Circuiti elettronici - Regolatori
La fase successiva e ultima prima del carico, in un sistema di alimentazione, è la parte del regolatore. Cerchiamo ora di capire cos'è un regolatore e cosa fa.
La parte dell'elettronica che si occupa del controllo e della conversione dell'energia elettrica può essere definita come Power Electronics. Un regolatore è un dispositivo importante quando si tratta di elettronica di potenza in quanto controlla la potenza in uscita.
Necessità di un regolatore
Affinché un alimentatore produca una tensione di uscita costante, indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso o dalle variazioni della corrente di carico, è necessario un regolatore di tensione.
UN voltage regulatorè un tale dispositivo che mantiene costante la tensione di uscita, anziché qualsiasi tipo di fluttuazioni nella tensione di ingresso applicata o eventuali variazioni di corrente, assorbite dal carico. L'immagine seguente dà un'idea dell'aspetto di un pratico erogatore.
Tipi di regolatori
I regolatori possono essere classificati in diverse categorie, a seconda del loro funzionamento e del tipo di connessione.
Depending upon the type of regulation, i regolatori si dividono principalmente in due tipi, ovvero regolatori di linea e di carico.
Line Regulator - Il regolatore che regola la tensione di uscita in modo che sia costante, nonostante le variazioni della linea di ingresso, si chiama as Line regulator.
Load Regulator - Il regolatore che regola la tensione di uscita in modo che sia costante, nonostante le variazioni di carico in uscita, viene chiamato come Load regulator.
Depending upon the type of connection, ci sono due tipi di regolatori di tensione. Loro sono
- Regolatore di tensione in serie
- Regolatore di tensione shunt
La loro disposizione in un circuito sarà proprio come nelle figure seguenti.
Diamo uno sguardo ad altri importanti tipi di regolatori.
Regolatore di tensione Zener
Un regolatore di tensione Zener è uno che utilizza il diodo Zener per regolare la tensione di uscita. Abbiamo già discusso i dettagli riguardanti il diodo Zener nel tutorial ELETTRONICA DI BASE.
Quando il diodo Zener viene azionato nel guasto o Zener region, la tensione ai suoi capi è sostanzialmente constant per un large change of currentattraverso esso. Questa caratteristica rende il diodo Zener agood voltage regulator.
La figura seguente mostra un'immagine di un semplice regolatore Zener.
La tensione di ingresso applicata $ V_i $ quando viene aumentata oltre la tensione Zener $ V_z $, il diodo Zener opera nella regione di rottura e mantiene la tensione costante attraverso il carico. La resistenza di limitazione in serie $ R_s $ limita la corrente di ingresso.
Funzionamento del regolatore di tensione Zener
Il diodo Zener mantiene costante la tensione ai suoi capi nonostante le variazioni di carico e le fluttuazioni della tensione di ingresso. Possiamo quindi considerare 4 casi per comprendere il funzionamento di un regolatore di tensione Zener.
Case 1- Se la corrente di carico $ I_L $ aumenta, la corrente attraverso il diodo Zener $ I_Z $ diminuisce per mantenere costante la corrente attraverso il resistore di serie $ R_S $. La tensione di uscita Vo dipende dalla tensione di ingresso Vi e dalla tensione ai capi del resistore in serie $ R_S $.
Questo può essere scritto come
$$ V_o = V_ {in} -IR_ {s} $$
Dove $ I $ è costante. Pertanto, anche $ V_o $ rimane costante.
Case 2- Se la corrente di carico $ I_L $ diminuisce, la corrente attraverso il diodo Zener $ I_Z $ aumenta, poiché la corrente $ I_S $ attraverso la resistenza della serie RS rimane costante. Sebbene la corrente $ I_Z $ attraverso il diodo Zener aumenti, mantiene una tensione di uscita costante $ V_Z $, che mantiene costante la tensione di carico.
Case 3- Se la tensione di ingresso $ V_i $ aumenta, la corrente $ I_S $ attraverso il resistore in serie RS aumenta. Ciò aumenta la caduta di tensione attraverso il resistore, ovvero $ V_S $ aumenta. Sebbene la corrente attraverso il diodo Zener $ I_Z $ aumenti con questo, la tensione attraverso il diodo Zener $ V_Z $ rimane costante, mantenendo costante la tensione di carico in uscita.
Case 4- Se la tensione di ingresso diminuisce, la corrente attraverso il resistore in serie diminuisce, il che fa diminuire la corrente attraverso il diodo Zener $ I_Z $. Ma il diodo Zener mantiene costante la tensione di uscita grazie alle sue proprietà.
Limitazioni del regolatore di tensione Zener
Ci sono alcune limitazioni per un regolatore di tensione Zener. Sono -
- È meno efficiente per correnti di carico pesanti.
- L'impedenza Zener influisce leggermente sulla tensione di uscita.
Quindi un regolatore di tensione Zener è considerato efficace per applicazioni a bassa tensione. Ora, esaminiamo gli altri tipi di regolatori di tensione, realizzati utilizzando i transistor.
Regolatore di tensione in serie a transistor
Questo regolatore ha un transistor in serie al regolatore Zener ed entrambi in parallelo al carico. Il transistor funziona come un resistore variabile che regola la tensione del collettore dell'emettitore per mantenere costante la tensione di uscita. La figura seguente mostra il regolatore di tensione in serie a transistor.
Con le condizioni operative di ingresso, la corrente attraverso la base del transistor cambia. Ciò influenza la tensione attraverso la giunzione base-emettitore del transistor $ V_ {BE} $. La tensione di uscita è mantenuta dalla tensione Zener $ V_Z $ che è costante. Poiché entrambi vengono mantenuti uguali, qualsiasi variazione dell'alimentazione in ingresso è indicata dalla variazione della tensione di base dell'emettitore $ V_ {BE} $.
Quindi la tensione di uscita Vo può essere intesa come
$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$
Funzionamento del regolatore di tensione in serie a transistor
Il funzionamento di un regolatore di tensione in serie deve essere considerato per le variazioni di ingresso e di carico. Se la tensione di ingresso viene aumentata, aumenta anche la tensione di uscita. Ma questo a sua volta fa diminuire la tensione attraverso la giunzione di base del collettore $ V_ {BE} $, poiché la tensione Zener $ V_Z $ rimane costante. La conduzione diminuisce all'aumentare della resistenza attraverso la regione del collettore dell'emettitore. Ciò aumenta ulteriormente la tensione attraverso la giunzione del collettore-emettitore VCE riducendo così la tensione di uscita $ V_O $. Questo sarà simile quando la tensione di ingresso diminuisce.
Quando si verificano i cambiamenti di carico, il che significa che se la resistenza del carico diminuisce, aumentando la corrente di carico $ I_L $, la tensione di uscita $ V_O $ diminuisce, aumentando la tensione di base dell'emettitore $ V_ {BE} $.
Con l'aumento della tensione di base dell'emettitore $ V_ {BE} $ la conduzione aumenta riducendo la resistenza del collettore dell'emettitore. Questo a sua volta aumenta la corrente di ingresso che compensa la diminuzione della resistenza di carico. Questo sarà simile quando la corrente di carico aumenta.
Limitazioni del regolatore di tensione in serie a transistor
I regolatori di tensione serie transistor hanno le seguenti limitazioni:
- Le tensioni $ V_ {BE} $ e $ V_Z $ sono influenzate dall'aumento della temperatura.
- Non è possibile una buona regolazione per correnti elevate.
- La dissipazione di potenza è elevata.
- La dissipazione di potenza è elevata.
- Meno efficiente.
Per ridurre al minimo queste limitazioni, viene utilizzato il regolatore di shunt a transistor.
Regolatore di tensione shunt a transistor
Un circuito regolatore di shunt a transistor è formato collegando un resistore in serie all'ingresso e un transistor la cui base e collettore sono collegati da un diodo Zener che regola, entrambi in parallelo al carico. La figura seguente mostra lo schema elettrico di un regolatore shunt a transistor.
Funzionamento del regolatore di tensione shunt a transistor
Se la tensione di ingresso aumenta, vengono aumentati anche $ V_ {BE} $ e $ V_O $. Ma questo accade inizialmente. In realtà quando $ V_ {in} $ aumenta, aumenta anche l'attuale $ I_ {in} $. Questa corrente quando fluisce attraverso RS, provoca una caduta di tensione $ V_S $ attraverso il resistore in serie, che viene anche aumentata con $ V_ {in} $. Ma questo fa diminuire $ V_o $. Ora questa diminuzione di $ V_o $ compensa l'aumento iniziale mantenendolo costante. Quindi $ V_o $ viene mantenuto costante. Se invece la tensione di uscita diminuisce, avviene il contrario.
Se la resistenza di carico diminuisce, dovrebbe esserci una diminuzione della tensione di uscita $ V_o $. La corrente attraverso il carico aumenta. Ciò fa diminuire la corrente di base e la corrente di collettore del transistor. La tensione attraverso il resistore in serie diventa bassa, poiché la corrente scorre pesantemente. La corrente in ingresso sarà costante.
La tensione di uscita visualizzata sarà la differenza tra la tensione applicata $ V_i $ e la caduta di tensione in serie $ V_s $. Quindi la tensione di uscita verrà aumentata per compensare la diminuzione iniziale e quindi mantenuta costante. Il contrario accade se la resistenza al carico aumenta.
Regolatori IC
I regolatori di tensione sono ora disponibili sotto forma di circuiti integrati (CI). Questi sono in breve chiamati come regolatori IC.
Insieme alla funzionalità di un normale regolatore, un regolatore IC ha proprietà come compensazione termica, protezione da cortocircuito e protezione da sovratensioni che sono integrate nel dispositivo.
Tipi di regolatori IC
I regolatori IC possono essere dei seguenti tipi:
- Regolatori di tensione positiva fissa
- Regolatori di tensione negativi fissi
- Regolatori di tensione regolabili
- Regolatori di tensione a doppia traccia
Vediamoli ora in dettaglio.
Regolatore di tensione positiva fissa
L'uscita di questi regolatori è fissata a un valore specifico ei valori sono positivi, il che significa che la tensione di uscita fornita è una tensione positiva.
La serie più utilizzata è la serie 7800 e gli IC saranno come IC 7806, IC 7812 e IC 7815 ecc. Che forniscono rispettivamente + 6v, + 12v e + 15v come tensioni di uscita. La figura seguente mostra l'IC 7810 collegato per fornire una tensione di uscita regolata positiva fissa di 10 V.
Nella figura sopra, il condensatore di ingresso $ C_1 $ viene utilizzato per prevenire oscillazioni indesiderate e il condensatore di uscita $ C_2 $ funge da filtro di linea per migliorare la risposta ai transitori.
Regolatore di tensione negativa fissa
L'uscita di questi regolatori è fissata a un valore specifico ei valori sono negativi, il che significa che la tensione di uscita fornita è una tensione negativa.
La serie più utilizzata è la serie 7900 e gli IC saranno come IC 7906, IC 7912 e IC 7915 ecc. Che forniscono rispettivamente -6v, -12v e -15v come tensioni di uscita. La figura seguente mostra l'IC 7910 collegato per fornire una tensione di uscita regolata negativa fissa di 10 V.
Nella figura sopra, il condensatore di ingresso $ C_1 $ viene utilizzato per prevenire oscillazioni indesiderate e il condensatore di uscita $ C_2 $ funge da filtro di linea per migliorare la risposta ai transitori.
Regolatori di tensione regolabili
Un regolatore di tensione regolabile ha tre terminali IN, OUT e ADJ. I terminali di ingresso e uscita sono comuni mentre il terminale regolabile è dotato di una resistenza variabile che consente all'uscita di variare in un ampio intervallo.
La figura sopra mostra un alimentatore non regolato che pilota un regolatore IC regolabile LM 317 che è comunemente usato. L'LM 317 è un regolatore di tensione regolabile positivo a tre terminali e può fornire 1,5 A di corrente di carico su un intervallo di uscita regolabile da 1,25 V a 37 V.
Regolatori di tensione a doppia traccia
Quando sono necessarie tensioni di alimentazione separate, viene utilizzato un regolatore a doppia traccia. Questi forniscono tensioni di uscita positive e negative uguali. Ad esempio, l'IC RC4195 fornisce uscite CC di + 15v e -15v. Ciò richiede due tensioni di ingresso non regolate, ad esempio l'ingresso positivo può variare da + 18v a + 30v e l'ingresso negativo può variare da -18v a -30v.
L'immagine sopra mostra un regolatore IC RC4195 a doppio tracciamento. Sono disponibili anche i regolatori a doppia virata regolabili le cui uscite variano tra due limiti nominali.