Régulateur de tension des premiers principes - pourquoi la puissance est-elle déchargée dans le transistor?

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J'essaie d'approfondir ma compréhension de l'électronique, j'ai donc décidé d'essayer de concevoir un régulateur de tension fixe capable d'alimenter un ampli. J'ai rassemblé cela à partir des premiers principes sans me référer à aucune sorte de référence sur la façon dont les régulateurs de tension sont généralement conçus.

Mes pensées étaient:

Zener et résistance pour fournir une référence de tension fixe.
Comparateur pour détecter lorsque la tension de sortie était supérieure au seuil cible.
Transistor pour allumer et éteindre l'alimentation.
Condensateur pour servir de réservoir.

Dans cet esprit, j'ai conçu ce régulateur fixe 5V, qui semble fonctionner:

Ce que j'ai remarqué, cependant, c'est qu'il a certaines limites dont je ne peux pas vraiment en déduire la cause:

Le courant de V1 (entrée) est à peu près égal au courant à R2 (sortie), malgré des tensions différentes. Cela semble correspondre au comportement des régulateurs de tension linéaires (est-ce ce que je viens de créer?) Mais je ne sais pas pourquoi cela se produit. Pourquoi tant d'énergie est-elle dissipée du Q2, étant donné qu'elle ne fait que s'allumer et s'éteindre?
Lorsque V1 est inférieure à environ 7,5 V, la tension de sortie n'atteint jamais le seuil de 5 V, mais oscille plutôt autour de 4 V. J'ai essayé cela avec des charges variables, mais cela ne fonctionne tout simplement pas en dessous de cette tension d'entrée. Quelle est la cause de cela?

— Polynôme
source

Les réponses existantes répondent déjà aux raisons de ce que vous voyez. Essayez d'introduire une petite rétroaction positive autour de votre «comparateur» d'opamp pour le forcer à se comporter un peu plus comme un commutateur - tout comme un exercice ...

— brhans

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"Comparateur à détecter ..." - Il n'y a pas de comparateur dans votre circuit, juste un ampli-op. Si vous le remplacez par un comparateur réel, vous pourriez voir un comportement différent (pas nécessairement meilleur ).

— marcelm

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Notez que même si le transistor n'était que complètement activé ou désactivé, ce serait toujours un régulateur linéaire - vous utiliseriez simplement la résistance des fils au lieu de faire en sorte que le transistor ait une résistance.

— user253751

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J'ai rassemblé cela à partir des premiers principes sans me référer à aucune sorte de référence sur la façon dont les régulateurs de tension sont généralement conçus.

Ce n'est pas un bon début, mais vous avez en fait fini avec presque la conception exacte de la plupart des régulateurs linéaires. Mais le "premier principe" que vous avez oublié est la région linéaire MOSFET . Avez-vous essayé cette chose dans un simulateur? Le système se déposera à un point où le transistor est à moitié passant, dissipant la puissance sous forme de résistance.

Lorsque V1 est inférieure à environ 7,5 V, la tension de sortie n'atteint jamais le seuil de 5 V, mais oscille plutôt autour de 4 V. J'ai essayé cela avec des charges variables, mais cela ne fonctionne tout simplement pas en dessous de cette tension d'entrée. Quelle est la cause de cela?

C'est ce qu'on appelle la "tension de décrochage". Cela est dû aux limites de la proximité des rails d'entrée que l'opamp est capable de conduire; vous perdez environ 0,7 V dans le transistor de sortie de l'ampli-op et un autre 0,7 V à cause de la tension de seuil du MOSFET.

Vous pourriez peut-être faire mieux avec un meilleur ampli-op que l'ancien 741 obsolète. Sinon, vous essayez de concevoir ce qu'on appelle un LDO: un régulateur à faible chute de tension.

— pjc50
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facepalm - ce sont toutes des choses que je savais, mais qui n'ont pas pu s'appliquer dans leur contexte. Je vous remercie.

— Polynôme

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Je dois mentionner que cela a été purement conçu dans un simulateur, et oui, c'est exactement ce qui se passe. Je ne suis pas assez fou pour assembler quelque chose comme ça avec de vraies pièces sans faire référence à une référence.

— Polynôme

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Un régulateur linéaire est essentiellement une résistance intelligente - le transistor joue ici le rôle de la résistance.

— Ecnerwal

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Pourquoi n'est-ce pas un bon début? (en supposant qu'il s'agit d'un projet de loisir / d'apprentissage non destiné à la production)

— user253751

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Pourquoi tant d'énergie est-elle dissipée du Q2, étant donné qu'elle ne fait que s'allumer et s'éteindre?

Parce que ce n'est pas un circuit régulateur à découpage - c'est un régulateur linéaire que vous avez conçu.

Le courant de V1 (entrée) est à peu près égal au courant à R2 (sortie), malgré des tensions différentes. Cela semble correspondre au comportement des régulateurs de tension linéaires (est-ce ce que je viens de créer?)

Oui tu as.

Lorsque V1 est inférieure à environ 7,5 V, la tension de sortie n'atteint jamais le seuil de 5 V

Vous avez besoin d'environ quelques volts sur la grille (par rapport à la source) pour commencer à allumer le MOSFET. Cela doit provenir de l'ampli-op et il "perd" probablement d'environ un volt sur sa sortie par rapport au rail d'alimentation entrant. Donc, si vous voulez une tension de sortie de 5 volts, vous avez besoin d'une alimentation d'entrée d'environ 8 volts et ce sera sur des charges légères.

Sur des charges lourdes, la tension grille-source peut devoir être de 3 ou 4 volts. Maintenant, vous aurez probablement besoin d'une alimentation entrante d'environ 10 volts pour maintenir la sortie du régulateur à 5 volts.

Respectez le régulateur simple, en particulier ceux qui sont à faible taux d'abandon !!

— Andy aka
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De plus, le courant zener est très faible, même à 10 V, son seul 5 mA, le dispositif est spécifié à plus près de 50 mA. La tension Zener chutera avec des courants inverses inférieurs. Si vous vous attendez à une gamme aussi large, j'utiliserais plutôt un appareil de référence de tension.

— Trevor_G

"Ayez du respect pour le régulateur simple" - en effet! Je n'ai vraiment pas apprécié combien d'ingénierie va dans l'humble LDO!

— Polynôme

Oui, il y a beaucoup d'ingénierie. Nous n'avons même pas commencé à parler de stabilité, de PSRR ou de bruit ici.

— pjc50

Vous pouvez essayer un MOSFET de puissance P_channel. Étant donné que cela s'exécute dans INVERTING_MODE, par rapport à la façon dont le N_channel IRFP054 est utilisé, vous devrez inverser les entrées de l'OpAmp.

— analogsystemsrf

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Il est peut - être intéressant de noter que même si le MOSFET devait être utilisé comme un commutateur plutôt que dans sa région linéaire, il encore avoir à dissiper la chaleur importante, parce que vous voulez essayer de charger un condensateur à partir d' une source de tension, qui ne peut jamais être efficace à plus de 50%.

— pericynthion

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La conception est correcte, sauf que le décrochage du FET LDO peut être inférieur à celui du BJT LDO, mais la compensation FET peut exiger une plage ESR limitée pour la stabilité et permettre une certaine ondulation pour le retour.

Vous pouvez le rendre efficace jusqu'à 98% grâce au bon choix d'inductance avec un commutateur RDSOn bas et une self DCR faible. Vous avez maintenant un régulateur buck. Simulation ici

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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C'est une réponse vraiment ancienne, mais je ne suis pas vraiment convaincu qu'il s'agit d'un régulateur de buck. Il n'a qu'un seul élément de commutation, et le transistor dissipe toujours des quantités importantes de puissance.

— Hearth

@Felthry Pourquoi douter de ma simulation, vérifiez le Zener Vz avec la souris, ajoutez Tranny à la portée, changez la portée pour afficher Watts max, min pour Vce, Ice, notez le triangle d'entrée variable entrée V et charge pulsée de 0,7 à 1,9A puis changez NPN à NFET (supprimer, dessiner FET) changer gm en 1 à 5 et ajouter à Scope, changer en Watts min, max, ajouter DCR à L, faire glisser le coin de la pièce avec la touche Maj ou ^ en mode élastique pour étirer, rétrécir ou faire pivoter. Prouvez que cela fonctionne ou combien vous pouvez le faire mieux. Modifiez le plafond pour ajouter un faible ESR, puis ajoutez 0,1 uF avec un ESR inférieur.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Eh bien, pour une chose, je peux voir en survolant le transistor qu'il dissipe plus de 20 watts en courtes rafales et dissipe régulièrement plusieurs watts, ce qui ne devrait pas se produire dans un convertisseur de commutation. Étrangement, vous ne pouvez pas représenter graphiquement la dissipation de puissance dans les transistors sur le simulateur falstad.

— Hearth

Vous pouvez voir les watts dans l'échelle de portée, mais tracer la puissance en FET, ici avec PFET modifié pour une efficacité de 90%, impulsion de charge de 125 W, étape complète de 50% avec entrée d'ondulation 2V et sortie d'ondulation 5 mV. tinyurl.com/ya5gyufe . Certaines parties incluent l'ESR, le choix du FET est important. @Felthry

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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La puissance est transférée dans le transistor car il s'agit de l'élément série, donc tout le courant de la charge doit le traverser, tout en diminuant la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie.

— Martin
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Quelle est la cause de cela?

Avec l'alimentation de l'ampli op à v1, la tension de sortie maximale sur l'ampli op et la porte des MOSFET est v1. Le MOSFET aura besoin de quelques vgs pour fonctionner, du sable qui est généralement de 2 à 5v, selon le MOSFET utilisé. 0,7 V pour les bits et 1,3 V pour Darlington.

Cela signifie que le maximum que la source des MOSFET peut voir est de v1 - 2 à 5v. C'est exactement ce que tu as vu.

— dannyf
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