Spannungsregler sind in vielen Schaltkreisen üblich, um sicherzustellen, dass empfindliche Elektronik mit einer konstanten, stabilen Spannung versorgt wird. Wie sie funktionieren, ist typisch für viele analoge Schaltkreise. Die rücksichtsvolle und elegante Verwendung von Rückkopplungen, um den Ausgang auf den gewünschten Pegel einzustellen.
Spannungsregler Übersicht
Wenn eine stabile, zuverlässige Spannung benötigt wird, sind Spannungsregler die gängigen Komponenten. Spannungsregler nehmen eine Eingangsspannung auf und erzeugen eine geregelte Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung entweder bei einem festen Spannungspegel oder einem einstellbaren Spannungspegel (durch Auswahl der richtigen externen Komponenten). Diese automatische Regelung des Ausgangsspannungspegels wird durch verschiedene Rückkopplungstechniken abgewickelt, von denen einige so einfach wie eine Zener-Diode sind, während andere komplexe Rückkopplungstopologien umfassen, die die Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz verbessern und andere Merkmale hinzufügen können, wie beispielsweise eine Erhöhung der Ausgangsspannung über der Eingangsspannung der Spannungsregler.
Wie lineare Spannungsregler arbeiten
Das Aufrechterhalten einer festen Spannung mit einem unbekannten und möglicherweise verrauschten (oder schlechteren) Eingang erfordert ein Rückkopplungssignal, um zu wissen, welche Einstellungen vorgenommen werden müssen. Linearregler verwenden einen Leistungstransistor (je nach verwendeter Komponente entweder BJT oder MOSFET) als variablen Widerstand, der sich wie die erste Hälfte eines Spannungsteilernetzwerks verhält. Der Ausgang des Spannungsteilers wird als Rückkopplung verwendet, um den Leistungstransistor geeignet anzusteuern, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Da sich der Transistor wie ein Widerstand verhält, verschwendet er leider viel Energie, indem er ihn in Wärme umwandelt, oft sehr viel Wärme. Da die in Wärme umgesetzte Gesamtleistung gleich dem Spannungsabfall zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ist, multipliziert mit dem zugeführten Strom, kann die Verlustleistung oft sehr hoch sein und erfordert gute Kühlkörper.
Eine alternative Form eines linearen Reglers ist ein Shunt-Regler, beispielsweise eine Zenerdiode. Anstatt als variabler Serienwiderstand zu fungieren, wie dies bei einem typischen Linearregler der Fall ist, bietet ein Shunt-Regler einen Pfad zur Erde, durch den überschüssige Spannung (und Strom) fließen kann. Leider ist dieser Reglertyp oftmals weniger effizient als ein typischer Serienregler und ist nur dann praktisch, wenn sehr wenig Energie benötigt und geliefert wird.
Wie Schaltspannungsregler arbeiten
Ein Schaltspannungsregler arbeitet nach einem ganz anderen Prinzip als lineare Spannungsregler. Anstatt als Spannungs- oder Stromsenke für einen konstanten Ausgang zu fungieren, speichert ein Schaltregler Energie auf einem definierten Pegel und verwendet eine Rückkopplung, um sicherzustellen, dass der Ladepegel mit einer minimalen Spannungswelligkeit aufrechterhalten wird. Diese Technik ermöglicht es dem Schaltregler, viel effizienter als der Linearregler zu sein, indem ein Transistor (mit minimalem Widerstand) nur dann vollständig eingeschaltet wird, wenn die Energiespeicherschaltung einen Energieschub benötigt. Dies reduziert die im System verschwendete Gesamtleistung auf den Widerstand des Transistors während des Schaltens, wenn er von leitendem (sehr niedriger Widerstand) zu nicht leitendem (sehr hohem Widerstand) und anderen kleinen Schaltungsverlusten übergeht.
Je schneller ein Schaltregler schaltet, desto weniger Energiespeicherkapazität benötigt er, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, so dass kleinere Komponenten verwendet werden können. Die Kosten für ein schnelleres Schalten sind jedoch ein Effizienzverlust, da mehr Zeit für den Übergang zwischen dem leitenden und dem nicht leitenden Zustand aufgewendet wird, was bedeutet, dass aufgrund der Widerstandsheizung mehr Energie verloren geht.
Ein weiterer Nebeneffekt des schnelleren Schaltens ist die Zunahme des vom Schaltregler erzeugten elektronischen Rauschens. Durch Verwendung verschiedener Schalttechniken kann ein Schaltregler die Eingangsspannung herabsetzen (Buck-Topologie), die Spannung erhöhen (Boost-Topologie) oder sowohl die Spannung als auch die Spannung erhöhen (Buck-Boost), je nach Bedarf, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten Dies macht Schaltregler zu einer großen Wahl für viele batteriebetriebene Anwendungen, da der Schaltregler die Eingangsspannung der Batterie erhöhen oder erhöhen kann, wenn sich die Batterie entlädt. Dadurch kann die Elektronik weit über den Punkt hinaus funktionieren, an dem die Batterie direkt die richtige Spannung für die Schaltung bereitstellen könnte.
