Regolatore di tensione dai primi principi: perché la potenza viene scaricata nel transistor?

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Sto cercando di approfondire la mia conoscenza dell'elettronica, quindi ho deciso di progettare un regolatore di tensione fisso in grado di fornire un amplificatore o giù di lì. Lo metto insieme dai primi principi senza fare riferimento a nessun tipo di riferimento su come i regolatori di tensione sono normalmente progettati.

I miei pensieri erano:

Zener e resistenza per fornire un riferimento di tensione fissa.
Comparatore per rilevare quando la tensione di uscita era superiore alla soglia target.
Transistor per accendere e spegnere l'alimentazione.
Condensatore per fungere da serbatoio.

Con questo in mente, ho progettato questo regolatore 5V fisso, che sembra funzionare:

Quello che ho notato, tuttavia, è che ha alcune limitazioni che non posso derivare del tutto dalla causa di:

La corrente di V1 (input) equivale all'incirca alla corrente di R2 (output), nonostante tensioni diverse. Questo sembra corrispondere al comportamento dei regolatori di tensione lineari (è quello che ho appena creato?) Ma non sono sicuro del perché accada. Perché tanta energia viene dissipata dal secondo trimestre considerando che si sta semplicemente accendendo e spegnendo?
Quando V1 è inferiore a circa 7,5 V, la tensione di uscita non raggiunge mai la soglia di 5 V, ma si aggira intorno a 4 V. Ho provato questo con carichi variabili ma semplicemente non funziona al di sotto di quella tensione di ingresso. Qual è la causa di questo?

— Polinomio
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Le risposte esistenti già affrontano i motivi di ciò che stai vedendo. Prova a introdurre un po 'di feedback positivo intorno al tuo' comparatore 'opamp per forzarlo a comportarsi un po' più come uno switcher - proprio come un esercizio ...

— brhans

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"Comparatore da rilevare ..." - Non esiste un comparatore nel circuito, solo un amplificatore operazionale. Se lo sostituisci con un comparatore reale, potresti vedere comportamenti diversi (non necessariamente migliori ).

— marcelm

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Nota che anche se il transistor fosse sempre completamente acceso o completamente spento, sarebbe comunque un regolatore lineare - useresti solo la resistenza dei fili invece di far resistere al transistor.

— user253751

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Lo metto insieme dai primi principi senza fare riferimento a nessun tipo di riferimento su come i regolatori di tensione sono normalmente progettati.

Non è un buon inizio, ma in realtà sei finito con il design quasi esatto della maggior parte dei regolatori lineari. Ma il "primo principio" che hai dimenticato è la regione lineare MOSFET . Hai provato questa cosa in un simulatore? Il sistema si stabilizzerà in un punto in cui il transistor è semi-acceso, dissipando potenza come un resistore.

Quando V1 è inferiore a circa 7,5 V, la tensione di uscita non raggiunge mai la soglia di 5 V, ma si aggira intorno a 4 V. Ho provato questo con carichi variabili ma semplicemente non funziona al di sotto di quella tensione di ingresso. Qual è la causa di questo?

Questa è chiamata "tensione di interruzione". È a causa delle limitazioni di quanto vicino alle guide di ingresso è in grado di guidare l'opamp; si perde circa 0,7 V nel transistor di uscita dell'opamp e un altro 0,7 V a causa della tensione di soglia del MOSFET.

Potresti essere in grado di fare meglio con un amplificatore operazionale migliore rispetto all'antico e obsoleto 741. Altrimenti, stai cercando di progettare quello che viene chiamato un regolatore LDO: low-dropout.

— pjc50
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facepalm : queste sono tutte cose che sapevo, ma non sono state applicate nel contesto. Grazie.

— Polinomio

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Devo dire che questo è stato progettato esclusivamente in un simulatore e sì, è esattamente quello che succede. Non sono abbastanza pazzo da mettere insieme qualcosa del genere con parti reali senza fare riferimento a un riferimento.

— Polinomio

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Un regolatore lineare è fondamentalmente un resistore intelligente: qui il transistor svolge la parte del resistore.

— Ecnerwal

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Perché non è un buon inizio? (supponendo che questo sia un progetto di hobby / apprendimento non destinato alla produzione)

— user253751

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Perché tanta energia viene dissipata dal secondo trimestre considerando che si sta semplicemente accendendo e spegnendo?

Perché non è un circuito regolatore di commutazione - è un regolatore lineare che hai progettato.

La corrente di V1 (input) equivale all'incirca alla corrente di R2 (output), nonostante tensioni diverse. Questo sembra corrispondere al comportamento dei regolatori di tensione lineari (è quello che ho appena creato?)

Sì tu hai.

Quando V1 è inferiore a circa 7,5 V, la tensione di uscita non raggiunge mai la soglia di 5 V.

Hai bisogno di circa un paio di volt sul gate (rispetto alla sorgente) per iniziare ad accendere il MOSFET. Questo deve provenire dall'amplificatore operazionale e probabilmente "perde" circa un volt sulla sua uscita rispetto alla linea di alimentazione in ingresso. Quindi, se si desidera una tensione di uscita di 5 volt, è necessario un ingresso di alimentazione di circa 8 volt e che sarà su carichi leggeri.

In presenza di carichi pesanti, la tensione del gate-source potrebbe dover essere di 3 o 4 volt. Ora avrai probabilmente bisogno di un rifornimento in entrata di circa 10 volt per mantenere l'uscita del regolatore a 5 volt.

Rispettare il semplice regolatore, in particolare quelli che hanno bassi livelli di abbandono !!

— Andy aka
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Inoltre, la corrente di zener è molto bassa anche a 10v, solo 5ma, il dispositivo è specificato più vicino a 50ma. La tensione di Zener diminuirà con correnti inverse inferiori. Se ti aspetti una gamma così ampia, utilizzerei invece un dispositivo di riferimento della tensione.

— Trevor_G

"Abbi rispetto per il semplice regolatore" - anzi! Non ho davvero apprezzato la quantità di ingegneria impiegata nell'umile LDO!

— Polinomio

Sì, c'è molta ingegneria. Non abbiamo nemmeno iniziato a parlare di stabilità, PSRR o rumore qui.

— pjc50

Potresti provare un MOSFET di potenza P_channel. Dato che funziona in INVERTING_MODE, rispetto a come viene utilizzato N_channel IRFP054, dovrai capovolgere gli input di OpAmp.

— analogsystemsrf

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Vale forse la pena notare che anche se il MOSFET dovesse essere utilizzato come interruttore anziché nella sua regione lineare, dovrebbe comunque dissipare un calore significativo, perché si proverebbe a caricare un condensatore da una fonte di tensione, che non può mai essere più efficiente del 50%.

— pericynthion

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Il design è OK, tranne che il dropout del LDO FET può essere inferiore al LDO BJT, ma la compensazione FET può richiedere un ESR a intervallo limitato per la stabilità e consentire un po 'di ondulazione per il feedback.

Puoi renderlo efficiente fino al 98% grazie alla buona scelta dell'induttore con un interruttore RDSOn basso e uno starter DCR basso. Ora hai un regolatore buck. Simulazione qui

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Questa è una risposta davvero vecchia, ma non sono davvero convinto che si tratti di un regolatore buck. Ha solo un elemento di commutazione e il transistor dissipa ancora quantità significative di potenza.

— Focolare

@Felthry Perché dubitare della mia simulazione, controlla Zener Vz con il mouse, aggiungi Tranny all'oscilloscopio, cambia l'oscilloscopio per visualizzare Watts max, min per Vce, Ice, nota l'ingresso triangolare di input variabile V e il carico pulsato da 0,7 a 1,9A, quindi cambia NPN su NFET (cancella, disegna FET) cambia gm da 1 a 5 e aggiungi a Scope, passa a Watt min, max, aggiungi DCR a L, trascina l'angolo della parte con il tasto maiusc o ^? alla modalità elastico per allungare restringimento o rotazione. Dimostra che funziona o quanto meglio puoi farlo. Cambia tappo per aggiungere ESR basso quindi aggiungi 0.1uF con ESR inferiore.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

Bene, per prima cosa posso vedere solo passando sopra il transistor che si dissipa verso l'alto di 20 watt in brevi raffiche e dissipa regolarmente più watt, cosa che non dovrebbe accadere in un convertitore di commutazione. Stranamente, non è possibile rappresentare graficamente la dissipazione di potenza nei transistor sul simulatore di falstad.

— Hearth,

Puoi vedere Watts nella scala dell'oscilloscopio, ma tracciare la potenza nei FET, qui con PFET ottimizzato per un'efficienza del 90% Impulso di carico 125 W passo completo 50% con ingresso ripple 2V e uscita ripple 5 mV. tinyurl.com/ya5gyufe . Alcune parti includono ESR, la scelta FET è importante. @Felthry

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

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La potenza viene scaricata nel transistor perché è l'elemento in serie, quindi tutta la corrente per il carico deve attraversarlo, mentre allo stesso tempo deve far cadere la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita.

— balestruccio
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Qual è la causa di questo?

Con l'alimentazione a te opamp a v1, la tensione di uscita massima sull'opamp e sulla porta dei MOSFET è v1. Il MOSFET avrà bisogno di alcuni vg per funzionare, in genere sabbia da 2 a 5 v, a seconda del MOSFET utilizzato. 0,7 v per bit e 1,3 v per Darlington.

Ciò significa che il massimo che la sorgente MOSFET può vedere è da v1 - 2 a 5v. È esattamente quello che hai visto.

— dannyf
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