Bộ điều chỉnh điện áp từ các nguyên tắc đầu tiên - tại sao năng lượng bị đổ trong bóng bán dẫn?

Tôi đang cố gắng để hiểu thêm về điện tử, vì vậy tôi quyết định thử thiết kế một bộ ổn áp cố định có khả năng cung cấp một amp hoặc hơn. Tôi kết hợp điều này từ các nguyên tắc đầu tiên mà không đề cập đến bất kỳ loại tài liệu tham khảo nào về cách các bộ điều chỉnh điện áp thường được thiết kế.

Suy nghĩ của tôi là:

• Zener và điện trở để cung cấp một tham chiếu điện áp cố định.
• Bộ so sánh để phát hiện khi điện áp đầu ra vượt quá ngưỡng mục tiêu.
• Transitor để bật và tắt nguồn cung cấp.
• Tụ điện để hoạt động như một hồ chứa.

Với ý nghĩ đó, tôi đã thiết kế bộ điều chỉnh 5V cố định này, có vẻ như hoạt động:

Tuy nhiên, điều tôi nhận thấy là nó có một số hạn chế nhất định mà tôi không thể rút ra được nguyên nhân của:

• Dòng điện từ V1 (đầu vào) gần bằng với dòng điện ở R2 (đầu ra), mặc dù có điện áp khác nhau. Điều này dường như phù hợp với hành vi của các bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính (đó có phải là những gì tôi vừa tạo không?) Nhưng tôi không chắc tại sao nó lại xảy ra. Tại sao rất nhiều năng lượng tiêu tan từ quý 2 khi nó chỉ bật và tắt?
• Khi V1 nhỏ hơn khoảng 7,5V, điện áp đầu ra không bao giờ chạm ngưỡng 5V mà thay vào đó dao động xung quanh 4V. Tôi đã thử điều này với các mức tải khác nhau nhưng đơn giản là nó không hoạt động dưới mức điện áp đầu vào đó. Nguyên nhân của điều này là gì?

Tôi kết hợp điều này từ các nguyên tắc đầu tiên mà không đề cập đến bất kỳ loại tài liệu tham khảo nào về cách các bộ điều chỉnh điện áp thường được thiết kế.

Không phải là một khởi đầu tốt, nhưng bạn thực sự đã kết thúc với thiết kế gần như chính xác của hầu hết các bộ điều chỉnh tuyến tính. Nhưng "nguyên tắc đầu tiên" mà bạn đã quên là vùng tuyến tính MOSFET . Bạn đã thử điều này trong một giả lập? Hệ thống sẽ giải quyết tại một điểm mà bóng bán dẫn được bật một nửa, tiêu tán năng lượng như một điện trở.

Khi V1 nhỏ hơn khoảng 7,5V, điện áp đầu ra không bao giờ chạm ngưỡng 5V mà thay vào đó dao động xung quanh 4V. Tôi đã thử điều này với các mức tải khác nhau nhưng đơn giản là nó không hoạt động dưới mức điện áp đầu vào đó. Nguyên nhân của điều này là gì?

Đây được gọi là "điện áp bỏ học". Đó là do những hạn chế về mức độ gần với đường ray đầu vào mà opamp có khả năng lái xe; bạn mất khoảng 0,7V trong bóng bán dẫn đầu ra của opamp và 0,7V khác vì điện áp ngưỡng của MOSFET.

Bạn có thể có thể làm tốt hơn với op-amp tốt hơn so với 741 cổ xưa, lỗi thời. Nếu không, bạn đang cố gắng thiết kế cái được gọi là LDO: bộ điều chỉnh bỏ học thấp.

Tại sao rất nhiều năng lượng tiêu tan từ quý 2 khi nó chỉ bật và tắt?

Bởi vì nó không phải là mạch điều chỉnh chuyển mạch - nó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà bạn đã thiết kế.

Dòng điện từ V1 (đầu vào) gần bằng với dòng điện ở R2 (đầu ra), mặc dù có điện áp khác nhau. Điều này dường như phù hợp với hành vi của các bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính (đó có phải là những gì tôi vừa tạo không?)

Đúng bạn có.

Khi V1 nhỏ hơn khoảng 7,5V, điện áp đầu ra không bao giờ chạm ngưỡng 5V

Bạn cần khoảng một vài volt trên cổng (liên quan đến nguồn) để bắt đầu bật MOSFET. Điều này phải đến từ op-amp và nó có thể "mất" khoảng một volt trên đầu ra của nó so với đường ray điện tới. Vì vậy, nếu bạn muốn điện áp đầu ra là 5 volt thì bạn cần nguồn cung cấp đầu vào khoảng 8 volt và đó sẽ là trên tải nhẹ.

Khi tải nặng, điện áp nguồn cổng có thể cần phải là 3 hoặc 4 volt. Bây giờ bạn có thể sẽ cần một nguồn cung cấp đến khoảng 10 volt để giữ đầu ra của bộ điều chỉnh ở mức 5 volt.

Hãy tôn trọng bộ điều chỉnh đơn giản, đặc biệt là những loại có loại bỏ thấp !!

Thiết kế vẫn ổn, ngoại trừ việc bỏ qua FET LDO có thể thấp hơn LDT của BJT, nhưng bù FET có thể yêu cầu ESR phạm vi giới hạn để ổn định và cho phép một số gợn để phản hồi.

Bạn có thể làm cho nó hiệu quả lên tới 98% nhờ sự lựa chọn tốt của cuộn cảm với công tắc RDSOn thấp và cuộn cảm DCR thấp. Bây giờ bạn có một điều chỉnh buck. Mô phỏng tại đây

Nguồn điện được đổ vào bóng bán dẫn vì nó là phần tử sê-ri, vì vậy tất cả dòng điện cho tải phải đi qua nó, đồng thời nó phải giảm chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra.

Nguyên nhân của điều này là gì?

Với việc cung cấp cho opamp ở v1, điện áp đầu ra tối đa trên opamp và cổng MOSFET của bạn là v1. MOSFET sẽ cần một số vss để hoạt động, cát thường từ 2 đến 5v, tùy thuộc vào MOSFET được sử dụng. 0,7v cho bit và 1,3v cho Darlington.

Điều đó có nghĩa là nguồn MOSFET tối đa có thể thấy là v1 - 2 đến 5v. Đó chính xác là những gì bạn đã thấy.