Регулятор напряжения из первых принципов - почему мощность на транзисторе сбрасывается?

15

Я пытаюсь углубить свое понимание электроники, поэтому я решил попытаться сконструировать фиксированный регулятор напряжения, способный подавать усилитель или около того. Я собрал это воедино из первых принципов, не обращаясь к какой-либо справочной информации о том, как обычно конструируются регуляторы напряжения.

Мои мысли были:

Стабилитрон и резистор, чтобы обеспечить фиксированное напряжение ссылки.
Компаратор для обнаружения, когда выходное напряжение было выше целевого порога.
Транзистор для включения и выключения питания.
Конденсатор действует как резервуар.

Имея это в виду, я разработал этот фиксированный регулятор 5 В, который, кажется, работает:

Однако я заметил, что у него есть определенные ограничения, которые я не могу точно определить, по какой причине:

Ток от V1 (вход) примерно равен току на R2 (выход), несмотря на различные напряжения. Кажется, это соответствует поведению линейных регуляторов напряжения (это то, что я только что создал?), Но я не уверен, почему это происходит. Почему так много энергии рассеивается от Q2, учитывая, что он просто включается и выключается?
Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В, а вместо этого колеблется около 4 В. Я пробовал это с различными нагрузками, но он просто не работает ниже этого входного напряжения. Какова причина этого?

— многочлен
источник

Существующие ответы уже устраняют причины того, что вы видите. Попробуйте добавить небольшой положительный отзыв о вашем «компараторе» операционного усилителя, чтобы заставить его вести себя немного как переключатель - просто как упражнение ...

— brhans

1

«Компаратор для обнаружения ...» - в вашей схеме нет компаратора, только операционный усилитель. Если вы замените его фактическим компаратором, вы можете увидеть другое (не обязательно лучшее ) поведение.

— 17

1

Обратите внимание, что даже если бы транзистор был только когда-либо полностью включен или полностью выключен, он все равно был бы линейным регулятором - вы просто использовали бы сопротивление проводов вместо того, чтобы транзистор имел сопротивление.

— user253751

11

Я собрал это воедино из первых принципов, не обращаясь к какой-либо справочной информации о том, как обычно конструируются регуляторы напряжения.

Не очень хорошее начало, но на самом деле вы получили почти точный дизайн большинства линейных регуляторов. Но «первый принцип», о котором вы забыли, - это линейная область MOSFET . Вы пробовали эту вещь в симуляторе? Система установится в точке, где транзистор включен наполовину, рассеивая мощность как резистор.

Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В, а вместо этого колеблется около 4 В. Я пробовал это с различными нагрузками, но он просто не работает ниже этого входного напряжения. Какова причина этого?

Это называется «падением напряжения». Это связано с ограничениями того, насколько близко к входным рейкам способен управлять операционный усилитель; Вы теряете приблизительно 0,7 В на выходном транзисторе операционного усилителя и еще 0,7 В из-за порогового напряжения MOSFET.

Возможно, вам удастся добиться большего успеха с лучшим операционным усилителем, чем с устаревшим устаревшим 741. В противном случае вы пытаетесь создать то, что называется LDO: регулятор с низким уровнем отсева.

— pjc50
источник

лицевая сторона лица - это все, что я знал, но не смог применить в контексте. Спасибо.

— полиномиальной

1

Я должен упомянуть, что это было чисто разработано в симуляторе, и да, именно так и происходит. Я не совсем безумен, чтобы соединить что-то подобное с реальными деталями, не ссылаясь на ссылку.

— полиномиальной

9

Линейный регулятор - это в основном интеллектуальный резистор - транзистор играет здесь роль резистора.

— Ecnerwal

5

Почему это не хорошее начало? (Предполагается, что это хобби / учебный проект не для производства)

— user253751

5

Почему так много энергии рассеивается от Q2, учитывая, что он просто включается и выключается?

Потому что это не схема переключающего регулятора - это линейный регулятор, который вы разработали.

Ток от V1 (вход) примерно равен току на R2 (выход), несмотря на различные напряжения. Это похоже на поведение линейных регуляторов напряжения (это то, что я только что создал?)

Да у тебя есть.

Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В

Вам нужно около пары вольт на затворе (относительно источника), чтобы начать включение полевого МОП-транзистора. Это должно происходить от операционного усилителя, и он, вероятно, «теряет» примерно вольт на своем выходе по сравнению с входящей шиной питания. Таким образом, если вы хотите, чтобы выходное напряжение составляло 5 вольт, то вам нужно питание на входе около 8 вольт, и это будет на небольших нагрузках.

При больших нагрузках напряжение затвор-источник может составлять 3 или 4 Вольт. Теперь вам, вероятно, понадобится входное питание, которое составляет около 10 вольт, чтобы поддерживать выход регулятора на уровне 5 вольт.

Имейте уважение к простому регулятору, особенно к типам с низким уровнем отсева!

— Энди ака
источник

Кроме того, ток стабилитрона очень низок даже при 10 В, это всего 5 мА, устройство указано ближе к 50 мА. Напряжение стабилитрона будет падать с уменьшением обратного тока. Если вы ожидаете такой широкий диапазон я бы использовать эталонный прибор напряжения вместо этого.

— Trevor_G

«Уважай простой регулятор» - действительно! Я действительно не оценил, сколько инженерии идет в скромный LDO!

— полиномиальной

Да, там много техники. Мы даже не начали говорить о стабильности, PSRR или шумах здесь.

— pjc50

Вы можете попробовать мощный МОП-транзистор P_channel. Поскольку это выполняется в INVERTING_MODE, по сравнению с тем, как используется N_channel IRFP054, вам нужно будет перевернуть входы операционного усилителя.

— аналоговые системы

1

Это , возможно , стоит отметить , что даже если MOSFET были быть использованы в качестве переключателя , а не в линейной области, он бы все равно придется рассеивать значительное количество тепла, потому что вы пытаетесь заряд конденсатора от источника напряжения, который никогда не могут быть более чем на 50% эффективнее.

— перицинтион

3

Конструкция в порядке, за исключением того, что выпадение FET LDO может быть ниже, чем BJT LDO, но компенсация FET может потребовать ESR в ограниченном диапазоне для стабильности и позволить некоторую пульсацию для обратной связи.

Вы можете повысить эффективность до 98% благодаря хорошему выбору индуктора с переключателем низкого RDSOn и дросселем с низким DCR. Теперь у вас есть регулятор доллара. Моделирование здесь

— Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник

Это действительно старый ответ, но я не совсем уверен, что это регулятор доллара. Он имеет только один переключающий элемент, и транзистор все еще рассеивает значительное количество энергии.

— Очаг

@Felthry Зачем сомневаться в моей симуляции, проверьте Zener Vz с помощью мыши, добавьте Tranny в область, измените область для отображения макс. Вт, min для Vce, Ice, обратите внимание на переменный входной треугольный вход V и импульсную нагрузку от 0,7 до 1,9A, затем измените NPN в NFET (удаление, рисование FET) измените gm на 1 до 5 и добавьте в Scope, измените на Watts min, max, добавьте DCR к L, перетащите угол детали с помощью клавиши shift или ^? в режиме резинкой, чтобы растянуть, сжать или повернуть. Докажите, что это работает, или насколько лучше вы можете это сделать. Измените крышку, чтобы добавить низкий ESR, затем добавьте 0,1 мкФ с более низким ESR.

— Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75

Ну, во-первых, я вижу, просто зависая над транзистором, он рассеивает более 20 Вт короткими импульсами и регулярно рассеивает несколько ватт, что не должно происходить в переключающем преобразователе. Как ни странно, вы не можете построить график рассеивания мощности в транзисторах на симуляторе Falstad.

— Очаг

Вы можете видеть ватт в масштабе области, но график мощности в полевых транзисторах, здесь с PFET, настроенным для 90% эффективности 125 Вт импульс нагрузки с полным шагом 50% с 2-вольтовым пульсационным входом и 5 мВ пульсационным выходом. tinyurl.com/ya5gyufe . Некоторые части включают ESR, выбор FET важен. @Felthry

— Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75

0

Мощность на транзисторе сбрасывается, потому что он является последовательным элементом, поэтому весь ток для нагрузки должен проходить через него, в то же время он должен уменьшать разницу между входным напряжением и выходным напряжением.

— Мартин
источник

-1

Какова причина этого?

При подаче на операционный усилитель напряжения v1 максимальное выходное напряжение на операционном усилителе и затворе MOSFET составляет v1. Для работы MOSFET понадобится несколько VGS, обычно это от 2 до 5 В, в зависимости от используемого MOSFET. 0,7 В для битов и 1,3 В для Дарлингтона.

Это означает, что максимальное значение, которое может видеть источник MOSFET, составляет v1 - 2 до 5v. Это именно то, что вы видели.

— dannyf
источник