Régulateurs de tension: leur fonction et leur importance expliquées
Un régulateur de tension est un appareil qui maintient la tension stable en soi.Il ajuste la tension pour s'assurer que les périphériques qui lui sont connectés obtiennent une quantité stable et cohérente, même si la tension d'entrée change ou que les conditions de charge varient.Cela aide à protéger les pièces électroniques délicates contre les dommages par les modifications de tension.Cet article examine de plus près les principales pièces et types de régulateurs de tension, montrant pourquoi ils sont si importants pour que l'électronique fonctionne bien.Décomposer les deux principaux types de régulateurs de tension, décrivant comment ils fonctionnent, leurs avantages et les situations pour lesquelles ils sont les mieux adaptés.Il y a aussi un tutoriel pratique sur la construction d'un régulateur de tension sur une planche à pain, ce qui donne un moyen pratique de se renseigner sur leur conception et leur fonction.Enfin, il offre des conseils sur la façon de choisir le bon régulateur de tension, en se concentrant sur l'équilibre entre l'efficacité, le contrôle de la chaleur et la stabilité de la tension pour des projets spécifiques.Catalogue
Figure 1: régulateur de tension
Composants d'un régulateur de tension
• Comparateur
Le comparateur compare la tension de sortie à une tension de référence définie.Son travail consiste à s'assurer que la sortie reste dans une plage souhaitée en envoyant des signaux de contrôle qui ajustent la tension en conséquence.Lorsque la sortie dérive de la valeur de référence, le comparateur déclenche des ajustements pour ramener la sortie en ligne.
Figure 2: circuit de régulateur de tension avec comparateur de tension
• Source de tension de référence
Il s'agit d'une tension très stable qui agit comme la référence pour la comparaison.La tension de référence reste constante, même s'il y a des changements dans la tension, la température ou la charge d'entrée.Ceci est fourni par une référence Bandgap et offre une stabilité fiable dans différentes conditions de fonctionnement.
Figure 3: source de tension de référence
• Amplificateur d'erreur
L'amplificateur d'erreur amplifie la différence entre la tension de référence et la tension de sortie.Ce signal amplifié est ensuite utilisé pour affiner le mécanisme de contrôle, réduisant l'espace entre la sortie réelle et la tension cible.Il garantit que la sortie correspond aussi étroitement à la tension prévue.
Figure 4: régulateur de tension avec amplificateur d'erreur
• Réseau de rétroaction
Le réseau de rétroaction se compose de résistances, et parfois de condensateurs, qui renvoient une partie de la tension de sortie dans le système pour la surveillance.Cette boucle de rétroaction est importante pour définir la tension de sortie correcte et stabiliser le régulateur.Le rapport de rétroaction, déterminé par les composants du réseau, contrôle la part de la sortie récupère à l'amplificateur d'erreur ou au comparateur.
Figure 5: Signal de rétroaction dans le régulateur de tension
• Élément de contrôle
L'élément de commande ajuste activement la tension de sortie.Dans les régulateurs linéaires, il s'agit d'un transistor travaillant dans son état actif pour réguler la tension.Dans la commutation des régulateurs, l'élément de contrôle agit comme un interrupteur, activant et désactivez la tension d'entrée pour transférer l'énergie via des composants tels que les inductances ou les condensateurs, lissez la sortie.
Figure 6: Élément de contrôle dans le régulateur de tension
• Régulation de la charge
La régulation de la charge est la capacité du régulateur à maintenir la tension de sortie stable à mesure que la charge change.Une forte régulation de la charge signifie que la sortie reste constante, même si la quantité de courant, la charge tire les fluctuations.
Figure 7: Régulation de la charge
• Régulation de ligne
La régulation des lignes mesure dans quelle mesure le régulateur maintient une sortie stable lorsque la tension d'entrée varie.Un bon régulateur de tension montre des changements de sortie minimaux même lorsqu'il y a des changements dans la tension d'entrée.
Figure 8: Régulation de ligne
• Dissipateur de chaleur
Pour les régulateurs linéaires qui peuvent générer de la chaleur en dissipant la tension excessive, un dissipateur thermique est souvent nécessaire.Il aide à disperser la chaleur produite par l'élément de contrôle, comme un transistor, en gardant l'appareil dans des températures de fonctionnement sûres.
Figure 9: dissipateur thermique
• Circuits de protection
De nombreux régulateurs de tension sont livrés avec des caractéristiques de protection intégrées comme la surintensité, l'arrêt thermique et la protection de court-circuit.Ces garanties empêchent le régulateur et les appareils connectés d'être endommagés, améliorant la sécurité globale et la fiabilité.
Types de régulateurs de tension
Régulateurs de tension linéaire
Les régulateurs de tension linéaire utilisent une partie principale appelée élément de passe, généralement un type de transistor comme un transistor de jonction bipolaire (BJT) ou un MOSFET.Cette pièce est contrôlée par un amplificateur opérationnel.Pour maintenir la tension stable, le régulateur compare constamment la tension de sortie avec une tension de référence interne fixe.Si les deux ne sont pas les mêmes, l'amplificateur opérationnel modifie l'élément de passage pour réparer la sortie.Ce processus continue de fonctionner pour faire la différence entre les deux tensions aussi petites que possible.
Étant donné que les régulateurs linéaires ne peuvent que réduire la tension, la sortie sera toujours inférieure à la tension d'entrée.Même si cela limite la façon dont ils peuvent être utilisés, les régulateurs linéaires sont toujours populaires car ils sont simples et bien performants.Ils sont faciles à concevoir, fiables, rentables et produisent très peu d'interférence électromagnétique (EMI), ce qui signifie qu'il y a moins de bruit et d'ondulation dans la sortie.
Par exemple, un simple régulateur linéaire comme le MP2018 n'a besoin que d'un condensateur d'entrée et d'un condensateur de sortie pour fonctionner correctement.Ce petit nombre de pièces rend le design facile, fiable et abordable.
Figure 10: régulateur de tension linéaire
Régulateurs de tension de commutation
La commutation des régulateurs est une option plus avancée par rapport aux régulateurs linéaires, mais leur conception nécessite plus de précision et d'attention aux détails.Contrairement aux régulateurs linéaires, les régulateurs de commutation dépendent des composants externes, du réglage minutieux de la boucle de contrôle et de la planification de disposition réfléchie.Ces régulateurs se présentent en trois types principaux: convertisseurs en bas (buck), convertisseurs Step-Up (boost) et combinaison des deux.Cette gamme d'options les rend beaucoup plus flexibles que les régulateurs linéaires.
L'un des avantages de la commutation des régulateurs est leur grande efficacité, dépassant souvent 95%.Ils excellent également dans la gestion de la chaleur et sont capables de gérer des courants plus grands tout en prenant en charge une grande variété de tensions d'entrée et de sortie.Cependant, le compromis pour cette performance est une complexité accrue.Pour fonctionner correctement, la commutation des régulateurs a besoin de composants supplémentaires comme des inductances, des condensateurs, des transistors à effet sur le terrain (FET) et des résistances de rétroaction.
Un bon exemple de régulateur de commutation est le modèle HF920 qui démontre les performances solides et la gestion de la puissance fiable que ces appareils offrent.
Figure 11: régulateur de tension de commutation
Types de régulateurs de tension de commutation
RÉGULATEURS DE BUCH, également appelés convertisseurs en bas, sont utilisés pour réduire une tension plus élevée à une tension de sortie plus inférieure et plus utilisable.Le processus commence par un transistor qui s'allume et éteint à grande vitesse, en coupant la tension d'entrée en rafales courtes.Ces éclats de tension rapides sont ensuite passés par une inductance qui stocke temporairement l'énergie.Au fur et à mesure que la tension se poursuit, elle est encore lissée par un condensateur, ce qui entraîne une tension de sortie inférieure stable.Cette méthode est efficace, réduisant l'énergie gaspillée sous forme de chaleur.Les régulateurs de Buck sont bons dans des appareils comme les ordinateurs portables, les smartphones et autres électroniques portables.
Figure 12: circuit du régulateur de mâle
Booster les régulateurs , souvent appelés convertisseurs à pas de pas, travaillent pour augmenter une faible tension d'entrée à une tension de sortie plus élevée.Ici, un transistor charge une inductance lorsqu'il est actif et libérant l'énergie stockée lorsqu'elle s'éteint.Cette version contrôlée élève le niveau de tension.Ces régulateurs sont utiles dans des situations où la puissance d'entrée, comme celle d'une batterie, est trop faible pour les besoins de l'appareil.À mesure que les batteries s'épuisent, le régulateur de boost garantit que la tension reste cohérente, ce qui maintient les dispositifs opérationnels même si les niveaux de puissance baissent.Cela les rend idéaux pour de nombreux appareils électroniques alimentés par batterie qui nécessitent une tension régulière malgré la fluctuation de l'approvisionnement en énergie.
Figure 13: Circuit of Boost Regulator
RÉGULATEURS DE BUCH-BOOST Combinez les caractéristiques des convertisseurs Buck et Boost, ce qui leur permet d'augmenter ou de diminuer la tension d'entrée au besoin.Ces régulateurs inversent d'abord la tension d'entrée, puis le réglaient, en le dépassant ou en descendant en fonction de la sortie requise.Cette capacité à s'adapter aux conditions changeantes rend les régulateurs Buck-Boost excellents dans les systèmes avec des tensions d'entrée imprévisibles ou instables, comme dans les voitures ou les applications d'énergie renouvelable comme les systèmes d'énergie solaire.En fournissant une sortie stable, quelles que soient les fluctuations d'entrée, elles garantissent que les appareils connectés fonctionnent de manière fiable dans un large éventail de conditions.
Figure 14: circuit du régulateur de buck-boost
Construisez votre propre régulateur de tension de planche à pain
Le kit de régulateur de tension de planche à pain est le point d'entrée parfait pour les débutants qui cherchent à acquérir une expérience pratique avec la soudure et la conception de circuits de base.Non seulement vous apprendrez les concepts de base de l'électronique, mais à la fin de ce projet, vous aurez construit un appareil entièrement fonctionnel, capable de fournir une sortie 5VDC stable pour les petits projets électroniques.
Ce kit comprend tout ce dont vous avez besoin pour assembler un régulateur de tension fiable:
- Carte de circuit imprimé (PCB)
- Jack Power DC
- condensateurs et résistance
- LED d'état de puissance
- En-têtes d'épingle
- Manuel d'instructions complet
Les outils requis pour ce projet sont:
- Souder le fer et la soudure
- coupe-fils
- Alimentation (comme un adaptateur mural 6-18V)
Le processus d'assemblage est en panne étape par étape pour vous aider à comprendre le fonctionnement d'un régulateur de tension au fur et à mesure.
Étape 1: Installation de la résistance et du condensateur
Commencez par ramasser la résistance et plier ses pistes pour s'intégrer dans la fente R1.Insérez-le dans l'endroit désigné sur la planche et soudez les fils en toute sécurité à l'arrière.Une fois soudé, coupez tout fil supplémentaire qui dépasse.Ensuite, prenez le condensateur de 0,1 µF et suivez le même processus pour la fente C2.Il n'est pas nécessaire de s'inquiéter de la façon dont ils sont confrontés, ces composants peuvent être placés dans les deux sens car ils ne sont pas polarisés.
Figure 15: Installation de la résistance et du condensateur
Étape 2: Configuration du régulateur de tension et de la prise de canon
Placez le régulateur de tension dans la fente V-Reg, assurez-vous d'aligner l'onglet avec la ligne indiquée sur la carte.Il est important d'obtenir cette orientation, si elle est installée vers l'arrière, le régulateur ne fonctionnera pas et pourrait endommager le circuit.Le rôle du régulateur est de maintenir la tension stable même si l'entrée fluctue, garantissant que la puissance fournie à votre circuit reste stable.Après avoir soudé les fils, coupez le fil supplémentaire.Maintenant, passez à la prise de canon, insérez-la dans la fente B1 et soudez-la en place.Cela servira de principale connexion d'alimentation pour votre projet.
Figure 16: Configuration du régulateur de tension et de la prise de canon
Étape 3: Placer le condensateur et la LED d'alimentation
Insérez le condensateur de 10 µF dans la fente C1, en vous assurant que le plomb plus long entre dans le pad (+).Vérifiez que la bande sur le condensateur est à côté de l'étiquette PWR pour une orientation appropriée.Ensuite, installez la LED dans son emplacement, en alignant l'encoche avec la ligne correspondante sur le symbole de la carte pour s'assurer qu'elle est correctement placée.
Figure 17: Placer le condensateur et la LED d'alimentation
Étape 4: Installation de l'interrupteur d'alimentation et des broches de planche à pain
Placez l'interrupteur d'alimentation dans l'emplacement PWR et soudez-le en toute sécurité.En ce qui concerne les épingles à pain, ils peuvent être difficiles à gérer car ils doivent être soudés en dessous.Pour les garder alignés, vous pouvez soit les maintenir stables à la main pendant que vous soudez, soit utiliser une planche à pain pour les soutenir pendant le processus.
Figure 18: Installation de l'interrupteur d'alimentation et des broches de planche à pain
Étape 5: Configuration des rails d'alimentation
Pour vous assurer que le régulateur de tension fonctionne correctement, vous devez configurer les rails d'alimentation.Choisissez le côté de la planche à pain que vous souhaitez utiliser.Allons avec la gauche pour cette configuration.Faites correspondre les coussinets sur la planche aux rails «+» et «-» sur la planche à pain.Une fois que tout est aligné, soudez les coussinets demi-lune pour verrouiller la connexion en place.Si jamais vous avez besoin d'inverser la polarité d'alimentation, vous pouvez utiliser le numéro de pièce SWT7 sur des pads spécifiques, bien que cela ne soit généralement pas conseillé.
Figure 19: Configuration des rails de puissance
Étape 6: alimenter la carte
Utilisez une source d'alimentation CC de 2,1 mm qui fournit entre 6 et 18 volts pour alimenter la carte.Si la tension d'entrée va au-dessus de 12 volts, le régulateur peut devenir chaud, mais c'est normal et non une source de préoccupation.Si vous n'utilisez pas de planche à pain, vous pouvez utiliser les plaquettes de soudure «+ -» situées près de la prise de canon pour dessiner 5 V de puissance réglementée.
Figure 20: Kit de régulateur de tension de planche à pain
Comment choisir le bon régulateur de tension pour votre conception?
Un régulateur de tension est comme un système de contrôle pour l'énergie de votre projet.Il s'assure que votre projet obtient la bonne quantité d'énergie.
Imaginez que votre source d'alimentation donne plus de tension que les besoins de votre projet.UN régulateur linéaire est un appareil simple qui réduit la tension à un niveau sûr pour votre projet.Il est facile à utiliser et fonctionne bien si la différence entre la tension que vous avez et la tension dont vous avez besoin n'est pas trop grande.
Mais les régulateurs linéaires peuvent gaspiller de l'énergie, en cas de grande différence entre la tension d'entrée et de sortie.Cette énergie gaspillée se transforme en chaleur et devient un problème pour votre projet.
Si votre régulateur linéaire devient trop chaud, cela signifie qu'il gaspille beaucoup de puissance.Dans ce cas, vous voudrez peut-être utiliser un régulateur de commutation de buck.Ce type de régulateur est plus efficace et ne gaspille pas autant d'énergie.Il abaisse la tension en allumant et éteint la puissance sur et désactivé pour créer une tension inférieure moyenne.
Si votre projet a besoin de plus de tension que votre source d'alimentation ne peut fournir, un Réglementation de commutation de boost peut aider.Il augmente la tension de votre source d'alimentation pour donner à votre projet la puissance supplémentaire dont il a besoin.
Parfois, votre source d'alimentation peut ne pas être stable, ce qui donne trop ou trop peu de tension. Un régulateur de commutation Buck-boost Peut à la fois augmenter et diminuer la tension au besoin, en vous assurant que votre projet obtient toujours la bonne quantité de puissance.
Pour les projets qui ont besoin d'une puissance très stable, vous pouvez combiner un Régulateur de commutation avec un régulateur linéaire.Le régulateur de commutation gère les grands changements de tension, tandis que le régulateur linéaire garantit que la puissance est fluide et stable.
Ainsi, le régulateur de tension droit dépend de la quantité de tension de votre source d'alimentation diffère de ce dont votre projet a besoin et de la stabilité et du nettoyage de la puissance.Chaque type a ses propres forces, alors choisissez celle qui correspond le mieux à votre projet.
Conclusion
L'étude des régulateurs de tension couvre une partie importante du génie électrique qui combine l'utilisation et la théorie pratique.L'article explique des composants comme les amplificateurs d'erreur et les dissipateurs de chaleur, ainsi que les différences entre les régulateurs linéaires et les régulateurs, donnant une compréhension solide de la façon dont ces appareils contrôlent.Il comprend également un guide étape par étape sur la construction d'un régulateur de tension sur une planche à pain, ce qui aide à rendre le processus plus clair et offre aux lecteurs une expérience pratique pour soutenir les concepts.À mesure que les conceptions électroniques deviennent plus compliquées et que les besoins en puissance changent, savoir comment fonctionne la régulation de la tension devient très important.Cet article agit à la fois comme un outil d'enseignement et un guide pratique, aidant les concepteurs et les amateurs de choix et d'utiliser les meilleurs régulateurs de tension pour leurs projets, en veillant à ce que leur électronique dure plus longtemps et fonctionne bien.
Questions fréquemment posées [FAQ]
1. Quand utiliser un régulateur de tension?
Un régulateur de tension est important lorsque une tension stable est nécessaire pour que les appareils électroniques fonctionnent correctement.Il protège contre les dommages des changements soudains de tension, ce qui peut se produire en raison de changements dans la demande de puissance ou les problèmes d'offre.Il est utilisé dans des choses comme l'alimentation informatique, les équipements de télécommunications et d'autres appareils sensibles aux changements de tension.
2. AVR est-il un régulateur de tension?
Oui, AVR (régulateur de tension automatique) est un type de régulateur de tension.Il ajuste automatiquement le niveau de tension pour s'assurer qu'une tension constante et appropriée est livrée à l'équipement, indépendamment des modifications de la tension de charge ou d'entrée.Cela aide à prévenir les dommages et à améliorer l'efficacité des dispositifs électriques.
3. Qu'est-ce qu'un régulateur de tension AC?
Un régulateur de tension CA contrôle la tension de la puissance de courant alternatif (AC) pour fournir une tension de sortie stable aux appareils connectés.Il compense les variations des conditions de tension d'entrée et de charge, garantissant la livraison d'une sortie CA constante, bon pour le fonctionnement fiable des dispositifs alimentés par CA.
4. Un onduleur est-il un régulateur de tension?
Non, un onduleur n'est pas un régulateur de tension.Un onduleur est conçu pour convertir le courant direct (DC) en courant alternatif (AC).Alors que certains onduleurs ont des capacités intégrées pour stabiliser la tension de sortie, leur fonction principale est la conversion du type de courant, et non la tension de régulation.
5. Comment testez-vous un régulateur de tension?
Voici comment tester un régulateur de tension:
Configurez le multimètre: définissez votre multimètre pour mesurer la tension.
Connectez le multimètre: fixez les sondes aux bornes de sortie du régulateur.
Vérifiez la tension: activez le système et vérifiez la lecture.Il devrait correspondre à la sortie attendue du régulateur.
Facultatif: Testez avec charge: modifiez la charge et voyez si la sortie reste stable, ce qui montre que le régulateur fonctionne correctement.
6. Quelle est la différence entre un contrôleur de tension et un régulateur de tension?
Un contrôleur de tension ajuste la tension de sortie en fonction de l'entrée de l'utilisateur, comme le changement de luminosité de la lumière ou la vitesse du moteur.Un régulateur de tension maintient la tension stable, même si la charge ou l'entrée change.Les contrôleurs modifient la tension au besoin, tandis que les régulateurs garantissent qu'il reste constant.