sweep“ wählen.
Geben Sie die folgenden Werte:- Name der ersten Quelle zu fegen: V1
- Art der Sweep: Linear
- Startwert: -4
- Stopp Wert: 16
- Schrittweite: 0.1
Sie sollten einen Plan wie folgt erhalten:
Wir können auf etwa 6 V, folgt die Ausgangsspannung die Eingangsspannung die im Bereich von -0,5 beobachten. Darunter wird die Zener-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben und die Spannung über sie Niveaus um -0,5 bis -0,6 V, wie eine normale Diode.
Am Source-Spannungen oberhalb von etwa 6 V, beginnt die Zener Leiten von Strom und die Spannung über sie Werte um 6,2 V, die die Nenn Zenerspannung für diesen Teil ist.
Der negativer Spannungsbereich ist interessant, dass es zeigt, dass eine Zener-Diode wie eine reale Diode ist, wenn in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Allerdings beabsichtigen wir nicht, die Zener-Diode in dieser Region zu verwenden,
Der interessanteste Teil ist die Sperrvorspannung Bereich (bei Spannungen von V1 positiv sind). Der Zener-Effekt liefert eine Spannung ca. 6,2 V, die sehr stabil ist, verglichen mit der Quellenspannung.
Um herauszufinden, wie stabil, lassen Sie sich die Simulation erneut ausführen, sondern durch die Quelle zwischen 8 und 18 V fegen.
Die Änderung der Ausgangsspannung über die Änderung der Eingangsspannung, die es verursacht wird Netzausregelung genannt.
Netzausregelung = Delta (Vout) / Delta (Vin)
In diesem Fall ist die Änderung der Ausgangsspannung, wenn die Eingangsspannung ändert sich von 14 bis 16 V (a 2 V Wechsel) 20 mV, so dass die Leitungsregelung zwischen 14 und 16 V beträgt 1%.
Wenn wir die Quelle V1 mit einer Autobatterie ersetzen, würden wir die geregelte Zenerspannung erwarten zwischen 6,24 und 6,38 V, während die Batteriespannung ändert sich von 8 bis 16 V, eine erhebliche Verbesserung zu variieren.
Lassen Sie uns die Wirkung der Temperatur durch Zugabe einer .STEP Anweisung an die Simulation sehen.
Klicken Sie auf das Text-Symbol und geben Sie in das Textfeld ein:“.STEP TEMP LIST 0 25 50" , dann‚Richtlinie‘klicken und auf‚OK‘und die Simulation erneut ausführen.
Nun ist die Gesamtabweichung ist 6,24 bis 6,39 Volt, noch ausgezeichnet.
Shunt-Regler
Dieser Schaltungstyp wird Shunt-Regler genannt, weil das Regelelement parallel ist (im Gegensatz zu in der Reihe ist) mit der Last. Während unser schema (noch) nicht eine Last zeigt, ist die Last, jede von der geregelten Spannung versorgt Schaltung, die daher mit der Zener-Diode parallel gelegt werden würde.
Ein Merkmal des Shunt-Reglers, der ein Vorteil oder ein unbequeme sein kann je nachdem, wo und wie die Schaltung verwendet wird, ist, dass ein Shunt-Regler einen konstanten Strom von der Quelle anzieht. Der Strom von der Quelle gezogen wird, der Strom, der den Serienwiderstand fließt. Da der Strom, der durch den Serienwiderstand fließt durch nur eine Funktion der Quellenspannung ist, ist die Zener-Spannung, und der Wert des Widerstands, es konstant, solange die Source-Spannung konstant ist, und es ist nicht eine Funktion des Laststroms .
Der Vorteil ist, dass der Source-Strom unabhängig von dem Laststrom ist.
Der Nachteil ist, dass das Wirkungsgrad der Schaltung bei geringen Lastströmen sehr schlecht ist, so ist die Schaltung nicht für den Batteriebetrieb optimiert.
Es ist schwer, eine einfachere Schaltung vorstellbar, es nur zwei Grundkomponenten hat.
Auf der anderen Seite ist der verfügbare Strom begrenzt. Mal sehen, wie viel Strom wir aus diesem Kreislauf bekommen.
Berechnung des maximalen Laststrom
In dieser modifizierten Schaltung habe ich Widerstand R2 hinzugefügt, um eine Schaltung zu repräsentieren, die die Referenzspannung verwendet werden. Der Widerstand hat keinen Wert noch, es gibt es auf den Punkt zu veranschaulichen. Dieser Widerstand stellt die Last, und es wird eine bestimmte Menge an Strom ziehen. Wir müssen sicherstellen, dass der Regler den Strom liefern kann, dass durch die Schaltung durch den Widerstand R2 repräsentiert benötigt wird.
Der Strom geht durch D1 und R2 aus Widerstand R1 kommen müssen, so dass der Strom, der durch R1 fließt, wird zwischen R2 und die Zener-Diode teilen.
IR1 = ID1 + IR2
In unserer Beispielschaltung, wenn die Quellenspannung 12 V ist, ist die Spannung über die Zener-6,34 V, so dass die Spannung über den Widerstand R1 beträgt 5,66 V, so dass der Strom in dem Widerstand wird 5,66 / 1000 oder 5,66 mA betragen.
Wenn der Laststrom (Strom durch R2) überall in der Nähe von 5,66 mA wird, wird die Zener-Diode ausgehungert wird (Strom durch sie sehr niedrig oder null sein werden) und es wird nicht seine Aufgabe, die Spannung zu regulieren. Lassen Sie uns herausfinden, wie viel Strom wir durch einen Blick auf die Spezifikation durch D1 einspeisen kann.
Für das vollständige Dokument, klicken Sie auf das Bild.
Wir sehen aus dem Maximum Ratings Abschnitt der Spezifikation, die die maximalen Verlustleistung beim regulären PWB Material, wie zB FR-4 und bei 25 Grad C unter Verwendung von Umgebungs beträgt 225 mW. Wir kennen die Zener-Spannung, so ist es leicht zu berechnen, wie viel Strom wir zum Teil anwenden können.
Imax = Pmax / VZener
In diesem Fall ist der maximale Strom 0,225 / 6,2 = 0,036 A, oder 36 mA.
Wenn Sie die Hinweise auf dem Datenblatt zu lesen, können Sie sehen, dass 225 mW die absolute Höchstnote bei 25 Grad C Umgebungs ist. Das Datenblatt gibt Ihnen auch die thermische Beständigkeit und die de Bewertung für Temperaturen über 25 Grad.
um nicht mehr als 50% der absoluten Höchstbewertung Ohne in die Einzelheiten dieser Berechnungen gerade jetzt, eine gutes Design der Praxis ist der maximalen Strom in unserer Schaltung zu begrenzen. Das ist 18 mA.
Jetzt müssen wir überlegen, was passiert, wenn die Versorgungsspannung am Minimum ist. Nimmt man das Beispiel des Autoradio kann die minimale Spannung aus der Batterie so gering wie 8 V. Bei einer Versorgungsspannung von 8 V, wird der Strom durch R1 sein, nur:
IR1 = (Vsource - VZener) / R1
Diese berechnet auf 1,8 mA.
Also, wenn diese Schaltung in einem Autoradio verwendet wurde, um eine geregelte 6,2 V zu einigen empfindlichen Schaltungen zu schaffen, könnten wir bis zu 1,8 mA ziehen, ohne Regulierung zu verlieren, und ohne zu riskieren, die Zener die Luft zu sprengen, wenn die Batteriespannung maximal ist.
In der Praxis, wie wir nur den maximalen Strom bewerten De, würden wir wollen nicht vollständig die Zener verhungern und die Spannung in der Regulierung, um sicherzustellen, bleibt, haben wir eine Mindestmenge an Strom in den Zener halten sollen. Das Datenblatt listet die Zenerspannung für 3 Stromwerte von 1, 5 und 20 mA, also, während es legitim ist, gegeben zwischen den Werten zu interpolieren, wird es weniger empfohlen, den Teil außerhalb des Bereichs von Werten zu verwenden gegeben, also sollen wir halten ein Minimum von 1 mA obwohl die Zener für sie gut zu funktionieren.
Das bedeutet, dass wir bis zu 0,8 mA verfügbaren Strom für die Last haben.
Immer mehr Strom eine Serie Pass-Regler mit
Was sollen wir tun, wenn 0,8 mA nicht genug?
Lösung 1 ist einfach wenig zu implementieren und kosten, aber es bietet keine große Verbesserung. In diesem Fall ist der maximale Zener Strom ist 18 mA, dass auch der maximal mögliche Laststrom.
Im allgemeinen Lösung 2 nicht zu viel Sinn, da eine höhere Leistung Zener sind schwerer zu bekommen und die Schaltung schnell viel Energie verschwenden würde. Mit dem Trend für batteriebetriebene Geräte, ist es wichtig, mit den Lösungen vertraut zu sein, die Energie nicht verschwenden, oder die minimalen Abfall erforderlich, um die Funktion auszuführen.
Lösung 3 ist ein wenig komplexer, bietet aber mehr Flexibilität und ist effizienter.
Also werden wir versuchen Lösung 3.
Es ist eine bekannte Schaltung, die die Funktion ausführt, die wir brauchen, so ohne weiteres, da ist es:
Sie sollten sofort ein paar Dinge bemerken. Wir haben ein neues SPICE Symbol I1, die eine Stromquelle ist. Sie sind nun mit der Spannungsquelle, wie zum Beispiel V1 in dieser Schaltung vertraut. Die Spannungsquelle mit einer Spannung programmiert und liefert diese Spannung, egal wie viel Strom wir brauchen. Das ist die Schönheit von SPICE, die nicht die Grenzen der realen Hardware hat :-)
In ähnlicher Weise wird die Stromquelle jede Spannung erzeugen benötigt, um die Menge an Strom ziehen wir angefordert.
Sie können die Stromquelle aus dem Component-Menü auswählen, einfach finden und klicken Sie auf „Strom“.
Die Stromquellen sind nicht so intuitiv wie Spannungsquellen, also nicht zu besorgt sein, wenn das Konzept scheint seltsam. Folgen Sie einfach, was wir mit ihm tun werden und im Laufe der Zeit wird es vertraut zu Ihnen.
I habe betrogen. Ich wollte eine gut bekannte Schaltung demonstrieren, die ein 5 V-Regler ist. Die vorhergehende Schaltung war ein 6,2 V-Regler, die zwar ausreichend für den Zweck der Übung, wird selten verwendet. 5 V ist eine viel gemeinsame Spannung, und die 5,6 V Zener wird oft in einer Schaltung wie die, verwendete ich gerade beschrieben wurde. Aber die SwitcherCAD Bibliothek hat keine 5,6 V Zener umfassen.
Wenn Sie auf die Motorola-Spezifikation (die volle PDF-Dokument, nicht der Ausschnitt oben) beziehen, werden Sie feststellen, dass einige Teilnummern sind fett gedruckt. Die Note gibt an, dass diese Teilnummern bevorzugt. das heißt, sie sind viel eher auf Lager sein. Der 5,6V Teil ist fett gedruckt, so ist es sinnvoll, es zu übernehmen sollte in der Bibliothek gewesen sein. Bedenkt man, wie viel wir für SwitcherCAD bezahlt, werden wir Linear Technology für nicht mit enthalten alle möglichen Teilenummern vergeben.
Wie komme ich einen 5,6 V Zener in SwitcherCAD?
Ich musste schließen und wieder öffnen SwitcherCAD, da das Programm offenbar die Bibliotheken liest, wenn das Programm gestartet wird, und nachdem ich die Datei geändert, dauert es nicht automatisch neu zu laden.
OK, genug, um mit SwitcherCAD Bibliothek, der Transistor wir zu dem Shunt-Regler hinzugefügt wird, in einer Konfiguration, als Emitter-Folger bekannt. Das heißt, die Spannung am Emitter die Spannung an der Basis folgt (mit typischerweise von 0,6 bis 0,7 Volt kleine Offset). Die Spannungsverstärkung eines solchen Schaltkreises ist geringfügig kleiner als 1 ist.
Also, wenn die Basisspannung bei 5,6 V gehalten wird, wird die Spannung am Emitter seines etwa 4,9 bis 5,0 Volt.
Bevor es weiter gehen, stellen Sie sicher, dass Sie V1 programmierten eine 12-V-Spannungsquelle zu sein.
Um die Simulation interessanter zu machen, werden wir einen DC-Sweep auf dem aktuellen tun.
Klicken Sie auf Simulate-> Simulation bearbeiten Cmd und wählen Sie DC-Sweep. Geben Sie die Werte wie folgt:- Name der ersten Quelle zu fegen: I1
- Art der Sweep: Linear
- Startwert: 0
- Stop Value0.1
- Erhöhungsschritte: 0.001
Die Änderung der Ausgangsspannung über die Änderung des Ausgangsstrom, den es verursacht wird Lastausregelung genannt. Es wird gemessen, in der Regel, wenn der Ausgangsstrom über einen bestimmten spezifizierten Bereich, wie beispielsweise 50% bis 100% verändert wird.
Lastregelung wird in Prozent der Ausgangsspannung oder im Absolutwert ausgedrückt.
Wenn wir es als eine Spannungsänderung über die Stromänderung auszudrücken, die sie verursacht hat, wird es Ausgangswiderstand genannt werden, da der Wert eines Widerstands eual auf das Verhältnis von Spannung über sie im Vergleich zu Strom durch sie ist.
Lastausregelung = Delta (Vout) / Mittelwert Vout
Ausgangswiderstand = Delta (Vout) / Delta (Iout)
In diesem Fall ist die Variation der Ausgangsspannung, wenn die Laststromänderungen von 50 bis 100 mA betragen 40 mV, so dass der Ausgangswiderstand .04 / .05 = 0,8 Ohm für eine 50% Änderung des Laststroms ist.
Die Lastregelung ist 0,04 / 4,92 = 0,81%
Beachten Sie, wie die Spannung schnell bei niedrigen Strömen kriecht (unter einigen mA). Dies ist aufgrund der Tatsache, daß der Basisstrom, bei sehr leichtem Laststrom, der Laststrom = / Hfe, ist so klein, daß die Basisspannung zu erzeugen, notwendig ist es sehr klein wird, viel niedriger als die typischen 0,6 bis 0,7 V.
I hinzugefügt Widerstand R2 (100 kOhm), um einen Mindestlaststrom zur Verfügung zu stellen, ohne daß der Widerstand würde die Spannung kriecht noch bei Lichtstromwerten I1. Sie können versuchen, R2 zum Beispiel (1 meg Ohm) bis 1000k zu ändern.
Auf der anderen Seite bemerkt, dass diese Schaltung liefert nun 100 mA gut während Regelung zwischen 4,85 und 5,05 V bei Strömen zwischen etwa 5 mA und 100 mA gehalten wird.
Dies wäre perfekt maximal 5 V betriebene Mikroprozessoren zu fahren.
Ripple Rejection
Der Ripple Rejection ist ein weiteres Maß für die Fähigkeit des Reglers Spannungsschwankungen zu verwerfen. Jedoch Leitungsregelung, wie oben definiert, wird mit statischen (sich langsam ändernde) Eingangsspannungsänderungen gemessen, wobei Ripple Rejection mit sich schnell ändernden Eingangsspannung gemessen wird, in der Regel an der Netzfrequenz (60 Hz), oder es ist der zweiten Harmonischen (120 Hz).
Wenn wir echte Instrumente verwenden, würden wir die Ripple Rejection durch Übereinanderlegen eine kleine Wechselspannung über die Gleichstrom-Eingangsspannung messen, dann am Ausgang des Reglers die Amplitude desselben Signals zu messen und das Verhältnis zu berechnen. Zum Beispiel könnten wir eine 1 V AC Spitzenspannung (2 V p-p) gelten, weil es auch in dem Regelbereich des Reglers ist und es macht Berechnungen einfacher.
Wir können die gleiche Technik mit Spice verwenden, obwohl Spice bietet eine weitere Methode, die wir in der nächsten Lektion studieren. Der Einfachheit halber werden wir die Ripple Rejection bei 1 kHz messen.
Hier ist die Handlung des Ausgangswelligkeit (bitte beachten Sie die Spannungsskala):
Dies ist der Plot der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung auf dem gleichen Maßstab zeigt, ist es einfacher, die Welligkeit Reduktion auf diese Weise zu schätzen:
Das Diagramm zeigt, dass, wenn der Schaltkreis aus einer Quelle mit 2 V pp der Welligkeit gespeist wird (wir die Quelle 12 V DC mit einem 1 V Peak-Signal gesetzt werden, um es überlagert ist, können Sie mit dem Cursor, um zu überprüfen), es bietet ein geregelter Ausgang mit ca. 30 mV pp der Welligkeit.
- Wie viel Strom können wir aus dem Regler ziehen, bevor die Verordnung wirklich schlecht wird? (Sie können SwitcherCAD verwenden zu experimentieren).
Was sind die limitierenden Faktoren zu bekommen mehr Strom? - Zeichnen Sie die Spannung an der Basis des Transistors auf dem gleichen Diagramm wie die Ausgangsspannung den Unterschied zu sehen. Erklären Sie den Unterschied.
- Berechnen Sie die Ripple Rejection Ratio in dB. Da Welligkeit gemessen in Volt und nicht in Watt, ist die Gleichung 20 * log (V2 / V1).
- Plotten die Temperaturschwankung der Ausgangsspannung bei 25, 50 und 75 Grad C.
Schlussfolgerungen dieser Lektion
- Wir haben festgestellt, dass die Spannungsregler ein notwendiger Bestandteil der meisten modernen elektronischen Schaltungen sind.
- Spannungsregler benötigen eine Spannungsreferenz, in der Regel eine Zener-Diode.
- Spannungsregler sind durch ihre Leitungs- und Lastregelung, Welligkeitsunterdrückungs und Temperaturstabilitätseigenschaften gekennzeichnet.
- Wir haben gelernt, wie SPICE zu verwenden, um diese Werte zu erhalten.
In den nächsten Stunden werden wir den Spannungsregler mit einem Verstärkungsstufe getrennt von der Leistungsstufe verbessern.