Regulator napięcia od pierwszych zasad - dlaczego w tranzystorze jest zrzucana moc?

Próbuję pogłębić swoje rozumienie elektroniki, więc postanowiłem zaprojektować stały regulator napięcia, który mógłby dostarczyć wzmacniacz lub coś podobnego. Zebrałem to od pierwszych zasad bez odwoływania się do jakiegokolwiek odniesienia do tego, jak zwykle projektowane są regulatory napięcia.

Moje myśli to:

• Zenera i rezystora, aby zapewnić stałe napięcie odniesienia.
• Komparator do wykrywania, kiedy napięcie wyjściowe jest powyżej progu docelowego.
• Tranzystor do włączania i wyłączania zasilania.
• Kondensator działający jak zbiornik.

Mając to na uwadze, zaprojektowałem ten stały regulator 5V, który wydaje się działać:

Zauważyłem jednak, że ma pewne ograniczenia, których nie jestem w stanie wywnioskować z przyczyny:

• Prąd z V1 (wejściowy) w przybliżeniu równy jest prądowi na R2 (wyjściowym), pomimo różnych napięć. To wydaje się pasować do zachowania liniowych regulatorów napięcia (czy właśnie to właśnie stworzyłem?), Ale nie jestem pewien, dlaczego tak się dzieje. Dlaczego tak dużo mocy jest tracone z drugiego kwartału, skoro tylko się włącza i wyłącza?
• Kiedy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga progu 5 V, lecz oscyluje wokół 4 V. Próbowałem tego przy różnych obciążeniach, ale po prostu nie działa ono poniżej tego napięcia wejściowego. Co jest tego przyczyną?

Zebrałem to od pierwszych zasad bez odwoływania się do jakiegokolwiek odniesienia do tego, jak zwykle projektowane są regulatory napięcia.

Nie jest to dobry początek, ale tak naprawdę skończyłeś z prawie dokładną konstrukcją większości regulatorów liniowych. Ale „pierwszą zasadą”, o której zapomnieliście, jest region liniowy MOSFET . Próbowałeś tego w symulatorze? Układ ustabilizuje się w punkcie, w którym tranzystor jest w połowie włączony, rozpraszając moc jako rezystor.

Kiedy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga progu 5 V, lecz oscyluje wokół 4 V. Próbowałem tego przy różnych obciążeniach, ale po prostu nie działa ono poniżej tego napięcia wejściowego. Co jest tego przyczyną?

Nazywa się to „spadkiem napięcia”. Jest to spowodowane ograniczeniami w odległości od szyn wejściowych, którą opamp może prowadzić; tracisz około 0,7 V w tranzystorze wyjściowym opampa i kolejne 0,7 V z powodu napięcia progowego MOSFET.

Być może lepiej poradzisz sobie z lepszym wzmacniaczem operacyjnym niż starodawny, przestarzały 741. W przeciwnym razie próbujesz zaprojektować coś, co nazywa się LDO: regulator niskiej wydajności.

Dlaczego tak dużo mocy jest tracone z drugiego kwartału, skoro tylko się włącza i wyłącza?

Ponieważ nie jest to obwód regulatora przełączającego - to zaprojektowany przez Ciebie regulator liniowy.

Prąd z V1 (wejściowy) w przybliżeniu równy jest prądowi na R2 (wyjściowym), pomimo różnych napięć. To wydaje się pasować do zachowania liniowych regulatorów napięcia (czy właśnie to właśnie stworzyłem?)

Tak ty masz.

Gdy V1 jest mniejsze niż około 7,5 V, napięcie wyjściowe nigdy nie osiąga wartości progowej 5 V.

Potrzebujesz około kilku woltów na bramce (w odniesieniu do źródła), aby zacząć włączać MOSFET. Musi to pochodzić ze wzmacniacza operacyjnego i prawdopodobnie „traci” około wolta na wyjściu w porównaniu z wejściową szyną zasilającą. Tak więc, jeśli potrzebujesz napięcia wyjściowego 5 woltów, potrzebujesz źródła zasilania około 8 woltów, które będą przy niewielkich obciążeniach.

Przy dużych obciążeniach napięcie bramki może wymagać 3 lub 4 woltów. Teraz prawdopodobnie będziesz potrzebować zasilania o napięciu około 10 woltów, aby utrzymać moc wyjściową regulatora na poziomie 5 woltów.

Miej szacunek dla prostego regulatora, szczególnie tych, które są typami o niskim poziomie wypadania !!

Projekt jest OK, z wyjątkiem tego, że opuszczenie FET LDO może być niższe niż BJT LDO, ale kompensacja FET może wymagać ograniczonego zakresu ESR dla stabilności i pozwolić na pewne tętnienia dla sprzężenia zwrotnego.

Możesz zwiększyć efektywność do 98%, wybierając dobry induktor z niskim przełącznikiem RDSOn i niskim dławikiem DCR. Teraz masz regulator buck. Symulacja tutaj

Moc jest zrzucana do tranzystora, ponieważ jest to element szeregowy, więc cały prąd dla obciążenia musi przez nią przejść, a jednocześnie musi zmniejszyć różnicę między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym.

Co jest tego przyczyną?

Przy zasilaniu twojego opampa w v1, maksymalne napięcie wyjściowe na opampie i twojej bramce MOSFET wynosi v1. MOSFET będzie potrzebował kilku vgs do pracy, piasku, który zwykle wynosi od 2 do 5 V, w zależności od zastosowanego MOSFET. 0,7 V dla bitów i 1,3 V dla Darlington.

Oznacza to, że maksymalne źródło MOSFET może zobaczyć to v1 - 2 do 5v. Właśnie to widziałeś.