Jak wybrać regulator napięcia: 6 czynników do rozważenia

Regulatory napięcia są niezbędnym elementem urządzeń elektrycznych i elektromechanicznych, zapewniającym ich niezawodne działanie. Każda elektronika wymaga stałego napięcia wejściowego, a regulatory napięcia zapewniają spełnienie wymagań odnośnie parametrów dostarczanej energii elektrycznej.

Do czego służy regulator napięcia?

Każde urządzenie, od samochodów po klimatyzatory czy telefony komórkowe, używa regulatorów napięcia. Niektóre urządzenia są bardziej czułe niż inne na zmiany napięcia, a niektóre źródła zasilania są też bardziej zmienne niż inne, co utrudnia wybór najlepszego  regulatora dla konkretnej aplikacji.

Nawet w przypadku prostej konstrukcji z niskim poborem mocy i stosunkowo stałym źródłem zasilania, nie zastosowanie regulatora napięcia może zagrozić niezawodności układu. Światło to przypadek, w którym ewentualnie możesz nie zastosować regulatora napięcia: jeśli napięcie spadnie, światło po prostu się ściemni. Jednak brak regulatora napięcia może zagrozić wydajności i niezawodności, potencjalnie powodując takie problemy, jak migotanie diody LED, resetowanie się kontrolera, a nawet spalenie się niektórych komponentów.

Jak działa regulator napięcia?

Regulatory napięcia są zwykle stosowane tam, gdzie napięcie musi zostać zmodyfikowane. Na przykład w stacjonarnym telefonie bezprzewodowym występuje zasilacz prądu przemiennego, który konwertuje napięcie 120 VAC na 8 VAC. Z kolei w podstawie telefonu znajduje się inny regulator napięcia, zapewniający wymagane napięcie prądu stałego do elektroniki ulokowanej w bazie aparatu. W samym telefonie możesz znaleźć adapter DC-DC, który wykorzystuje regulator napięcia, aby zapewnić prawidłowe napięcie dla elektroniki w słuchawce.

W złożonym urządzeniu elektromechanicznym z różnymi komponentami, które wymagają różnych napięć, potrzeba regulatorów napięcia jest bardziej oczywista. Na przykład w komputerze musi być użyty adapter wtyczki do konwersji napięcia 120 VAC na niższe. Następnie różne komponenty wewnętrzne, takie jak płyta główna, wentylator chłodzący i dysk twardy, wymagają do poprawnego działania innego napięcia. Regulatory napięcia są używane do zapewnienia stałego, niezawodnego napięcia dla każdego wewnętrznego elementu układu.

Dobierając regulatora napięcia, należy rozważyć następujące czynniki:

1.Napięcie wejściowe i wyjściowe

W idealnym przypadku zakres napięcia wejściowego i wymagane napięcie wyjściowe, z którym ma pracować układ, jest nam dobrze znane. Każdy układ regulatora napięcia jest przeznaczony do użytku z określonym napięciem wyjściowym. Na przykład w urządzeniu zasilanym napięciem 120 VAC, zawierającym tak różne składowe jak kontroler Raspberry Pi 5 V, serwomotory 12 V i silnik krokowy 24 V, aby wszystko działało płynnie, należałoby użyć regulatorów napięcia 5 V, 12 V i 24 V.

Jeśli jednak masz pewien ‘zapas’ napięcia, który możesz mieć pod ręką do różnych zastosowań, można zastosować sterowalne regulatory wyjściowe, które po prostym dostosowaniu mogą być używane dla szeregu wyjść. Dobrym przykładem produktu jest MCP1754ST-5002E/MC firmy Microchip.

2.Spadek napięcia

Spadek napięcia to różnica między napięciem wyjściowym i wejściowym. Na przykład, jeśli na wejściu masz 7V i potrzebujesz 5V na wyjściu, wymagane jest zmniejszenie napięcia co najmniej 2V. Jeśli jednak na przykład podejrzewasz, że napięcie wejściowe 7V w rzeczywistości spadnie poniżej tej wartości, potrzebujesz też niższego spadku.

Spadek jest określony dla każdego układu regulatora napięcia wraz z napięciem wyjściowym. Na przykład można znaleźć regulatory napięcia 5V z różnymi dostępnymi zakresami spadków napięcia. W przypadku obwodów z małą różnicą między napięciem wejściowym i wyjściowym, wymagany byłby regulator napięcia o niskim spadku napięcia (LDO). Dobrym przykładem takiego układu jest TCR2LE31.LM firmy Toshiba.

3. Regulator liniowy zwykły czy impulsowy?

Regulator liniowy nie może kompensować mocy, która spada poniżej napięcia wyjściowego. Aby zapewnić 5V na wyjściu, należy zachować minimum 5V napięcia wejściowego. Jeśli spadki mocy muszą być skompensowane, można zastosować regulator przełączający typu boost lub step-up. Dobrym przykładem produktu tego typu jest MIC2877-5.25YFT-TR firmy Microchip.

Innym przypadkiem, w którym regulator impulsowy może być korzystnym rozwiązaniem, jest sytuacja, w której skoki poboru mocy mogą spowodować spadek napięcia. Na przykład, gdy włącza się solenoid, wzrasta pobór mocy, spada napięcie i mikrokontroler resetuje się, chyba że używasz regulatora napięcia, który może to kompensować.

Przełączanie regulatorów może również mieć większy sens w przypadku urządzeń, gdy występuje duża różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym, co powoduje zbyt dużą utratę mocy, czemu towarzyszy duże ilości wytwarzanego ciepła.

To, czy stosowanie regulatorów przełączających ma sens, zależy od rodzaju projektu, jego ograniczeń projektowych i budżetu. Przełączanie się regulatora może powodować szum i zakłócenia, które wymagają kompensacji w obwodzie. Również koszt ma znaczenie: w przypadku drogiego elementu robotyki lub wrażliwego sprzętu medycznego stosowanie regulatorów impulsowych będzie mniej kosztowne, niż w przypadku niskobudżetowego towaru.

4. Czułość urządzenia

Bardzo wrażliwe urządzenia, takie jak smartfony, urządzenia zawierające łączność bezprzewodową czy sprzęt medyczny zasilany bateryjnie, mogą wymagać specjalnego regulatora w celu zmniejszenia poziomu szumów. Aby uzyskać więcej informacji, należy zapoznać się z zastosowaniem układów LDO do minimalizowania szumów generowanych przez  zasilanie.

5. Czas odpowiedzi

W przypadku zastosowań wymagających szybkiego czasu odpowiedzi, takich jak karty graficzne, telewizory, komputery, drukarki i systemy wbudowane, dostępne są specjalne regulatory napięcia z krótkim czasem odpowiedzi. Dobrym przykładem produktu jest NCV51198PDR2G firmy ON Semiconductor.

6. Pobór mocy

Podczas korzystania z liniowego regulatora napięcia różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym jest tracona i  przekształcana w ciepło. Gdy zużycie energii jest niskie, generowane ciepło najprawdopodobniej nie stanowi problemu. Jednak w zależności od zastosowania, jeśli pobierany prąd stanie się wystarczająco duży, ilość wytwarzanego ciepła może stać się problemem. Wspomniana powyżej opcja zastosowania regulatora impulsowego zamiast liniowego jest jednym z możliwych rozwiązań. Aby utrzymać optymalny zakres temperatur, można także użyć radiatora.

Chociaż regulatory napięcia na początku wydają się proste, stanowią część większego, bardziej złożonego systemu, składającego się na finalną niezawodność zasilaczy i całego układu. Niedocenianie potencjalnych problemów z niezawodnością i wydajnością, które mogą wynikać z doboru nieprawidłowego regulatora napięcia, jest błędem, którego można uniknąć dzięki specjalistycznej wiedzy projektowej.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow Electronics.