Regulador de voltaje desde los primeros principios: ¿por qué se descarga energía en el transistor?

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Estoy tratando de ampliar mi comprensión de la electrónica, así que decidí intentar diseñar un regulador de voltaje fijo capaz de suministrar un amplificador más o menos. Reuní esto desde los primeros principios sin referirme a ningún tipo de referencia sobre cómo se suelen diseñar los reguladores de voltaje.

Mis pensamientos fueron:

Zener y resistencia para proporcionar una referencia de voltaje fijo.
Comparador para detectar cuándo el voltaje de salida estaba por encima del umbral objetivo.
Transistor para encender y apagar el suministro.
Condensador para actuar como depósito.

Con eso en mente, diseñé este regulador fijo de 5V, que parece funcionar:

Lo que sí noté, sin embargo, es que tiene ciertas limitaciones de las que no puedo derivar la causa:

La corriente de V1 (entrada) es aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida), a pesar de los diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento de los reguladores de voltaje lineal (¿es eso lo que acabo de crear?), Pero no estoy seguro de por qué sucede. ¿Por qué se disipa tanta energía de Q2 teniendo en cuenta que solo se enciende y apaga?
Cuando V1 es menor a aproximadamente 7.5V, el voltaje de salida nunca alcanza el umbral de 5V, sino que oscila alrededor de 4V. He intentado esto con diferentes cargas, pero simplemente no funciona por debajo de ese voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de esto?

— Polinomio
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Las respuestas existentes ya abordan las razones de lo que está viendo. Trate de introducir un poco de retroalimentación positiva alrededor de su amplificador operacional 'comparador' para obligarlo a comportarse un poco más como un conmutador - al igual que un ejercicio ...

— brhans

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"Comparador para detectar ..." - No hay comparador en su circuito, solo un amplificador operacional. Si lo reemplaza con un comparador real, puede ver un comportamiento diferente (no necesariamente mejor ).

— marcelm

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Tenga en cuenta que incluso si el transistor solo estuviera completamente encendido o completamente apagado, seguiría siendo un regulador lineal: simplemente estaría usando la resistencia de los cables en lugar de hacer que el transistor tenga resistencia.

— user253751

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Reuní esto desde los primeros principios sin referirme a ningún tipo de referencia sobre cómo se suelen diseñar los reguladores de voltaje.

No es un buen comienzo, pero en realidad has terminado con el diseño casi exacto de la mayoría de los reguladores lineales. Pero el "primer principio" que has olvidado es el MOSFET región lineal . ¿Has probado esto en un simulador? El sistema se instalará en un punto donde el transistor está a medio encendido, disipando la potencia como resistencia.

Cuando V1 es menor a aproximadamente 7.5V, el voltaje de salida nunca alcanza el umbral de 5V, sino que oscila alrededor de 4V. He intentado esto con diferentes cargas, pero simplemente no funciona por debajo de ese voltaje de entrada. ¿Cuál es la causa de esto?

Esto se llama el "voltaje de caída". Esto se debe a las limitaciones de cuán cerca de los rieles de entrada es capaz de conducir el opamp; pierde aproximadamente 0.7V en el transistor de salida del opamp y otros 0.7V debido al voltaje de umbral del MOSFET.

Es posible que pueda hacerlo mejor con un amplificador operacional mejor que el antiguo y obsoleto 741. De lo contrario, está tratando de diseñar lo que se llama un LDO: regulador de baja caída.

— pjc50
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Facepalm : estas son todas las cosas que sabía, pero no pude aplicar en contexto. Gracias.

— Polynomial

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Debo mencionar que esto fue puramente diseñado en un simulador, y sí, eso es exactamente lo que sucede. No estoy lo suficientemente enojado como para armar algo como esto con partes reales sin hacer referencia a una referencia.

— Polynomial

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Un regulador lineal es básicamente una resistencia inteligente: el transistor desempeña el papel de resistencia aquí.

— Ecnerwal

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¿Por qué no es un buen comienzo? (asumiendo que este es un proyecto de pasatiempo / aprendizaje no para producción)

— user253751

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¿Por qué se disipa tanta energía de Q2 teniendo en cuenta que solo se enciende y apaga?

Debido a que no es un circuito regulador de conmutación, es un regulador lineal que usted ha diseñado.

La corriente de V1 (entrada) es aproximadamente igual a la corriente en R2 (salida), a pesar de los diferentes voltajes. Esto parece coincidir con el comportamiento de los reguladores de voltaje lineal (¿es eso lo que acabo de crear?)

Si tu tienes.

Cuando V1 es inferior a aproximadamente 7,5 V, el voltaje de salida nunca alcanza el umbral de 5 V

Necesita aproximadamente un par de voltios en la puerta (con respecto a la fuente) para comenzar a encender el MOSFET. Esto tiene que venir del amplificador operacional y probablemente "pierde" alrededor de un voltio en su salida en comparación con el riel de potencia entrante. Entonces, si desea un voltaje de salida de 5 voltios, entonces necesita un suministro de entrada de aproximadamente 8 voltios y eso será con cargas ligeras.

En cargas pesadas, el voltaje de la fuente de compuerta puede necesitar ser de 3 o 4 voltios. Ahora probablemente necesitará un suministro entrante de aproximadamente 10 voltios para mantener la salida del regulador a 5 voltios.

¡Tenga respeto por el regulador simple, especialmente aquellos que son de baja deserción escolar!

— Andy alias
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Además, la corriente zener es muy baja, incluso a 10v, solo 5ma, el dispositivo se especifica a más cerca de 50ma. El voltaje de Zener caerá con corrientes inversas más bajas. Si espera un rango tan amplio, usaría un dispositivo de referencia de voltaje.

— Trevor_G

"Tenga respeto por el regulador simple", ¡de hecho! ¡Realmente no aprecié cuánta ingeniería se dedica al humilde LDO!

— Polinómico

Sí, hay mucha ingeniería. Ni siquiera hemos comenzado a hablar de estabilidad, PSRR o ruido aquí.

— pjc50

Puede probar un P_channel power MOSFET. Como eso se ejecuta en INVERTING_MODE, en comparación con la forma en que se usa el N_channel IRFP054, deberá voltear las entradas de OpAmp.

— analogsystemsrf

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Quizás valga la pena señalar que incluso si el MOSFET se usara como un interruptor en lugar de en su región lineal, todavía tendría que disipar calor significativo, porque estaría tratando de cargar un condensador desde una fuente de voltaje, que nunca puede Ser más del 50% eficiente.

— pericynthion

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El diseño está bien, excepto que el abandono del FET LDO puede ser menor que el BJT LDO, pero la compensación de FET puede exigir un ESR de rango limitado para la estabilidad y permitir cierta ondulación para la retroalimentación.

Puede hacerlo hasta un 98% de eficiencia con la buena elección del inductor con un interruptor RDSOn bajo y un estrangulador DCR bajo. Ahora tienes un regulador de dinero. Simulación aquí

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Esta es una respuesta muy antigua, pero no estoy realmente convencido de que sea un regulador de dinero. Solo tiene un elemento de conmutación, y el transistor todavía disipa cantidades significativas de energía.

— Hogar

@Felthry ¿Por qué dudar de mi simulación? Verifique el Zener Vz con el mouse, agregue Tranny al alcance, cambie el alcance para mostrar Watts max, min para Vce, Ice, observe la entrada de triángulo de entrada variable V y la carga pulsada de 0.7 a 1.9A luego cambie NPN a NFET (eliminar, dibujar FET), cambiar gm de 1 a 5 y agregar a Scope, cambiar a Watts min, max, agregar DCR a L, arrastrar la esquina de la parte con la tecla shift o ^? al modo banda elástica para estirar, encoger o rotar. Demuestre que funciona o cuánto mejor puede hacerlo. Cambie la tapa para agregar un ESR bajo y luego agregue 0.1uF con un ESR más bajo.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Bueno, por un lado, puedo ver que al pasar sobre el transistor se está disipando más de 20 vatios en ráfagas cortas y disipando regularmente varios vatios, lo que no debería suceder en un convertidor de conmutación. Curiosamente, no se puede graficar la disipación de potencia en transistores en el simulador falstad.

— Hogar

Puede ver los vatios en la escala del alcance, pero trace la potencia en los FET, aquí con PFET ajustado para una eficiencia del 90%, pulso de carga de 125 W, paso completo 50% con entrada de ondulación de 2V y salida de ondulación de 5 mV. tinyurl.com/ya5gyufe . Algunas partes incluyen ESR, la elección de FET es importante. @Felthry

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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La potencia se descarga en el transistor porque es el elemento en serie, por lo que toda la corriente para la carga tiene que pasar por ella, mientras que al mismo tiempo tiene que disminuir la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida.

— Martín
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¿Cuál es la causa de esto?

Con el suministro para usted opamp en v1, el voltaje de salida máximo en el opamp y la puerta MOSFET es v1. El MOSFET necesitará algunos vgs para funcionar, arena que normalmente es de 2 a 5v, dependiendo del MOSFET utilizado. 0.7v para bits y 1.3v para Darlington.

Eso significa que el máximo que la fuente MOSFET puede ver es v1 - 2 a 5v. Eso es exactamente lo que viste.

— dannyf
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