Регулятор напруги з перших принципів - чому потужність скидається в транзистор?

15

Я намагаюся продовжити своє розуміння електроніки, тому я вирішив спробувати створити фіксований регулятор напруги, здатний подавати підсилювач або близько того. Я поєдную це з перших принципів, не посилаючись на якісь посилання на те, як зазвичай розроблені регулятори напруги.

Мої думки були:

Ценер і резистор для забезпечення фіксованого опорного напруги.
Порівняльник для виявлення, коли вихідна напруга була вище цільового порогу.
Транзистор для включення та вимкнення живлення.
Конденсатор виступає як резервуар.

Зважаючи на це, я створив цей фіксований 5В-регулятор, який, здається, працює:

Я помітив, однак, це те, що він має певні обмеження, які я не можу зрозуміти причиною:

Струм від V1 (вхід) приблизно дорівнює струму на R2 (вихід), незважаючи на різну напругу. Здається, це відповідає поведінці лінійних регуляторів напруги (це те, що я щойно створив?), Але я не впевнений, чому це відбувається. Чому стільки енергії відводиться від Q2, вважаючи, що це просто вмикання та вимикання?
Коли V1 менше приблизно 7,5 В, вихідна напруга ніколи не досягає порогу 5В, а замість цього наближається до 4В. Я спробував це з різними навантаженнями, але він просто не працює нижче цієї вхідної напруги. У чому причина цього?

— Поліном
джерело

Існуючі відповіді вже стосуються причин того, що ви бачите. Спробуйте ввести трохи позитивних відгуків навколо свого "компаратора" opamp, щоб змусити його поводитись трохи більше, як комутатор - просто як вправу ...

— brhans

1

"Порівняльник для виявлення ..." - У вашому ланцюзі немає компаратора, а лише підсилювач. Якщо замінити його фактичним компаратором, ви можете побачити різні (не обов'язково кращі ) поведінки.

— marcelm

1

Зауважте, що навіть якщо транзистор був повністю повністю включений або повністю відключений, він все одно буде лінійним регулятором - ви просто використовуєте опір проводів, а не роблячи опір транзистору.

— користувач253751

11

Я поєдную це з перших принципів, не посилаючись на якісь посилання на те, як зазвичай розроблені регулятори напруги.

Не вдалий старт, але ви фактично закінчилися майже точною конструкцією більшості лінійних регуляторів. Але "перший принцип", про який ви забули, - це лінійна область MOSFET . Ви пробували цю річ у тренажері? Система осідає в точці, коли транзистор наполовину включений, розсіюючи потужність як резистор.

Коли V1 менше приблизно 7,5 В, вихідна напруга ніколи не досягає порогу 5В, а замість цього наближається до 4В. Я спробував це з різними навантаженнями, але він просто не працює нижче цієї вхідної напруги. У чому причина цього?

Це називається "напруга випадання". Це пов’язано з обмеженнями в тому, наскільки близько до вхідних рейок підсилювач здатний керувати автомобілем; Ви втрачаєте приблизно 0,7 В у вихідному транзисторі підсилювача і ще 0,7 В через порогову напругу MOSFET.

Можливо, вам вдасться зробити краще з кращим підсилювачем, ніж стародавній, застарілий 741. В іншому випадку ви намагаєтесь спроектувати те, що називається LDO: регулятор низького виходу.

— pjc50
джерело

facepalm - це все, що я знав, але не зміг застосувати в контексті. Дякую.

— Поліном

1

Я мушу зазначити, що це було суто розроблено в тренажері, і так, саме так і відбувається. Я не зовсім божевільний, щоб скласти щось подібне з реальними частинами, не посилаючись на посилання.

— Поліном

9

Лінійний регулятор - це в основному розумний резистор - транзистор тут грає роль резистора.

— Ecnerwal

5

Чому це не вдалий старт? (припустимо, що це проект хобі / навчання не для виробництва)

— user253751

5

Чому стільки енергії відводиться від Q2, вважаючи, що це просто вмикання та вимикання?

Оскільки це не схема регулятора комутації - це лінійний регулятор, який ви створили.

Струм від V1 (вхід) приблизно дорівнює струму на R2 (вихід), незважаючи на різну напругу. Здається, це відповідає поведінці лінійних регуляторів напруги (це те, що я щойно створив?)

Так, у вас є.

Коли V1 менше приблизно 7,5 В, вихідна напруга ніколи не досягає порогу 5В

Вам потрібно близько пари вольт на воротах (щодо джерела), щоб почати включати MOSFET. Це повинно виходити з підсилювача і, ймовірно, «втрачає» близько вольта на його виході порівняно з вхідною силою. Отже, якщо ви хочете вихідну напругу 5 вольт, тоді вам потрібно вхідне джерело близько 8 вольт, і це буде на невеликі навантаження.

При великих навантаженнях напруга на джерелі затвора може бути 3 або 4 вольт. Тепер вам, мабуть, знадобиться вхідне джерело, яке становить близько 10 вольт, щоб тримати вихід регулятора на рівні 5 вольт.

Дотримуйтесь поваги до простого регулятора, особливо тих, які мають низький рівень випаду !!

— Енді ака
джерело

Крім того, струм стабілітра дуже низький навіть при 10 В, його всього 5 м, пристрій задається ближче до 50 МА. Напруга зенера знизиться при менших зворотних струмах. Якщо ви очікуєте такого широкого діапазону, я б замість цього використав пристрій напруги.

— Trevor_G

"Поважай простий регулятор" - справді! Я дійсно не оцінив, скільки інженерії йде у скромний LDO!

— Поліном

Так, інженерії багато. Тут ми навіть не почали говорити про стабільність, PSRR або шум.

— pjc50

Ви можете спробувати MOSFET живлення P_channel. Оскільки це працює в INVERTING_MODE, порівняно з тим, як використовується N_channel IRFP054, вам потрібно буде перевернути входи OpAmp.

— analogsystemsrf

1

Це , можливо , варто відзначити , що навіть якщо MOSFET були бути використані в якості перемикача , а не в лінійній області, він би все одно доведеться розсіювати значну кількість тепла, тому що ви намагаєтеся заряд конденсатора від джерела напруги, який ніколи не можуть бути більш ніж на 50% ефективними.

— перицинтіон

3

Конструкція нормальна, за винятком того, що випадання FET LDO може бути нижчим, ніж BDT LDO, але компенсація FET може вимагати ESR обмеженого діапазону для стабільності і дозволяти пульсацію для зворотного зв'язку.

Ви можете зробити його до 98% ефективним завдяки хорошому вибору індуктора з низьким перемикачем RDSOn і низьким дроселем DCR. Тепер у вас є регулятор долара. Моделювання тут

— Тоні Стюарт Сунніскігуй EE75
джерело

Це дійсно стара відповідь, але я не дуже впевнений, що це регулятор долара. Він має лише один перемикаючий елемент, а транзистор все ще розсіює значну кількість потужності.

— Вогнище

@Felthry Чому сумніваюся в моєму моделюванні, перевірте Zener Vz за допомогою миші, додайте Tranny до області, змініть область для відображення ватт макс., Хв для Vce, Ice, зверніть увагу на змінний вхід трикутника V та імпульсне навантаження від 0,7 до 1,9A, а потім змініть NPN до NFET (видалити, намалювати FET) змінити gm на 1 до 5 та додати в Scope, змінити на Watts min, max, додати DCR на L, перетягнути кут частини зі зрушенням або ^ клавішу? до гумового режиму, щоб розтягнути стискати або обертати. Доведіть, що це працює або наскільки краще ви можете це зробити. Змініть кришку, щоб додати низький показник ШОЕ, а потім додайте 0,1uF з нижчим коефіцієнтом ESR.

— Тоні Стюарт Сунніскігуй EE75

Ну для однієї речі я можу побачити просто наведення курсору на транзистор, що він розсіюється вгору на 20 Вт короткими розривами і регулярно розсіює кілька ваттів, що не повинно статися в перетворювачі комутації. Як не дивно, ви не можете побудувати графік розсіювання потужності в транзисторах на тренажері Falstad.

— Вогнище

Ви можете бачити Вт в масштабі масштабу, але графік потужності в FET, тут PFET налаштований на 90% ефективності 125 Вт імпульс навантаження повним кроком 50% з 2 В пульсаційним входом і 5 мВ пульсацією. tinyurl.com/ya5gyufe . Деякі частини включають ШОЕ, важливий вибір БНТ. @Felthry

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

0

Потужність скидається в транзистор, тому що це елемент серії, тому весь струм для навантаження повинен проходити через нього, в той же час він повинен скинути різницю між вхідною напругою і вихідною напругою.

— Мартін
джерело

-1

У чому причина цього?

З подачею на Thee opamp на v1, максимальна вихідна напруга на підсилювачі opamp та the MOSFETs - v1. Для роботи MOSFET знадобляться деякі vgs, пісок, який зазвичай становить від 2 до 5 В, залежно від використовуваного MOSFET. 0,7 В для біт і 1,3 В для Дарлінгтона.

Це означає, що максимум, яке може бачити джерело MOSFET, становить від 1 до 2 до 5 В. Це саме те, що ви побачили.

— dannyf
джерело