Erstellen der erforderlichen Spannung an einem Gerät unter Verwendung grundlegender elektrischer Prinzipien [Duplikat]

Ein Spannungsregler.

Ein Spannungsregler ist ein ziemlich grundlegendes Konzept in der Elektronik. Der einfachste Spannungsregler ist der Linear (oder manchmal LDO - Low DropOut). Der Regler verwendet im Wesentlichen zwei Widerstände, um die Spannung aufzuteilen, um Ihre Zielausgangsspannung (Potentialteiler) zu erzeugen. Der Regler überwacht jedoch auch die Ausgangsspannung, und wenn sie sich ändert (weil sich die Last ändert), ändert der Regler Ihre Widerstände, um dies zu kompensieren.

In einem typischen LDO-Gerät wird ein Transistor als variabler Widerstand verwendet, um den Spannungsteiler einzustellen und die gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen.

Es gibt andere Arten von Reglern, die unterschiedliche Methoden verwenden, aber das gemeinsame Merkmal ist, dass das Gerät die Ausgangsspannung so regelt, dass sie unabhängig von der vorhandenen Last oder der Eingangsspannung so konstant wie möglich bleibt.

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Die Antwort von Oliver ist in der Tat richtig. Ich werde jedoch nur hinzufügen, warum Sie die Ergebnisse sehen, die Sie sehen, wenn Sie versuchen, etwas durch Ihren Teiler zu treiben.

Sie haben Recht, wenn Sie sagen, dass Sie bei einer Stromversorgung von 10 V DC durch Aufteilen über 2 gleiche Widerstände 5 V erhalten. das sehen wir hier:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Dies liegt daran, dass der dadurch fließende Strom 10/20k = 500uA betragen würde. Der Spannungsabfall an einem 10k-Widerstand beträgt: 500uA * 10k = 5V.

Was würde also passieren, wenn Sie eine Ladung darauf anbringen würden? Lass uns sehen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Sie haben jetzt dem unteren Widerstand zusätzlichen Widerstand hinzugefügt. Angenommen, der Lastwiderstand beträgt 10k. Dies würde den unteren Widerstand 5k (Parallelwiderstände) machen. Die Eingabe dieser neuen Zahl in unsere vorherigen Gleichungen ergibt eine Mittelpunktspannung von 3,3 V.

Sie können also sehen, dass die Spannungsteilungsregel nicht bricht, Sie haben nur die Werte angepasst.

Durch Hinzufügen eines Spannungsreglers (für 5 V der klassische 7805) kann sichergestellt werden, dass Sie unabhängig von der Last eine stabile Ausgangsspannung haben. Dies geschieht normalerweise mit einer internen Kompensationsschaltung wie dieser:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Verschiedene Spannungsregelkreise.

Wie Sie festgestellt haben, ist der einfache Spannungsteiler von Abbildung 1a nicht stabil. Sobald eine Last angeschlossen ist, fällt die Spannung unter den Nur-Teiler-Wert und, schlimmer noch, sie variiert je nach Last.

Mit einer Zenerdiode kann ein einfacher Spannungsregler gebildet werden. Diese leiten im umgekehrt vorgespannten Modus (wie in Abbildung 1b dargestellt) nicht, bis die Spannung über die Durchbruchspannung ansteigt, in diesem Fall 5,1 V. Der Trick besteht hier darin, den Wert von R4 niedrig genug einzustellen, um 5 V an der Last bei maximalem Laststrom bereitzustellen. Wenn der Laststrom abnimmt, würde die Spannung tendenziell ansteigen, aber D1 bricht zusammen und hält die Spannung auf 5,1 V. Sie finden online zahlreiche Referenzmaterialien und Tutorials.

Ein linearer Spannungsregler mit drei Anschlüssen, Bild 1c, bietet eine sehr einfache und kostengünstige Lösung. Die Reglerschaltung passt ihren "Widerstand" an, um den Ausgang auf seiner Nennspannung zu halten, 5 V im Fall des 7805-Reglers. Die Kondensatoren sind erforderlich, um Schwingungen zu verhindern, also seien Sie nicht versucht, sie wegzulassen.

Beachten Sie, dass alle diese Anordnungen die Hälfte der zugeführten Energie als Wärme verschwenden. Schaltende statt lineare Regler sind viel effizienter.

Wir können keine Schaltung bauen, die jede mögliche Last mit perfekten 5 V versorgt.

Was wir tun können , ist eine Schaltung zu bauen, die eine ausreichend gute Annäherung an 5 V für eine Last liefert, deren Stromverbrauch innerhalb eines definierten Wertebereichs liegt.

Die einfachste Lösung wäre, die Werte der Widerstände in unserem Spannungsteiler zu verringern, je kleiner die Widerstände, desto unempfindlicher ist der Teiler zu belasten. Dies erhöht jedoch auch die im Spannungsteiler verschwendete Leistung. Also keine gute Lösung.

Der nächste Schritt besteht darin, den unteren Widerstand durch eine nichtlineare Komponente zu ersetzen, beispielsweise eine in Sperrichtung vorgespannte Zenerdiode. Die Spannung an diesen Komponenten variiert viel weniger mit dem Strom als die Spannung an einem Widerstand. Der Strom durch den oberen Widerstand muss also nur geringfügig größer sein als der maximale Strom, der von unserer Last gezogen wird.

Der nächste Schritt ist die Verwendung eines "Emitterfolgers", um den Ausgang unserer Widerstands-/Zener-Kombination zu puffern. Der aus der Widerstands-/Zener-Kombination gezogene Strom ist also viel kleiner als der an die Last gelieferte Strom.

Dies ist im Wesentlichen das Design des einfachsten Linearreglers, echte Regler können zusätzliche Komponenten haben, aber sie haben wahrscheinlich die gleichen Grundelemente.

"Low-Drop-Out"-Regler sind eine Untergruppe von Linearreglern, die so konzipiert sind, dass sie auch dann funktionieren, wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen ähnlich sind. Ein einfaches lineares Reglerdesign benötigt mindestens ein paar Volt Differenz zwischen Eingang und Ausgang, Low-Dropout-Designs können so viel niedriger sein.

Die letzte Option ist ein Schaltwandler. Ein Schaltelement wird schnell ein- und ausgeschaltet und dann wird eine Induktivitäts- / Kondensatorschaltung verwendet, um dies in eine stabile Spannung zu filtern. Dies kann sehr effizient sein, fügt jedoch erhebliche Komplexität und Rauschüberlegungen hinzu.