Regulador de voltaje desde los primeros principios: ¿por qué se descarga la energía en el transistor?

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Estoy tratando de mejorar mi comprensión de la electrónica, así que decidí intentar diseñar un regulador de voltaje fijo capaz de suministrar un amplificador o algo así. Reuní esto a partir de los primeros principios sin hacer referencia a ningún tipo de referencia sobre cómo se diseñan normalmente los reguladores de voltaje.

Mis pensamientos fueron:

  • Zener y resistencia para proporcionar una referencia de voltaje fijo.
  • Comparador para detectar cuándo el voltaje de salida estaba por encima del umbral objetivo.
  • Transistor para encender y apagar la alimentación.
  • Condensador para actuar como reservorio.

Con eso en mente, diseñé este regulador fijo de 5V, que parece funcionar:

Lo que sí noté, sin embargo, es que tiene ciertas limitaciones de las que no puedo deducir la causa de:

  • La corriente de V1 (entrada) es aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida), a pesar de los diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento de los reguladores de voltaje lineal (¿es eso lo que acabo de crear?) Pero no estoy seguro de por qué sucede. ¿Por qué se disipa tanta energía de la Q2 considerando que simplemente se enciende y apaga?
  • Cuando V1 es inferior a aproximadamente 7.5V, el voltaje de salida nunca llega al umbral de 5V, sino que se mantiene en torno a 4V. He intentado esto con cargas variables pero simplemente no funciona por debajo de ese voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de esto?
pregunta Polynomial

5 respuestas

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Pongo esto junto a los primeros principios sin hacer referencia a ningún tipo de referencia sobre cómo se diseñan normalmente los reguladores de voltaje.

No es un buen comienzo, pero en realidad terminaste con el diseño exacto de la mayoría de los reguladores lineales. Pero el "primer principio" del cual te has olvidado es el MOSFET región lineal . ¿Has probado esto en un simulador? El sistema se asentará en un punto donde el transistor está medio encendido, disipando la potencia como resistencia.

  

Cuando V1 es inferior a aproximadamente 7.5V, el voltaje de salida nunca llega al umbral de 5V, sino que se mantiene alrededor de 4V. He intentado esto con cargas variables pero simplemente no funciona por debajo de ese voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de esto?

Esto se llama "voltaje de deserción". Esto se debe a las limitaciones en cuanto a qué tan cerca de los rieles de entrada puede conducir el opamp; pierde aproximadamente 0.7V en el transistor de salida del opamp y otros 0.7 V debido al voltaje de umbral del MOSFET.

Es posible que pueda hacerlo mejor con un mejor amplificador operacional que el antiguo y obsoleto 741. De lo contrario, está tratando de diseñar lo que se llama un LDO: regulador de baja deserción.

    
respondido por el pjc50
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¿Por qué se disipa tanta energía de la Q2 considerando que es solo   ¿Encender y apagar?

Porque no es un circuito regulador de conmutación, es un regulador lineal que usted ha diseñado.

  

La corriente desde V1 (entrada) es aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida),   A pesar de los diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento de   reguladores de voltaje lineal (¿es eso lo que acabo de crear?)

Sí, lo has hecho.

  

Cuando V1 es inferior a aproximadamente 7.5V, el voltaje de salida nunca llega a los 5V   umbral

Necesita aproximadamente un par de voltios en la puerta (con respecto a la fuente) para comenzar a encender el MOSFET. Esto tiene que venir del amplificador operacional y probablemente "pierde" alrededor de un voltio en su salida en comparación con el riel de alimentación entrante. Por lo tanto, si desea un voltaje de salida de 5 voltios, necesita un suministro de entrada de aproximadamente 8 voltios y estará en cargas livianas.

En cargas pesadas, es posible que el voltaje de la fuente de la compuerta deba ser de 3 o 4 voltios. Probablemente ahora necesitará un suministro de entrada de aproximadamente 10 voltios para mantener la salida del regulador a 5 voltios.

¡Respete al regulador simple, especialmente a aquellos que son de baja deserción!

    
respondido por el Andy aka
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El diseño está bien, excepto que el abandono del FET LDO puede ser más bajo que el BJT LDO, pero la compensación del FET puede exigir un ESR de rango limitado para la estabilidad y permitir cierta ondulación para la retroalimentación.

Puede lograr una eficiencia de hasta el 98% gracias a la buena elección del inductor con un interruptor de RDSOn bajo y un estrangulador de DCR bajo. Ahora tiene un regulador del dólar. simulación aquí

    
respondido por el Tony EE rocketscientist
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La energía se descarga en el transistor porque es el elemento de la serie, por lo que toda la corriente para la carga tiene que atravesarlo, mientras que al mismo tiempo tiene que disminuir la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida.

    
respondido por el Martin
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¿Cuál es la causa de esto?

Con la fuente de alimentación para usted en v1, la tensión de salida máxima en la entrada y la puerta MOSFET es v1. El MOSFET necesitará algunos vgs para funcionar, por lo general es de 2 a 5v, dependiendo del MOSFET utilizado. 0.7v para bits y 1.3v para Darlington.

Eso significa que el máximo que puede ver la fuente de MOSFET es v1 - 2 a 5v. Eso es exactamente lo que viste.

    
respondido por el dannyf

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