Différents types de régulateurs de tension avec principe de fonctionnement

Dans l'alimentation électrique, les régulateurs de tension jouent un rôle clé. Alors avant d'aller discuter d'un Régulateur de tension , il faut savoir quel est le rôle d'une alimentation lors de la conception d'un système ?. Par exemple, dans tout système de travail comme un smartphone, une montre-bracelet, un ordinateur ou un ordinateur portable, l'alimentation est une partie essentielle du fonctionnement du système Owl, car elle fournit une alimentation cohérente, fiable et continue aux composants internes du système. Dans les appareils électroniques, l'alimentation fournit une puissance stable et régulée pour faire fonctionner correctement les circuits. Les sources d'alimentation sont de deux types, comme l'alimentation CA provenant des prises secteur et l'alimentation CC provenant des batteries. Ainsi, cet article présente un aperçu des différents types de régulateurs de tension et de leur fonctionnement.

Qu'est-ce qu'un régulateur de tension?

Un régulateur de tension est utilisé pour réguler les niveaux de tension. Lorsqu'une tension constante et fiable est nécessaire, le régulateur de tension est l'appareil préféré. Il génère une tension de sortie fixe qui reste constante pour toute modification d'une tension d'entrée ou des conditions de charge. Il agit comme un tampon pour protéger les composants contre les dommages. UNE Régulateur de tension est un appareil avec une conception simple à réaction directe et il utilise des boucles de contrôle à rétroaction négative.

Régulateur de tension

Il existe principalement deux types de régulateurs de tension: les régulateurs de tension linéaires et les régulateurs de tension à découpage, ils sont utilisés dans des applications plus larges. Le régulateur de tension linéaire est le type le plus simple de régulateur de tension. Il est disponible en deux types, qui sont compacts et utilisés dans les systèmes basse puissance et basse tension. Laissez-nous discuter de différents types de régulateurs de tension.

Le principaux composants utilisés dans le régulateur de tension sommes

• Circuit de rétroaction
• Tension de référence stable
• Circuit de commande d'élément de passage

Le processus de régulation de tension est très facile en utilisant les trois Composants . Le premier composant du régulateur de tension comme un circuit de rétroaction est utilisé pour détecter les changements dans la sortie de tension continue. Sur la base de la tension de référence ainsi que de la rétroaction, un signal de commande peut être généré et conduit l'élément de passage à payer les changements.

Ici, l'élément pass est un type de solide dispositif semi-conducteur similaire à un transistor BJT, PN-Junction Diode sinon un MOSFET. Maintenant, la tension de sortie CC peut être maintenue à peu près stable.

Fonctionnement du régulateur de tension

Un circuit régulateur de tension est utilisé pour créer et maintenir une tension de sortie permanente même lorsque la tension d'entrée, sinon les conditions de charge sont modifiées. Le régulateur de tension obtient la tension d'une alimentation électrique et il peut être maintenu dans une plage qui est bien adaptée avec le reste composants électriques . Le plus souvent, ces régulateurs sont utilisés pour convertir l'alimentation CC / CC, CA / CA sinon CA / CC.

Types de régulateurs de tension et leur fonctionnement

Ces régulateurs peuvent être mis en œuvre par circuits intégrés ou circuits de composants discrets. Les régulateurs de tension sont classés en deux types, à savoir le régulateur de tension linéaire et le régulateur de tension de commutation. Ces régulateurs sont principalement utilisés pour réguler la tension d'un système, cependant, les régulateurs linéaires fonctionnent avec un faible rendement ainsi que les régulateurs de commutation qui fonctionnent à haut rendement. Dans les régulateurs à découpage à haut rendement, la majeure partie de la puissance i / p peut être transmise au o / p sans dissipation.

Types de régulateurs de tension

Fondamentalement, il existe deux types de régulateurs de tension: le régulateur de tension linéaire et le régulateur de tension de commutation.

• Il existe deux types de régulateurs de tension linéaires: série et shunt.
• Il existe trois types de régulateurs de tension de commutation: les régulateurs de tension Step up, Step down et Inverter.

Régulateurs de tension linéaires

Le régulateur linéaire agit comme un diviseur de tension. Dans la région ohmique, il utilise FET. La résistance du régulateur de tension varie avec la charge, ce qui donne une tension de sortie constante. Les régulateurs de tension linéaires sont le type original de régulateurs utilisés pour réguler les alimentations. Dans ce type de régulateur, la conductivité variable de l'élément actif passe comme un MOSFET ou un BJT est responsable de changer la tension de sortie.

Une fois qu'une charge est alliée, les changements dans n'importe quelle entrée, sinon la charge entraînera une différence de courant dans tout le transistor pour maintenir la sortie constante. Pour changer le courant du transistor, il doit être travaillé dans une région active sinon ohmique.

Tout au long de cette procédure, ce type de régulateur dissipe beaucoup d'énergie car la tension nette est chutée dans le transistor pour se dissiper comme de la chaleur. Généralement, ces régulateurs sont classés en différentes catégories.

• Positif réglable
• Négatif réglable
• Sortie fixe
• Suivi
• Flottant

Avantages

Le avantages d'un régulateur de tension linéaire inclure les éléments suivants.

• Donne une faible tension d'ondulation de sortie
• Temps de réponse rapide aux changements de charge ou de ligne
• Faible interférence électromagnétique et moins de bruit

Désavantages

Le inconvénients d'un régulateur de tension linéaire inclure les éléments suivants.

• L'efficacité est très faible
• Nécessite un grand espace - un dissipateur thermique est nécessaire
• La tension au-dessus de l'entrée ne peut pas être augmentée

Régulateurs de tension série

Un régulateur de tension en série utilise un élément variable placé en série avec la charge. En modifiant la résistance de cet élément en série, la tension a chuté à travers celui-ci peut être modifiée. Et, la tension aux bornes de la charge reste constante.

La quantité de courant consommée est effectivement utilisée par la charge, c'est le principal avantage du régulateur de tension série . Même lorsque la charge ne nécessite aucun courant, le régulateur série ne tire pas son plein courant. Par conséquent, un régulateur en série est considérablement plus efficace qu'un régulateur de tension shunt.

Régulateurs de tension shunt

Un shunt le régulateur de tension fonctionne en fournissant un chemin de la tension d'alimentation à la terre à travers une résistance variable. Le courant à travers le régulateur shunt s'est détourné de la charge et s'écoule inutilement vers le sol, ce qui rend cette forme généralement moins efficace que le régulateur série. Il est, cependant, plus simple, se composant parfois simplement d'une diode de référence de tension, et est utilisé dans des circuits de très faible puissance dans lesquels le courant gaspillé est trop petit pour être préoccupant. Cette forme est très courante pour les circuits de référence de tension. Un régulateur shunt ne peut généralement absorber (absorber) que du courant.

Applications des régulateurs shunt

Les régulateurs shunt sont utilisés dans:

• Alimentations à découpage à basse tension de sortie
• Circuits source et puits de courant
• Amplificateurs d'erreur
• Tension réglable ou courant linéaire et commutation Alimentations
• Surveillance de tension
• Circuits analogiques et numériques nécessitant des références de précision
• Limiteurs de courant de précision

Régulateurs de tension de commutation

Un régulateur de commutation allume et éteint rapidement un appareil en série. Le cycle de service du commutateur définit la quantité de charge transférée à la charge. Ceci est contrôlé par un mécanisme de rétroaction similaire à celui d'un régulateur linéaire. Les régulateurs de commutation sont efficaces car l'élément en série est soit entièrement conducteur, soit éteint car il ne dissipe pratiquement aucune puissance. Les régulateurs à découpage sont capables de générer des tensions de sortie supérieures à la tension d'entrée ou de polarité opposée, contrairement aux régulateurs linéaires.

Le régulateur de tension de commutation s'allume et s'éteint rapidement pour modifier la sortie. Il nécessite un oscillateur de contrôle et charge également les composants de stockage.

Dans un régulateur à découpage avec modulation de fréquence d'impulsions, fréquence variable, rapport cyclique constant et spectre de bruit imposé par le PRM, il est plus difficile de filtrer ce bruit.

Un régulateur de commutation avec Modulation de largeur d'impulsion , fréquence constante, cycle d'utilisation variable, est efficace et facile à filtrer le bruit.
Dans un régulateur à découpage, le courant de mode continu à travers une inductance ne tombe jamais à zéro. Il permet la puissance de sortie la plus élevée. Cela donne de meilleures performances.

Dans un régulateur à découpage, le courant de mode discontinu à travers l'inductance tombe à zéro. Il donne de meilleures performances lorsque le courant de sortie est faible.

Changement de topologies

Il a deux types de topologies: isolation diélectrique et non-isolation.

Isolé

Il est basé sur le rayonnement et les environnements intenses. Là encore, les convertisseurs isolés sont classés en deux types qui incluent les suivants.

• Convertisseurs Flyback
• Convertisseurs avant

Dans la liste ci-dessus, les convertisseurs isolés sont traités dans la rubrique alimentation à découpage.

Non –Isolation

Il est basé sur de petits changements dans Vout / Vin. Des exemples sont le régulateur de tension Step Up (Boost) - Augmente la tension d'entrée Step Down (Buck) - réduit la tension d'entrée Step up / Step Down (Boost / Buck) Régulateur de tension - Abaisse ou augmente ou inverse la tension d'entrée en fonction du contrôleur Pompe de charge - Il fournit des multiples d'entrée sans utiliser d'inductance.

Encore une fois, les convertisseurs non isolés sont classés en différents types, mais les plus importants sont

• Convertisseur Buck ou régulateur de tension abaisseur
• Convertisseur de suralimentation ou régulateur de tension élévateur
• Convertisseur Buck ou Boost

Avantages de la commutation de topologies

Les principaux avantages d'une alimentation à découpage sont son efficacité, sa taille et son poids. Il s'agit également d'une conception plus complexe, capable de gérer une efficacité énergétique plus élevée. Un régulateur de tension à découpage peut fournir une sortie qui est supérieure ou inférieure à ou qui inverse la tension d'entrée.

Désavantages des topologies de commutation

• Tension d'ondulation de sortie plus élevée
• Temps de récupération transitoire plus lent
• EMI produit une sortie très bruyante
• Très cher

Les convertisseurs de commutation élévateurs, également appelés régulateurs de commutation boost, fournissent une sortie de tension plus élevée en augmentant la tension d'entrée. La tension de sortie est régulée, tant que la puissance est tirée est dans les spécifications de puissance de sortie du circuit. Pour piloter des chaînes de LED, un régulateur de tension de commutation Step up est utilisé.

Régulateurs de tension élévateurs

Supposons que le circuit sans perte Pin = Pout (les puissances d'entrée et de sortie sont identiques)

Puis V_dansje_dans= V_{en dehors}je_{en dehors},

je_{en dehors}/ JE_dans= (1-D)

De là, on déduit que dans ce circuit

• Les pouvoirs restent les mêmes
• La tension augmente
• Baisse actuelle
• Équivalent au transformateur CC

Régulateur de tension abaisseur (Buck)

Il abaisse la tension d'entrée.

Régulateurs de tension abaisseur

Si la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie, alors

P_dans= P_{en dehors}V_dansje_dans= V_{en dehors}je_{en dehors},

je_{en dehors}/ JE_dans= V_dans/ V_{en dehors}= 1 / D

Le convertisseur abaisseur est équivalent au transformateur CC dans lequel le rapport de tours est compris entre 0 et 1.

Monter / Descendre (Boost / Buck)

Il est également appelé inverseur de tension. En utilisant cette configuration, il est possible d'augmenter, d'abaisser ou d'inverser la tension selon l'exigence.

• La tension de sortie est de la polarité opposée de l'entrée.
• Ceci est réalisé par une diode polarisée en sens inverse VL pendant les temps d'arrêt, produisant du courant et chargeant le condensateur pour la production de tension pendant les temps d'arrêt
• En utilisant ce type de régulateur de commutation, une efficacité de 90% peut être atteinte.

Régulateurs de tension élévateurs / abaisseurs

Régulateurs de tension d'alternateur

Les alternateurs produisent le courant nécessaire pour répondre aux besoins électriques d’un véhicule lorsque le moteur tourne. Il reconstitue également l'énergie qui est utilisée pour démarrer le véhicule. Un alternateur a la capacité de produire plus de courant à des vitesses inférieures que les générateurs CC qui étaient autrefois utilisés par la plupart des véhicules. L'alternateur est composé de deux parties

Régulateur de tension d'alternateur

Stator - C'est un composant fixe, qui ne bouge pas. Il contient un ensemble de conducteurs électriques enroulés en bobines sur un noyau de fer.
Rotor / armature - Il s'agit du composant mobile qui produit un champ magnétique rotatif par l'une des trois manières suivantes: (i) induction (ii) aimants permanents (iii) à l'aide d'un excitateur.

Régulateur de tension électronique

Un simple régulateur de tension peut être réalisé à partir d'une résistance en série avec une diode (ou une série de diodes). En raison de la forme logarithmique des courbes V-I de la diode, la tension aux bornes de la diode ne change que légèrement en raison de changements de courant consommé ou de changements dans l'entrée. Lorsque le contrôle précis de la tension et l'efficacité ne sont pas importants, cette conception peut fonctionner correctement.

Régulateur de tension électronique

Régulateur de tension à transistor

Les régulateurs de tension électroniques ont une source de référence de tension stable fournie par le Diode Zener , également connue sous le nom de diode de fonctionnement à tension de claquage inverse. Il maintient une tension de sortie CC constante. La tension d'ondulation CA est bloquée, mais le filtre ne peut pas être bloqué. Le régulateur de tension dispose également d'un circuit supplémentaire pour la protection contre les courts-circuits et le circuit de limitation de courant, la protection contre les surtensions et l'arrêt thermique.

Paramètres de base des régulateurs de tension

• Les paramètres de base à prendre en compte lors du fonctionnement d'un régulateur de tension comprennent principalement la tension i / p, la tension o / p ainsi que le courant o / p. Généralement, tous ces paramètres sont principalement utilisés pour déterminer le type de VR topologie correspond bien ou non au CI d'un utilisateur.
• Les autres paramètres de ce régulateur sont la fréquence de commutation, la résistance thermique de la tension de retour de courant de repos peut être applicable en fonction de l'exigence
• Le courant de repos est important une fois que l'efficacité dans les modes de veille ou la charge légère est la principale préoccupation.
• Une fois que la fréquence de découpage est considérée comme un paramètre, l'exploitation de la fréquence de découpage peut conduire aux solutions d'un petit système. En outre, la résistance thermique peut être dangereuse pour éliminer la chaleur de l'appareil et dissoudre la chaleur du système.
• Si le contrôleur a un MOSFET, ensuite tous les conducteurs ainsi que les dynamiques pertes sera dissipé dans l'emballage et doit être considéré une fois la mesure de la température maximale du régulateur.
• Le paramètre le plus important est la tension de retour car il décide de la tension o / p inférieure que le CI peut contenir. Cela limite la tension o / p inférieure et la précision aura un impact sur la régulation de la tension de sortie.

Comment choisir le bon régulateur de tension?

• Les paramètres clés jouent un rôle clé lors de la sélection du régulateur de tension par le concepteur comme Vin, Vout, Iout, les priorités du système, etc. Certaines fonctionnalités clés supplémentaires telles que l'activation du contrôle ou une bonne indication de l'alimentation.
• Lorsque le concepteur a décrit ces nécessités, utilisez une table de recherche paramétrique pour découvrir le meilleur appareil pour répondre aux besoins préférés.
• Pour les concepteurs, ce tableau est très précieux car il fournit plusieurs fonctionnalités ainsi que des packages pouvant être obtenus pour répondre aux paramètres nécessaires à l'exigence d'un concepteur.
• Les appareils de MPS sont disponibles avec leurs fiches techniques qui décrivent en détail les pièces externes requises, comment mesurer leurs valeurs pour obtenir une conception stable et efficace avec des performances élevées.
• Cette fiche technique aide principalement à mesurer les valeurs de composants tels que la capacité de sortie, la résistance de retour, l'inductance o / p, etc.
• En outre, vous pouvez utiliser certains outils de simulation comme le logiciel MPSmart / DC / DC Designer, etc. MPS fournit différents régulateurs de tension avec un linéaire compact, une variété de types efficaces et de commutation comme la famille MP171x, la famille HF500-x, MPQ4572-AEC1 , MP28310, MP20056 et MPQ2013-AEC1.

Limitations / inconvénients

Les limites des régulateurs de tension sont les suivantes.

• L'une des principales limitations du régulateur de tension est qu'il est inefficace en raison de la dissipation d'un courant énorme dans certaines applications
• La chute de tension de ce circuit intégré est similaire à un résistance chute de tension. Par exemple, lorsque l'entrée du régulateur de tension est de 5 V et génère une sortie de type 3 V, la chute de tension entre les deux bornes est de 2 V.
• L'efficacité du régulateur peut être limitée à 3V ou 5V, ce qui signifie que ces régulateurs sont applicables avec moins de différentiels Vin / Vout.
• Dans toute application, il est très important de prendre en compte la dissipation de puissance attendue pour un régulateur, car lorsque les tensions d'entrée sont élevées, la dissipation de puissance sera élevée, ce qui peut endommager différents composants en raison d'une surchauffe.
• Une autre limitation est qu'ils sont simplement capables de conversion buck par rapport aux types de commutation, car ces régulateurs fourniront buck et conversion.
• Les régulateurs comme le type à commutation sont très efficaces, mais ils présentent certains inconvénients tels que la rentabilité par rapport aux régulateurs de type linéaire, plus complexes, de grande taille et peuvent générer plus de bruit si leurs composants extérieurs ne sont pas choisis avec prudence.

Il s'agit de différents types de régulateurs de tension et leur principe de fonctionnement. Nous pensons que les informations fournies dans cet article vous sont utiles pour une meilleure compréhension de ce concept. De plus, pour toute question concernant cet article ou toute aide à la mise en œuvre projets électriques et électroniques , vous pouvez nous approcher en commentant dans la section commentaires ci-dessous. Voici une question pour vous - Où allons-nous utiliser un régulateur de tension d'alternateur?