Spannungsregler nach ersten Grundsätzen - warum wird Leistung in den Transistor entlassen?

Ich versuche, mein Verständnis der Elektronik zu vertiefen, und habe mich daher entschlossen, einen Festspannungsregler zu entwickeln, der etwa einen Verstärker versorgen kann. Ich habe dies aus den ersten Prinzipien zusammengestellt, ohne auf irgendeine Art von Referenz darüber zu verweisen, wie Spannungsregler normalerweise konstruiert sind.

Meine Gedanken waren:

• Zener und Widerstand zur Bereitstellung einer festen Spannungsreferenz.
• Komparator zur Erkennung, wann die Ausgangsspannung über der Zielschwelle lag.
• Transistor zum Ein- und Ausschalten der Versorgung.
• Kondensator als Reservoir.

Vor diesem Hintergrund habe ich diesen festen 5-V-Regler entworfen, der zu funktionieren scheint:

Was mir jedoch aufgefallen ist, ist, dass es bestimmte Einschränkungen hat, deren Ursache ich nicht ganz ableiten kann:

• Der Strom von V1 (Eingang) entspricht trotz unterschiedlicher Spannungen in etwa dem Strom an R2 (Ausgang). Dies scheint mit dem Verhalten von linearen Spannungsreglern übereinzustimmen (habe ich das gerade erstellt?), Aber ich bin mir nicht sicher, warum es passiert. Warum wird im zweiten Quartal so viel Energie verbraucht, wenn man bedenkt, dass es nur ein- und ausgeschaltet wird?
• Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle, sondern schwebt stattdessen um 4 V herum. Ich habe dies mit unterschiedlichen Lasten versucht, aber es funktioniert einfach nicht unter dieser Eingangsspannung. Was ist die Ursache dafür?

Ich habe dies aus den ersten Prinzipien zusammengestellt, ohne auf irgendeine Art von Referenz darüber zu verweisen, wie Spannungsregler normalerweise konstruiert sind.

Kein guter Anfang, aber Sie haben tatsächlich fast das exakte Design der meisten Linearregler erhalten. Das "erste Prinzip", das Sie vergessen haben, ist der lineare MOSFET- Bereich . Haben Sie dieses Ding in einem Simulator ausprobiert? Das System wird sich an einem Punkt niederlassen, an dem der Transistor zur Hälfte eingeschaltet ist, wodurch Leistung als Widerstand abgeführt wird.

Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle, sondern schwebt stattdessen um 4 V herum. Ich habe dies mit unterschiedlichen Lasten versucht, aber es funktioniert einfach nicht unter dieser Eingangsspannung. Was ist die Ursache dafür?

Dies wird als "Dropout-Spannung" bezeichnet. Es liegt an den Einschränkungen, wie nahe der Eingangsschiene der Opamp fahren kann. Sie verlieren ca. 0,7 V im Ausgangstransistor des Operationsverstärkers und weitere 0,7 V aufgrund der Schwellenspannung des MOSFET.

Möglicherweise können Sie mit einem besseren Operationsverstärker bessere Ergebnisse erzielen als mit dem alten, veralteten 741. Andernfalls versuchen Sie, einen so genannten LDO-Regler (Low-Dropout-Regler) zu entwickeln.

Warum wird im zweiten Quartal so viel Energie verbraucht, wenn man bedenkt, dass es nur ein- und ausgeschaltet wird?

Da es sich nicht um einen Schaltreglerkreis handelt, handelt es sich um einen von Ihnen entworfenen Linearregler.

Der Strom von V1 (Eingang) entspricht trotz unterschiedlicher Spannungen in etwa dem Strom an R2 (Ausgang). Dies scheint dem Verhalten von linearen Spannungsreglern zu entsprechen (habe ich das soeben erstellt?)

Ja, du hast.

Wenn V1 kleiner als etwa 7,5 V ist, erreicht die Ausgangsspannung niemals die 5 V-Schwelle

Sie benötigen ungefähr ein paar Volt am Gate (in Bezug auf die Source), um den MOSFET einzuschalten. Dies muss vom Operationsverstärker kommen und es "verliert" wahrscheinlich ungefähr ein Volt an seinem Ausgang im Vergleich zur ankommenden Stromschiene. Wenn Sie also eine Ausgangsspannung von 5 Volt wünschen, benötigen Sie eine Eingangsspannung von ca. 8 Volt, und das bei leichten Lasten.

Bei hohen Lasten muss die Gate-Source-Spannung möglicherweise 3 oder 4 Volt betragen. Jetzt benötigen Sie wahrscheinlich eine Eingangsversorgung von ca. 10 Volt, um die Reglerleistung auf 5 Volt zu halten.

Respektieren Sie den einfachen Regler, insbesondere diejenigen, die einen geringen Ausfall aufweisen !!

Das Design ist in Ordnung, mit der Ausnahme, dass der Ausfall des FET-LDO niedriger sein kann als der des BJT-LDO, die FET-Kompensation jedoch möglicherweise einen begrenzten ESR-Bereich für die Stabilität erfordert und eine gewisse Welligkeit für die Rückkopplung zulässt.

Durch die gute Auswahl des Induktors mit einem niedrigen RDSOn-Schalter und einer niedrigen DCR-Drossel können Sie einen Wirkungsgrad von bis zu 98% erzielen. Jetzt haben Sie einen Abwärtsregler. Simulation hier

Die Leistung wird in den Transistor eingespeist, da es sich um das Serienelement handelt, so dass der gesamte Strom für die Last durch ihn fließen muss, während gleichzeitig die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung abfallen muss.

Was ist die Ursache dafür?

Wenn der Operationsverstärker mit v1 versorgt wird, beträgt die maximale Ausgangsspannung am Operationsverstärker und am MOSFET-Gate v1. Der MOSFET benötigt einige Vgs, Sand, der normalerweise 2 bis 5 V beträgt, abhängig vom verwendeten MOSFET. 0,7 V für Bits und 1,3 V für Darlington.

Das bedeutet, dass die MOSFET-Quelle maximal v1 - 2 bis 5 V sehen kann. Genau das haben Sie gesehen.