Fuentes de alimentación reguladas: ¿cómo funcionan?

Estoy construyendo un pequeño amplificador de audio ( una variante controlada por la corriente del diseño de szekeres ) y aparentemente necesita una fuente de alimentación regulada y muy limpia. Debido a los requisitos mínimos de pedido de piezas, terminaré, entre otras cosas, con un lm317 de repuesto y otros. Según tengo entendido, tanto el transformador estándar-> el rectificador de puente del puente wheatstone como las fuentes de alimentación conmutadas son relativamente ruidosas, por lo que dado que tengo repuestos, me pregunto si seguir el diseño de referencia para construir un regulador de voltaje marcaría la diferencia, o si solo debería usar una fuente de alimentación conmutada para alimentarla; debería poder encontrar una de 15-20 v que esté planeando usar de todos modos, y no usar el regulador de voltaje para la fuente de alimentación

Para el caso, ¿ usar un regulador de voltaje reduce la ondulación y el ruido, o es simplemente un divisor de voltaje complicado?

La potencia de conmutación es ruidosa, no hay duda al respecto, por lo general, desde kilohercios hasta el rango de megahercios, tanto CM como DM.

También creo que estás confundiendo tus términos. Supongo que querías decir transformador y rectificador de puente, no puente de Wheatstone.

Puede usar un conmutador para alimentar un regulador 317 y obtener el beneficio de una salida más limpia y menos pérdida de eficiencia que una solución completamente lineal (transformador de frecuencia de red y otros)

Un 317 está activo y rechazará la ondulación en función de la red de retroalimentación de voltaje que controla el transistor de paso en serie en el dispositivo.

El regulador de voltaje no es un divisor de voltaje glorificado: tiene referencias internas y circuitos de retroalimentación que le permiten mantener activamente el nivel de potencia. No es perfecto (por lo que aún se ondula), pero es mucho mejor que un divisor de voltaje.

Las fuentes de alimentación generalmente se clasifican según dos criterios: regulación de línea y regulación de carga. La regulación de línea es la capacidad del suministro para compensar los cambios en el voltaje de entrada. Esto ayuda a reducir la ondulación: si está utilizando un transformador y un puente de piedra de trigo, todavía tendrá algo de ondulación después del filtrado de paso bajo. Una buena regulación de línea (bajo delta Vout / delta Vin) significa que el voltaje de salida resiste estas ondas y es más limpio. La regulación de carga se ocupa de qué tan bien el suministro puede entregar corriente mientras mantiene el voltaje. Si no tomara corriente del suministro, es probable que obtenga el voltaje de salida correcto. Pero a medida que consume más y más corriente, la mayoría de los suministros pierden voltaje.

Los divisores de voltaje tienen una terrible regulación de línea o carga: solo son dispositivos de alimentación que no compensan en absoluto sus salidas. Cualquier suministro regulado será mejor que eso. Mire las hojas de datos de los reguladores y vea qué números proporcionan para la regulación de línea y carga. También será importante el ancho de banda. El regulador tiene un pequeño bucle de control en el interior que solo puede explicar la ondulación que ve. Cualquier onda que caiga fuera de su ancho de banda es invisible y no se puede solucionar. Si ve un problema de frecuencia en particular, es posible que deba cambiar los reguladores. También hay algunas notas de aplicación de algunos fabricantes que contienen información sobre cómo extender el ancho de banda de los reguladores a veces.

Buena suerte.

Operación de suministro de energía regulada (voltaje):

Para comenzar desde una perspectiva grande y más simple, el trabajo de los reguladores de voltaje, tanto de conmutación como lineales, es actuar como fuente de voltaje ideal. Esto es para proporcionar voltaje constante incluso en caso de carga variable y / o su propio suministro.

Por lo general, se logra mediante el uso del ciclo de retroalimentación. En este ajuste, se detecta el voltaje de salida y, en caso de que caiga por debajo del valor establecido, se hace algo para proporcionar más corriente a la salida, lo que debería provocar que el voltaje de salida vuelva al valor establecido (y se invierta si el voltaje está por encima del valor establecido). Este "algo" en los reguladores lineales es hacer que el elemento de paso * 1) conduzca más corriente de entrada a salida ajustando la corriente base o el voltaje de la puerta. En el regulador de conmutación, generalmente "algo" es ajustar la frecuencia y / o el ciclo de trabajo para lograr el mismo objetivo. En resumen, tanto el trabajo principal de los reguladores lineales como los de conmutación es reducir las variaciones de voltaje de salida.

Ahora, nada en la vida es perfecto, y ambas realizaciones del mismo objetivo tienen limitaciones (severas). Hay muchos factores a tener en cuenta (línea, regulación de carga, velocidad de regulación, estabilidad, ruido de salida, voltaje de entrada / salida de funcionamiento / rango de corriente y muchos más), pero en aras de una (sobre) simplificación, los reguladores lineales son mejores para proporcionar una salida sin ondulaciones y luego cambiar a costa de la eficiencia (esto es porque el regulador conmutado introduce su propia ondulación, pero a su vez es más eficiente y puede hacer cosas que los reguladores lineales no pueden hacer, como aumentar el voltaje).

Para el caso de la pregunta:

R) En esta aplicación, uno realmente necesita una buena fuente de energía regulada, ya que las ondas de 50Hz / 60Hz (100Hz / 120Hz) son audibles (el llamado zumbido de la línea de alimentación). También porque los amplificadores vinculados intercambian la inmunidad de la variación de la oferta por simplicidad.

B) LM317, de su DS, tiene 80dB * 2) rechazo de ondulación típico a 120Hz (línea de alimentación x2). Es decir, si tiene una ondulación pk-pk de 1V en la entrada, su ondulación de salida debe ser de 0.1mV (atenuación de 10k veces). No me cite sobre eso (ya que hay muchos factores a tener en cuenta) pero parece que esto debería ser más que suficiente para esta aplicación.

C) El regulador de conmutación / fuente de alimentación puede ser lo suficientemente bueno siempre que rechace muy bien 100Hz / 120Hz (80dB como en el caso de LM317 sería bueno). Incluso si produce más ondulación (es difícil encontrar uno con menos de 5mV de salida de auto-ondulación), si están por encima de 20 kHz (y para la mayoría de la fuente de conmutación es el caso) no tiene que preocuparse por ello. estaría fuera del rango de frecuencia que el oído humano puede escuchar.

Por cierto, puede ver a los reguladores lineales como "divisores de voltaje complicados"), lo que de hecho es una analogía bastante buena (ya que el elemento de paso podría tratarse como resistencia "ajustable"). Sin embargo, tenga en cuenta que esta "complicación" le da 80dB de rechazo de ondas :)

* 1) elemento de paso: generalmente es transistor, BJT o MOSFET, conectado entre la entrada y la salida del regulador. El circuito de retroalimentación lo ajustará hacia un estado más "abierto" o "cerrado", de modo que este elemento pasará más o menos corriente para mantener el voltaje de salida.

* 2) necesita diseñarlo correctamente, es decir, proporcionar suficientes tapas de desacoplamiento, asegurarse de que funcionará con la caída adecuada para mantener la regulación, etc. La documentación es su amigo.

Un regulador lineal es un regulador de voltaje basado en un dispositivo activo como un transistor de unión bipolar (BJT) o un transistor de efecto de campo (FET) que opera en su región lineal. Es muy ineficiente en comparación con una fuente de alimentación de modo conmutado, ya que la diferencia entre el voltaje de entrada y salida se disipa como calor.

El LM317 tiene tres terminales: entrada, salida y ajuste. El regulador desarrolla un voltaje de referencia nominal de 1.25V entre la salida y los terminales de ajuste. Este voltaje constante se aplica a través de una resistencia, lo que hace que fluya una corriente constante. Esta corriente constante fluye a través de una segunda resistencia conectada a tierra. Al variar el valor de la segunda resistencia, el voltaje a través de ella variará y, por lo tanto, se puede establecer el voltaje de salida.

Aunque el LM317 se puede usar sin condensadores, agregar un condensador de 1 uF tanto en la entrada como en la salida dará una salida más limpia.

Esta página es útil para calcular los valores de las resistencias. Aquí hay otro.

El regulador de voltaje compara el voltaje de salida con un voltaje de referencia (a menudo integrado en el propio regulador), por lo que si no hubiera imperfecciones, el voltaje de salida sería totalmente independiente del voltaje de entrada, la corriente de salida, la temperatura, etc.

Un regulador de conmutación puede no ser necesariamente una mala idea, si puede asegurarse de que el ruido de conmutación esté siempre fuera de la banda de frecuencia de su señal de interés (aquí 20Hz ~ 20kHz), entonces es tan bueno como un regulador de voltaje lineal. En la práctica, puede que no sea tan fácil de verificar (el ruido está modulado por la respuesta del bucle, etc.)