Spanningsregelaars nemen een ingangsspanning en creëren een gereguleerde uitgangsspanning, ongeacht de ingangsspanning op een vast spanningsniveau of een instelbaar spanningsniveau. Deze automatische regeling van het uitgangsspanningsniveau wordt afgehandeld door verschillende feedbacktechnieken. Sommige van deze technieken zijn zo eenvoudig als een zenerdiode. Andere omvatten complexe feedbacktopologieën die de prestaties, betrouwbaarheid en efficiëntie verbeteren en andere functies toevoegen, zoals het verhogen van de uitgangsspanning boven de ingangsspanning naar de spanningsregelaar.
Spanningsregelaars zijn een veelvoorkomend kenmerk in veel circuits om ervoor te zorgen dat een constante, stabiele spanning wordt geleverd aan gevoelige elektronica.
Hoe lineaire spanningsregelaars werken
Het handhaven van een vaste spanning met een onbekende en potentieel ruisrijke ingang vereist een feedbacksignaal om te verduidelijken welke aanpassingen moeten worden gemaakt. Lineaire regelaars gebruiken een vermogenstransistor als variabele weerstand die zich gedraagt als de eerste helft van een spanningsdelernetwerk. De uitgang van de spanningsdeler stuurt de vermogenstransistor op de juiste manier aan om een constante uitgangsspanning te handhaven.
Omdat de transistor zich als een weerstand gedraagt, verspilt hij energie door deze om te zetten in warmte, vaak veel warmte. Aangezien het totale vermogen dat wordt omgezet in warmte gelijk is aan de spanningsval tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning maal de geleverde stroom, kan het gedissipeerde vermogen vaak erg hoog zijn, wat goede koellichamen vereist.
Een alternatieve vorm van een lineaire regelaar is een shuntregelaar, zoals een zenerdiode. In plaats van te fungeren als een variabele serieweerstand zoals de typische lineaire regelaar doet, biedt een shuntregelaar een pad naar aarde waar overtollige spanning (en stroom) doorheen kan stromen. Dit type regelaar is vaak minder efficiënt dan een typische serie lineaire regelaar. Het is alleen praktisch als er weinig stroom nodig is en wordt geleverd.
Hoe schakelende spanningsregelaars werken
Een schakelende spanningsregelaar werkt volgens een ander principe dan lineaire spanningsregelaars. In plaats van te fungeren als een spannings- of stroomafvoer om een constante output te leveren, slaat een schakelende regelaar energie op een bepaald niveau op en gebruikt feedback om ervoor te zorgen dat het laadniveau wordt gehandhaafd met een minimale spanningsrimpel. Met deze techniek kan de schakelende regelaar efficiënter zijn dan de lineaire regelaar door een transistor alleen volledig aan te zetten (met minimale weerstand) wanneer het energieopslagcircuit een uitbarsting van energie nodig heeft. Deze benadering vermindert het totale vermogen dat in het systeem wordt verspild tot de weerstand van de transistor tijdens het schakelen, aangezien deze overgaat van geleidend (zeer lage weerstand) naar niet-geleidend (zeer hoge weerstand) en andere kleine circuitverliezen.
Hoe sneller een schakelende regelaar schakelt, hoe minder energieopslagcapaciteit hij nodig heeft om de gewenste uitgangsspanning te behouden, wat betekent dat kleinere componenten kunnen worden gebruikt. De kosten van sneller schakelen zijn echter een verlies aan efficiëntie omdat er meer tijd wordt besteed aan de overgang tussen de geleidende en niet-geleidende toestanden. Er gaat meer vermogen verloren door resistieve verwarming.
Een ander neveneffect van sneller schakelen is de toename van elektronische ruis die wordt gegenereerd door de schakelregelaar. Door gebruik te maken van verschillende schakeltechnieken kan een schakelregelaar:
- Verlaag de ingangsspanning (buck-topologie).
- Verhoog de spanning (boost-topologie).
- Zowel de spanning verlagen als verhogen (buck-boost) indien nodig om de gewenste uitgangsspanning te behouden.
Deze flexibiliteit maakt schakelende regelaars een uitstekende keuze voor veel batterijgevoede toepassingen, omdat de schakelende regelaar de ingangsspanning van de batterij kan verhogen of verhogen als de batterij leeg raakt.
