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Spannungsreglerschaltungen

Spannungsreglerschaltungen

Spannungsregler sind in elektronischen Stromversorgungsschaltungen weit verbreitet. Sie bieten einen sehr hohen Regelungsgrad und eine geringe Welligkeit, obwohl ihr Wirkungsgrad viel geringer ist als bei einer anderen gängigen Reglerform, dem Schaltmodusregler. Linearregler werden jedoch aufgrund ihrer relativen Einfachheit und hohen Leistung immer noch in großen Mengen verwendet.

Es ist möglich, Spannungsreglerschaltungen aus beiden diskreten Komponenten herzustellen und IC-Regler zu verwenden. Die IC-Regler ermöglichen das Erreichen sehr hoher Leistungsniveaus, häufig unter Verwendung vergleichsweise weniger Komponenten, aber oft ist es für viele Projekte möglich, einige verfügbare Komponenten zu verwenden, um eine vollkommen adäquate Spannungsreglerschaltung herzustellen.

Grundkonzept hinter Spannungsreglerschaltungen

Obwohl es viele verschiedene Spannungsreglerschaltungen und Regler für integrierte Schaltungen gibt, fallen die Grundkonzepte für diese Schaltungen in eine von zwei Grundkategorien:

  • Serienreglerschaltung
  • Parallel- oder Nebenschlussreglerschaltung.

Alle Spannungsreglerschaltungen fallen in eine dieser Kategorien, obwohl von beiden der häufigste Typ für Vollspannungsreglerschaltungen der Serienregler ist.

Zusätzlich zu den Spannungsreglern, die als Serien- und Nebenschlussregler eingestuft werden, können sie je nach Betriebsart in zwei weitere Kategorien eingeteilt werden:

  • Lineare Spannungsregler.
  • Spannungsregler schalten.

Sowohl lineare als auch Schaltreglerschaltungen sind weit verbreitet. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile, und daher muss die Wahl des Reglertyps von der geplanten Anwendung abhängig gemacht werden.

Serienspannungsreglerschaltung

Die Serienspannungsreglerschaltungen arbeiten unter Verwendung eines Seriensteuerelements wie eines Bipolartransistors oder eines Feldeffekttransistors. Die Grundlage für den Betrieb der Schaltung hängt von der Steuerung der Leitfähigkeit dieses Serienelements durch eine Steuerspannung ab. Wenn die Spannung des Ausgangs tendenziell ansteigt, wird dies erkannt und die Steuerspannung wird angepasst, um die Leitfähigkeit des Serienelements zu verringern, wodurch die Spannung über dem Serienelement ansteigt. Da das Serienelement und die Last eine Potentialteilerschaltung bilden, führt jeder Spannungsanstieg über dem Seriensteuerelement dazu, dass die Spannung über der Last abfällt.

In ähnlicher Weise wird, wenn die Spannung an der Last dazu neigt, zu niedrig zu fallen, dies erkannt, die Steuerspannung für das Serienelement bewirkt, dass die Leitfähigkeit des Serienelements ansteigt, und die Spannung an der Last wird aufrechterhalten.

Dies ist eine typische Form eines negativen Rückkopplungssystems. Die Steuerspannung muss eine Referenz haben, mit der der Ausgang verglichen werden kann. Dies wird häufig durch eine Spannungsreferenzschaltung bereitgestellt, die auf einer Zenerdiode basiert. Die Ausgangsspannung vom Regler wird häufig durch einen Potentialteiler entnommen und mit der Referenzspannung verglichen, und die Fehlerspannung wird als Steuerspannung zurückgeführt, um die Leitfähigkeit des Seriensteuerelements zu ändern.

Es ist möglich, die Ausgangsspannung zu ändern, indem der Betrag geändert wird, um den der Ausgang unterteilt wird. Durch Platzieren eines variablen Widerstands im Potentialteiler kann die Spannung, die mit der Referenzspannung verglichen wird, geändert werden. Dies ändert wiederum die Ausgangsspannung von der Spannungsreglerschaltung.

Shunt-Spannungsreglerschaltung

Wie der Name schon sagt, arbeitet ein Shunt-Spannungsregler parallel zur Last und nicht in Reihe. Unter Verwendung einer Form einer Konstantstromvorrichtung, die so einfach wie ein Widerstand sein kann, arbeitet sie parallel zur Last, überbrückt oder absorbiert den Strom, so dass die Spannung an der Last gleich bleibt.

Die einfachsten Formen von Nebenschlussreglern verwenden Konstantspannungsvorrichtungen wie Zenerdioden. Diese Schaltungen verwenden einen Vorwiderstand, um eine Strombegrenzungswirkung bereitzustellen, und eine Zenerdiode wird parallel zur Last zwischen dem Widerstand und Masse angeordnet. Da die Zenerdiode eine konstante Spannung beibehält und Stromschwankungen durch die Last keine (signifikanten) Spannungsschwankungen verursachen, hält die Diode eine konstante Spannung aufrecht und nimmt Stromschwankungen auf. Natürlich gibt es andere, ausgefeiltere Formen von Shunt-Reglern, aber die Zenerdiodenversion ist die einfachste und einfachste.

Linearer Spannungsregler

Eine lineare Spannungsreglerschaltung ist eine, bei der die Leitfähigkeit des Serienreglerelements linear variiert, um sicherzustellen, dass die erforderliche Spannung am Ausgang aufrechterhalten wird. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung so genau wie möglich gehalten und der sauberste Ausgang erhalten.

Obwohl eine lineare Spannungsreglerschaltung ein sehr hohes Leistungsniveau in Bezug auf Rauschen, Welligkeit und Regelung bietet, ist diese Art von Schaltung nicht effizient. Das Serienreglerelement erfordert einen signifikanten Spannungsabfall, damit es die erforderlichen hohen Rausch- und Welligkeitsunterdrückungswerte aufrechterhalten kann. Das Serienreglerelement muss in der Lage sein, abhängig von der erforderlichen Leistung erhebliche Leistungsniveaus abzuleiten. Dies bedeutet, dass diese Netzteile groß und schwer sein können.

Spannungsregler schalten

Im Gegensatz zu Linearreglern, bei denen das Serienelement linear variiert, haben Serienelemente in Schaltreglern nur zwei Zustände - Ein und Aus. Der Regler lädt einen großen Kondensator am Ausgang auf. Wenn die Spannung abfällt, während die Ladung zur Stromversorgung der Last verwendet wird, schaltet sich der Serienregler ein. Sobald es die erforderliche Spannung erreicht hat, schaltet es sich wieder aus. Durch einen ausreichend großen Speicherkondensator am Ausgang werden die Schaltspitzen in der Hauptleitung entfernt.

Der Vorteil von Schaltreglern liegt in ihrer wesentlich höheren Effizienz, die sie bieten können. Das Serienelement verbraucht sehr wenig Strom, da es entweder ein- oder ausgeschaltet ist. Infolgedessen sind diese Netzteile nicht nur sehr effizient, sondern können auch sehr viel kleiner gemacht werden. Das Problem ist, dass am Ausgang immer einige Schaltspitzen vorhanden sind und der Pegel des Gesamtrauschens am Ausgang größer ist als der von Linearreglern angebotene. Sie sind jedoch für viele Anwendungen völlig ausreichend und daher sehr weit verbreitet.

Zusammenfassung

Lineare Spannungsregler sind in elektronischen Schaltkreisen sehr verbreitet. Bei Schaltungen, die mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten und eine genaue Wartung der Versorgungsschienen erfordern, werden Spannungsreglerschaltungen verwendet, um die Versorgungen für die meisten Schaltungen bereitzustellen.

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