Spannungsregler nach ersten Grundsätzen - warum wird Leistung in den Transistor entlassen?

15

Ich versuche, mein Verständnis der Elektronik zu vertiefen, und habe mich daher entschlossen, einen Festspannungsregler zu entwickeln, der etwa einen Verstärker versorgen kann. Ich habe dies aus den ersten Prinzipien zusammengestellt, ohne auf irgendeine Art von Referenz darüber zu verweisen, wie Spannungsregler normalerweise konstruiert sind.

Meine Gedanken waren:

  • Zener und Widerstand zur Bereitstellung einer festen Spannungsreferenz.
  • Komparator zur Erkennung, wann die Ausgangsspannung über der Zielschwelle lag.
  • Transistor zum Ein- und Ausschalten der Versorgung.
  • Kondensator als Reservoir.

Vor diesem Hintergrund habe ich diesen festen 5-V-Regler entworfen, der zu funktionieren scheint:

Spannungsregler Design

Was mir jedoch aufgefallen ist, ist, dass es bestimmte Einschränkungen hat, deren Ursache ich nicht ganz ableiten kann:

  • Der Strom von V1 (Eingang) entspricht trotz unterschiedlicher Spannungen in etwa dem Strom an R2 (Ausgang). Dies scheint mit dem Verhalten von linearen Spannungsreglern übereinzustimmen (habe ich das gerade erstellt?), Aber ich bin mir nicht sicher, warum es passiert. Warum wird im zweiten Quartal so viel Energie verbraucht, wenn man bedenkt, dass es nur ein- und ausgeschaltet wird?
  • Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle, sondern schwebt stattdessen um 4 V herum. Ich habe dies mit unterschiedlichen Lasten versucht, aber es funktioniert einfach nicht unter dieser Eingangsspannung. Was ist die Ursache dafür?
Polynom
quelle
Die vorhandenen Antworten sprechen bereits die Gründe für das an, was Sie sehen. Versuchen Sie, Ihrem Opamp-Komparator ein wenig positives Feedback zu geben, um ihn zu zwingen, sich ein wenig wie ein Switcher zu verhalten - genau wie eine Übung ...
brhans
1
"Komparator zum Erkennen ..." - In Ihrer Schaltung befindet sich kein Komparator, nur ein Operationsverstärker. Wenn Sie ihn durch einen tatsächlichen Komparator ersetzen, sehen Sie möglicherweise ein anderes (nicht unbedingt besseres ) Verhalten.
Marcelm
1
Beachten Sie, dass selbst wenn der Transistor immer nur vollständig ein- oder ausgeschaltet wäre, es sich dennoch um einen linearen Regler handeln würde - Sie würden nur den Widerstand der Drähte verwenden, anstatt den Transistor mit Widerstand zu versehen.
user253751

Antworten:

11

Ich habe dies aus den ersten Prinzipien zusammengestellt, ohne auf irgendeine Art von Referenz darüber zu verweisen, wie Spannungsregler normalerweise konstruiert sind.

Kein guter Anfang, aber Sie haben tatsächlich fast das exakte Design der meisten Linearregler erhalten. Das "erste Prinzip", das Sie vergessen haben, ist der lineare MOSFET- Bereich . Haben Sie dieses Ding in einem Simulator ausprobiert? Das System wird sich an einem Punkt niederlassen, an dem der Transistor zur Hälfte eingeschaltet ist, wodurch Leistung als Widerstand abgeführt wird.

Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle, sondern schwebt stattdessen um 4 V herum. Ich habe dies mit unterschiedlichen Lasten versucht, aber es funktioniert einfach nicht unter dieser Eingangsspannung. Was ist die Ursache dafür?

Dies wird als "Dropout-Spannung" bezeichnet. Es liegt an den Einschränkungen, wie nahe der Eingangsschiene der Opamp fahren kann. Sie verlieren ca. 0,7 V im Ausgangstransistor des Operationsverstärkers und weitere 0,7 V aufgrund der Schwellenspannung des MOSFET.

Möglicherweise können Sie mit einem besseren Operationsverstärker bessere Ergebnisse erzielen als mit dem alten, veralteten 741. Andernfalls versuchen Sie, einen so genannten LDO-Regler (Low-Dropout-Regler) zu entwickeln.

pjc50
quelle
facepalm - das sind alles Dinge, die ich kannte, die aber im Kontext nicht zutrafen. Vielen Dank.
Polynom
1
Ich sollte erwähnen, dass dies nur in einem Simulator entworfen wurde, und ja, genau das passiert. Ich bin nicht ganz verrückt genug , um etwas zusammen , wie dies mit realen Teilen zu setzen , ohne auf eine Referenz Bezug genommen wird .
Polynom
9
Ein Linearregler ist im Grunde ein intelligenter Widerstand - der Transistor spielt hier die Rolle des Widerstands.
Ecnerwal
5
Warum ist es kein guter Start? (vorausgesetzt, dies ist ein Hobby- / Lernprojekt, das nicht für die Produktion vorgesehen ist)
user253751
5

Warum wird im zweiten Quartal so viel Energie verbraucht, wenn man bedenkt, dass es nur ein- und ausgeschaltet wird?

Da es sich nicht um einen Schaltreglerkreis handelt, handelt es sich um einen von Ihnen entworfenen Linearregler.

Der Strom von V1 (Eingang) entspricht trotz unterschiedlicher Spannungen in etwa dem Strom an R2 (Ausgang). Dies scheint dem Verhalten von linearen Spannungsreglern zu entsprechen (habe ich das soeben erstellt?)

Ja, du hast.

Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle

Sie benötigen ungefähr ein paar Volt am Gate (in Bezug auf die Source), um den MOSFET einzuschalten. Dies muss vom Operationsverstärker kommen und es "verliert" wahrscheinlich ungefähr ein Volt an seinem Ausgang im Vergleich zur ankommenden Stromschiene. Wenn Sie also eine Ausgangsspannung von 5 Volt wünschen, benötigen Sie eine Eingangsspannung von ca. 8 Volt, und das bei leichten Lasten.

Bei hohen Lasten muss die Gate-Source-Spannung möglicherweise 3 oder 4 Volt betragen. Jetzt benötigen Sie wahrscheinlich eine Eingangsversorgung von ca. 10 Volt, um die Reglerleistung auf 5 Volt zu halten.

Respektieren Sie den einfachen Regler, insbesondere diejenigen, die einen geringen Ausfall aufweisen !!

Andy aka
quelle
Darüber hinaus ist der Zener-Strom selbst bei 10 V sehr niedrig (nur 5 mA). Das Gerät ist näher an 50 mA spezifiziert. Die Zenerspannung fällt mit niedrigeren Rückströmen ab. Wenn Sie einen so großen Bereich erwarten, würde ich stattdessen ein Spannungsreferenzgerät verwenden.
Trevor_G
"Respektiere den einfachen Regulator" - in der Tat! Ich wusste wirklich nicht, wie viel Engineering in das bescheidene LDO steckt!
Polynom
Ja, es gibt eine Menge Technik. Wir haben hier noch nicht einmal angefangen, über Stabilität, PSRR oder Rauschen zu sprechen.
pjc50
Versuchen Sie es mit einem P_Channel Power MOSFET. Da dies in INVERTING_MODE ausgeführt wird, müssen Sie im Vergleich zur Verwendung von N_channel IRFP054 die Eingänge des OpAmp umdrehen.
analogsystemsrf
1
Es ist vielleicht erwähnenswert, dass , selbst wenn der MOSFET war als Schalter und nicht in seinem linearen Bereich verwendet wird, wäre es immer noch erhebliche Wärme abzuführen hat, weil Sie einen Kondensator von einer Spannungsquelle aufladen würden versuchen, die nie mehr als 50% effizient sein.
Pericynthion
3

Das Design ist in Ordnung, mit der Ausnahme, dass der Ausfall des FET-LDO niedriger sein kann als der des BJT-LDO, die FET-Kompensation jedoch möglicherweise einen begrenzten ESR-Bereich für die Stabilität erfordert und eine gewisse Welligkeit für die Rückkopplung zulässt.

Durch die gute Auswahl des Induktors mit einem niedrigen RDSOn-Schalter und einer niedrigen DCR-Drossel können Sie einen Wirkungsgrad von bis zu 98% erzielen. Jetzt haben Sie einen Abwärtsregler. Simulation hier

Bildbeschreibung hier eingeben

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
quelle
Dies ist eine wirklich alte Antwort, aber ich bin nicht wirklich überzeugt, dass dies ein Abwärtsregler ist. Es hat nur ein Schaltelement und der Transistor verbraucht immer noch erhebliche Mengen an Leistung.
Herd
@Felthry Warum bezweifle ich meine Simulation, überprüfe den Zener Vz mit der Maus, füge Tranny zum Oszilloskop hinzu, ändere das Oszilloskop zur Anzeige von Watt max, min für Vce, Eis, beachte den variablen Eingangsdreieckeingang V und die gepulste Last von 0,7 bis 1,9 A und ändere dann die NPN zu NFET (löschen, FET zeichnen) gm auf 1 bis 5 ändern und zu Scope hinzufügen, zu Watts min, max ändern, DCR zu L hinzufügen, Ecke des Teils mit Shift oder ^ -Taste ziehen? in den Gummibandmodus, um zu strecken, zu schrumpfen oder zu drehen. Beweisen Sie, dass es funktioniert oder wie viel besser Sie es machen können. Ändern Sie die Kappe, um einen niedrigen ESR hinzuzufügen, und fügen Sie dann 0,1 uF mit einem niedrigeren ESR hinzu.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Nun, zum einen kann ich sehen, dass es über dem Transistor schwebt und in kurzen Stößen bis zu 20 Watt und regelmäßig mehrere Watt verbraucht, was in einem Schaltwandler nicht passieren sollte. Seltsamerweise können Sie die Verlustleistung von Transistoren im Falstad-Simulator nicht grafisch darstellen.
Herd
Sie können Watt in der Skala des Oszilloskops sehen, aber die Leistung in FETs grafisch darstellen, hier mit einem PFET, der für einen Wirkungsgrad von 90% optimiert wurde. tinyurl.com/ya5gyufe . Einige Teile enthalten ESR, FET Auswahl ist wichtig. @Felthry
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
0

Die Leistung wird in den Transistor eingespeist, da es sich um das Serienelement handelt, so dass der gesamte Strom für die Last durch ihn fließen muss, während gleichzeitig die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abfallen muss.

Martin
quelle
-1

Was ist die Ursache dafür?

Wenn der Operationsverstärker mit v1 versorgt wird, beträgt die maximale Ausgangsspannung am Operationsverstärker und am MOSFET-Gate v1. Der MOSFET benötigt einige Vgs, Sand, der normalerweise 2 bis 5 V beträgt, abhängig vom verwendeten MOSFET. 0,7 V für Bits und 1,3 V für Darlington.

Das bedeutet, dass die MOSFET-Quelle maximal v1 - 2 bis 5 V sehen kann. Genau das haben Sie gesehen.

dannyf
quelle