Electronique 102 - Leçon 4 - Régulateur de tension simple
Dans la leçon précédente, nous avons amélioré l'amplificateur, simulé et a démontré sa performance à l'aide SPICE.
Dans cette leçon, nous allons concevoir un régulateur de tension, le cœur de toute alimentation électrique.
La nécessité pour les régulateurs de tension
L'objectif des régulateurs de tension est de fournir une tension d'alimentation stable aux circuits que vous concevez.
Ils sont des circuits les plus communs (tous les systèmes électroniques, peu importe ce que sa fonction, a au moins un), et pourtant ils sont souvent négligés en raison de leur caractère utilitaire.
tension de référence
Les régulateurs de tension ont besoin d'une référence à fonctionner. Une tension de référence est une partie ou un circuit qui fournit une tension stable lorsque des paramètres extérieurs, tels que la tension d'alimentation ou la température varient.
La référence de tension la plus courante est la diode Zener ([1]). Une diode Zener est une diode où le comportement de claquage par avalanche inverse a été optimisé et quantifiés de telle sorte que la diode peut être utilisée en toute sécurité dans cette région.
Nous pouvons utiliser SwitcherCAD pour illustrer le comportement d'une diode Zener.
Ce circuit simple sera utilisé pour démontrer une autre caractéristique du logiciel SPICE. Nous demanderons au programme de balayer la tension de la source V1 et tracer la tension aux bornes de la diode Zener en conséquence.
Créer le schéma maintenant, vous n'avez pas besoin d'entrer une valeur dans la source V1 pour l'instant. Ne vous inquiétez pas au sujet de la déclaration .DC au bas du schéma, il est juste une ligne de texte j'ai placé là pour référence. Lorsque vous avez fini de créer le schéma, cliquez sur Simulate-> Modifier Simulation Cmd puis sélectionnez « balayage DC ».
Entrez les valeurs suivantes:- Nom de la 1ère source Sweep: V1
- Type de balayage: linéaire
- Valeur de départ: -4
- Valeur finale: 16
- Incrément: 0,1
Vous devriez obtenir un terrain comme celui-ci:
Nous pouvons observer que dans la gamme de -0,5 à environ 6 V, la tension de sortie suit la tension d'entrée. En dessous, la diode Zener devient polarisée en direct et la tension à ses bornes niveaux autour de -0,5 à -0,6 V, comme une diode régulière.
A des tensions de source au-dessus d'environ 6 V, le Zener commence à conduire courant et la tension à travers elle les niveaux autour de 6,2 V, ce qui est la tension de Zener classé pour cette pièce.
La région de tension négative est intéressante en ce qu'elle montre qu'une diode Zener est comme une diode réelle lorsqu'il est polarisé dans la direction vers l'avant. Cependant, nous ne voulons pas utiliser la diode Zener dans cette région
La partie la plus intéressante est la région de polarisation inverse (lorsque des tensions de V1 sont positives). L'effet de Zener fournit une tension de 6,2 V environ qui est assez stable, par rapport à la tension de source.
Pour savoir comment stable, nous allons ré-exécuter la simulation mais en balayant la source entre 8 et 18V.
La variation de la tension de sortie sur la variation de la tension d'entrée qui a provoqué il est appelé règlement ligne.
Règlement ligne = Delta (Vout) / Delta (Vin)
Dans ce cas, la variation de la tension de sortie lorsque les variations de tension d'entrée de 14 à 16 V (un changement 2 V) est de 20 mV, de sorte que le règlement de la ligne entre 14 et 16 V est de 1%.
Si nous devions remplacer la source V1 avec une batterie de voiture, nous prévoyons que la tension Zener régulée pour varier entre 6,24 et 6,38 V alors que les variations de tension de la batterie de 8 à 16 V, une amélioration considérable.
Voyons voir l'effet de la température en ajoutant une déclaration de .step à la simulation.
Cliquez sur l'icône de texte et saisissez ce qui suit dans la zone de texte: » .step TEMP LISTE 0 25 50" puis cliquez sur « directive » et « OK » et exécuter à nouveau la simulation.
Maintenant, la variation totale est de 6,24 à 6,39 Volts, toujours excellent.
Régulateurs de Shunt
Ce type de circuit est appelé régulateur shunt parce que l'élément de régulation est en parallèle (au lieu d'être en série) avec la charge. Bien que notre schéma ne montre pas une charge (pour l'instant), la charge est tout circuit alimenté par la tension régulée, qui serait donc placé en parallèle avec la diode Zener.
Une caractéristique du régulateur de dérivation, qui peut être un avantage ou un inconvénient selon l'endroit où et la façon dont le circuit est utilisé est que le régulateur shunt tire un courant constant de la source. Le courant tiré de la source est le courant qui circule à travers la résistance en série. Etant donné que le courant qui circule à travers la résistance en série est seulement fonction de la tension de source, la tension de Zener et la valeur de la résistance, il est constant tant que la tension de source est constant, et il ne constitue pas une fonction du courant de charge .
L'avantage est que le courant source est indépendant du courant de charge.
L'inconvénient est que l'efficacité du circuit est très faible à des courants de charge légère, de sorte que le circuit ne soit pas optimisée pour le fonctionnement de la batterie.
Il est difficile d'imaginer un circuit simple, il n'a que deux composants de base.
D'autre part, le courant disponible est limitée. Voyons voir combien de courant nous pouvons obtenir de ce circuit.
Calcul maximum Courant de charge
Dans ce circuit modifié, j'ai ajouté résistance R2 de représenter un circuit qui va utiliser la tension de référence. La résistance n'a encore aucune valeur, il est là pour illustrer ce point. Cette résistance constitue la charge et il dessinera une certaine quantité de courant. Nous devons nous assurer que le régulateur puisse délivrer le courant qui est nécessaire par le circuit représenté par la résistance R2.
Le courant passant par D1 et R2 doit provenir de la résistance R1, de sorte que le courant circulant à travers R1 partageront entre R2 et la diode Zener.
IR1 = ID1 + IR2
Dans notre circuit d'échantillonnage, lorsque la tension de source est de 12 V, la tension aux bornes du Zener est 6,34 V, de sorte que la tension aux bornes de la résistance R1 est 5,66 V, de sorte que le courant dans la résistance sera 5,66 / 1000, ou 5,66 mA.
Si le courant de charge (courant par R2) se approcher 5,66 mA, la diode Zener sera mort de faim (courant à travers elle sera très faible ou nul) et il ne fera pas son travail de régulation de la tension. Voyons combien de courant nous pouvons nourrir par D1 en regardant la spécification.
Pour le document complet, cliquez sur l'image.
On voit à partir de la section de notation maximale de la spécification que la dissipation de puissance maximale pour l'utilisation de matériau de PWB régulier tel que FR-4 et à 25 degrés C ambiante est de 225 mW. Nous savons que la tension Zener, il est donc facile de calculer combien actuelle, nous pouvons appliquer à la partie.
Imax = Pmax / VZener
Dans ce cas, le courant maximal est 0,225 / 6,2 = 0,036 A, ou 36 mA.
Si vous lisez les notes sur la feuille de données, vous pouvez voir que 225 mW est la note maximale absolue à 25 degrés C ambiante. La fiche de données vous donne également la résistance thermique et de note pour des températures supérieures à 25 degrés.
Sans entrer dans les détails de ces calculs en ce moment, une bonne pratique de conception est de limiter le courant maximum dans notre circuit à pas plus de 50% de la note maximale absolue. C'est 18 mA.
Maintenant, nous devons considérer ce qui se passe lorsque la tension d'alimentation est au minimum. Prenant l'exemple de l'autoradio, la tension minimale de la batterie peut être aussi faible que 8 V. Avec une tension d'alimentation de 8 V, le courant à travers R1 sera seulement:
IR1 = (Vsource - VZener) / R1
Cela calcule à 1,8 mA.
Donc, si ce circuit a été utilisé dans une radio de voiture pour fournir un réglage de 6,2 V à certains circuits sensibles, nous pourrions établir à 1,8 mA sans régulation perdre, et sans risquer de faire sauter la Zener lorsque la tension de la batterie est maximale.
Dans la pratique, tout comme nous dè le courant maximum classé, nous ne voulons pas mourir de faim complètement le Zener et pour vous assurer que la tension reste dans la régulation, nous devrions garder un minimum de courant dans le Zener. La fiche de données indique la tension Zener pour 3 valeurs actuelles de 1, 5 et 20 mA, si bien qu'il est légitime d'interpoler entre les valeurs données, il est moins recommandé d'utiliser la partie en dehors de la plage de valeurs donnée, nous devons donc garder un minimum de 1 mA si le Zener pour qu'il fonctionne bien.
Cela signifie que nous avons jusqu'à 0,8 mA de courant disponible pour la charge.
Obtenir plus de courant à l'aide d'un régulateur passe série
Que doit-on faire si 0,8 mA ne suffit pas?
Solution 1 est facile à mettre en œuvre et le coût peu, mais il ne fournit pas beaucoup d'amélioration. Dans ce cas, le courant Zener maximum étant de 18 mA, qui est aussi le courant de charge maximale possible.
En général, la solution 2 ne fait pas trop de sens, car Zener de puissance plus élevé sont plus difficiles à obtenir et le circuit serait rapidement perdre beaucoup d'énergie. Avec la tendance de l'équipement à piles, il est important de se familiariser avec des solutions qui ne gaspillent pas le pouvoir, ou des déchets au minimum requis pour exécuter la fonction.
Solution 3 est un peu plus complexe, mais offre une plus grande flexibilité et est plus efficace.
Nous allons donc essayer solution 3.
Il y a un circuit bien connu qui exécute la fonction dont nous avons besoin, sans plus tarder, il est:
Vous devriez remarquer deux choses tout de suite. Nous avons un nouveau symbole SPICE I1, ce qui est une source de courant. Vous êtes maintenant au courant de la source de tension, tels que V1 dans ce circuit. La source de tension est programmée avec une tension et délivre cette tension, peu importe combien de courant nous avons besoin. C'est la beauté de SPICE, qui ne possède pas les limites du matériel réel :-)
De même, la source de courant génère une tension nécessaire pour tirer la quantité de courant que nous avions demandé.
Vous pouvez sélectionner la source de courant dans le menu des composants, il suffit de localiser et cliquez sur « en cours ».
Les sources de courant ne sont pas aussi intuitives que les sources de tension, donc ne soyez pas trop inquiet si le concept semble étrange. Il suffit de suivre ce que nous ferons avec et au fil du temps, il deviendra familier.
J'ai triché. Je voulu montrer un circuit bien connu, qui est un régulateur de 5 V. Le circuit précédent était un régulateur de 6,2 V qui, bien que suffisante pour l'objectif de l'exercice, est rarement utilisé. 5 V est une tension beaucoup plus courante et la Zener 5,6 V est souvent utilisé dans un circuit comme celui que je viens de décrire. Mais la bibliothèque SwitcherCAD ne comprend pas Zener 5,6 V.
Si vous faites référence à la spécification Motorola (le document pdf, et non l'extrait ci-dessus), vous verrez que certains numéros de pièce sont en gras. La note indique que ces références sont préférés. ce qui signifie qu'ils doivent être en stock beaucoup plus probable. La partie 5.6V est en gras, il est donc raisonnable de supposer qu'il aurait dû être dans la bibliothèque. Considérant combien nous avons payé pour SwitcherCAD, nous pardonnerons Linear Technology pour ne pas avoir inclus tous les numéros de pièces possibles.
Alors, comment ai-je une Zener 5,6 V à SwitcherCAD?
Je devais fermer et rouvrir SwitcherCAD parce que le programme lit apparemment les bibliothèques lorsque le programme démarre et après avoir changé le fichier, il ne se recharge pas automatiquement.
OK, assez avec la bibliothèque SwitcherCAD, le transistor, nous avons ajouté au régulateur shunt est dans une configuration connue en tant qu'émetteur-Suiveur. Cela signifie que la tension sur l'émetteur suit la tension sur la base (avec un petit décalage typiquement de 0,6 à 0,7 volts). Le gain en tension d'un tel circuit est légèrement inférieur à 1.
Donc, si la tension de base est maintenue à 5,6 V, la tension sur l'émetteur sera d'environ 4,9 à 5,0 Volts.
Avant d'aller plus loin, assurez-vous que vous avez programmé V1 être une source de tension 12 V.
Pour rendre la simulation plus intéressante, nous allons faire un balayage continu sur le courant.
Cliquez sur Simulate-> Modifier Simulation Cmd et sélectionnez balayage DC. Entrez les valeurs suivantes:- Nom de la 1ère source de balayage: I1
- Type de balayage: linéaire
- Valeur de départ: 0
- arrêt Value0.1
- Increment: 0,001
La variation de la tension de sortie sur la variation du courant de sortie qui a provoqué il est appelé Régulation de la charge. Elle est généralement mesurée lorsque le courant de sortie est modifiée sur une certaine plage spécifiée, par exemple 50% à 100%.
Régulation de la charge est exprimée en pour cent de la tension de sortie, ou en valeur absolue.
Si nous l'exprimons comme un changement de tension sur la variation de courant qui a causé, il sera appelé Résistance de sortie puisque la valeur d'une résistance est eual au rapport de tension à ses bornes en fonction du courant à travers elle.
Régulation de charge = Delta (Vout) / moyenne Vout
Résistance de sortie = Delta (Vout) / Delta (Iout)
Dans ce cas, la variation de tension de sortie lorsque la charge changements de courant de 50 à 100 mA est de 40 mV, de sorte que la résistance de sortie est 0,04 / 0,05 = 0,8 ohm pour une variation de 50% du courant de charge.
Le règlement de charge est de 0,04 / 4,92 = 0,81%
Remarquez comment la tension se glisse rapidement à des courants faibles (en dessous de quelques mA). Cela est dû au fait qu'au courant de charge très léger, le courant de base, qui est = Courant de charge / HFE est si faible que la tension de base nécessaire pour générer il devient très faible, beaucoup plus faible que 0,6 typique à 0,7 V.
J'ajouté résistance R2 (100 k ohms) afin de fournir un courant de charge minimum et sans que la résistance, la tension serait fluage encore plus à des valeurs de courant de lumière de I1. Vous pouvez essayer de changer R2 à 1000K par exemple (1 meg ohms).
D'autre part, notez que ce circuit offre maintenant 100 mA tout bien maintenir la régulation entre 4,85 et 5,05 V pour des courants entre environ 5 mA et 100 mA.
Ce serait parfait pour conduire le plus 5 V microprocesseurs alimentés.
Rejet d'ondulation
Le Ripple Le rejet est une autre mesure de la capacité de régulateur de rejeter la ligne des variations de tension. Cependant, Régulation de ligne, défini ci-dessus, est mesuré avec statiques variations de tension d'entrée (lent changement), où le rejet d'ondulation est mesurée avec une tension d'entrée qui change rapidement, généralement à la fréquence de ligne (60 Hz) ou son second harmonique (120 Hz).
Si l'on utilise des instruments réels, nous mesurons le rejet d'ondulation en superposant une faible tension en courant alternatif au-dessus de la tension d'entrée continue, puis en mesurant l'amplitude du même signal à la sortie du régulateur et le calcul du ratio. Par exemple, nous pourrions appliquer une 1 V tension de crête AC (2 V p-p), car il est bien dans la plage de régulation du régulateur et il effectue des calculs plus facile.
Nous pouvons utiliser la même technique avec Spice, même si Spice propose une autre méthode que nous étudierons dans la prochaine leçon. Pour plus de commodité, nous allons mesurer le rejet d'ondulation à 1 kHz.
Voici le tracé de l'ondulation de sortie (s'il vous plaît noter l'échelle de tension):
Ceci est la représentation graphique montrant la tension d'entrée et la tension de sortie sur la même échelle, il est plus facile d'apprécier la réduction d'entraînement de cette façon:
Le graphique montre que, lorsque le circuit est alimenté à partir d'une source ayant 2 V pp d'ondulation (nous avons défini la source à 12 V DC avec un 1 V signal de crête superposée à elle, vous pouvez utiliser le curseur pour vérifier), il fournit un sortie régulée avec environ 30 mV pp d'ondulation.
- Combien de courant peut-on tirer du régulateur avant que le règlement devient vraiment mauvais? (Vous pouvez utiliser SwitcherCAD expérimenter).
Quels sont les facteurs limitant à obtenir plus de courant? - Tracer la tension sur la base du transistor sur le même graphique que la tension de sortie afin de voir la différence. Expliquer la différence.
- Calculer le rejet Ripple Ratio en dB. Parce que l'ondulation est mesurée en volts et non en watts, l'équation est de 20 * log (V2 / V1).
- Tracer la variation de température de la tension de sortie en 25, 50 et 75 degrés C.
Conclusions de cette leçon
- Nous avons établi que les régulateurs de tension sont une partie nécessaire de la plupart des circuits électroniques modernes.
- Les régulateurs de tension ont besoin d'une référence de tension, généralement une diode Zener.
- Les régulateurs de tension sont caractérisés par leur régulation de ligne et de charge, le rejet d'ondulation et les caractéristiques de stabilité de la température.
- Nous avons appris à utiliser SPICE pour obtenir ces valeurs.
Dans les prochaines leçons, nous allons améliorer le régulateur de tension avec un étage de gain séparé de l'étage de puissance.