Jännitesäätimet ottavat tulojännitteen ja luovat säädetyn lähtöjännitteen riippumatta tulojännitteestä kiinteällä jännitetasolla tai säädettävällä jännitetasolla. Tämä lähtöjännitetason automaattinen ohjaus hoidetaan erilaisilla takaisinkytkentätekniikoilla. Jotkut näistä tekniikoista ovat yhtä yksinkertaisia kuin Zener-diodi. Muut sisältävät monimutkaisia takaisinkytkentätopologioita, jotka parantavat suorituskykyä, luotettavuutta ja tehokkuutta, ja lisäävät muita ominaisuuksia, kuten jännitteensäätimen tulojännitteen nostamisen. Jännitteensäätimet ovat yleinen ominaisuus monissa piireissä varmistamaan, että herkälle elektroniikalle syötetään vakio, vakaa jännite.
Kuinka lineaariset jännitesäätimet toimivat
Kiinteän jännitteen ylläpitäminen tuntemattomalla ja mahdollisesti kohinaisella tulolla vaatii palautesignaalin, joka selventää, mitä säätöjä on tehtävä. Lineaariset säätimet käyttävät tehotransistoria muuttuvana vastuksena, joka käyttäytyy kuten jännitteenjakajaverkon ensimmäinen puolisko. Jännitteenjakajan lähtö ohjaa tehotransistoria oikein ylläpitämään vakiolähtöjännitettä. Koska transistori käyttäytyy kuin vastus, se hukkaa energiaa muuttamalla sen lämmöksi – usein paljon lämpöä. Koska lämmöksi muunnettu kokonaisteho on yhtä suuri kuin jännitehäviö tulojännitteen ja lähtöjännitteen välillä kerrottuna syötetyllä virralla, häviöteho voi usein olla erittäin suuri, mikä edellyttää hyviä jäähdytyselementtejä. Lineaarisen säätimen vaihtoehtoinen muoto on shunttisäädin, kuten Zener-diodi. Sen sijaan, että se toimisi muuttuvan sarjan vastuksena, kuten tyypillinen lineaarinen säädin tekee, shunttisäädin tarjoaa polun maahan ylimääräisen jännitteen (ja virran) läpikulkua varten. Tämän tyyppinen ohjain on usein vähemmän tehokas kuin tyypillinen sarjan lineaarinen ohjain. Se on käytännöllinen vain silloin, kun tehoa tarvitaan ja syötetään vähän.
Kuinka kytkentäjännitesäätimet toimivat
Kytkentäjännitteensäädin toimii eri periaatteella kuin lineaariset jännitesäätimet. Sen sijaan, että se toimisi jännitteen tai virran nieluna jatkuvan ulostulon aikaansaamiseksi, kytkentäsäädin varastoi energiaa tietylle tasolle ja käyttää palautetta varmistaakseen, että lataustaso säilyy minimaalisella jännitteen aaltoilulla. Tämä tekniikka mahdollistaa kytkentäsäätimen olevan tehokkaampi kuin lineaarinen säädin kytkemällä transistorin kokonaan päälle (minimaalisella resistanssilla) vain silloin, kun energian varastointipiiri tarvitsee energiapurskeen. Tämä lähestymistapa vähentää järjestelmässä hukattua kokonaistehoa transistorin resistanssiin kytkennän aikana, kun se siirtyy johtavasta (erittäin pieni vastus) johtamattomaan (erittäin suuri vastus) ja muihin pieniin piirihäviöihin. Mitä nopeammin kytkentäsäädin kytkeytyy, sitä vähemmän energian varastointikapasiteettia se tarvitsee ylläpitääkseen haluttua lähtöjännitettä, mikä mahdollistaa pienempien komponenttien käytön. Nopeamman vaihdon hinta on kuitenkin tehokkuuden menetys, koska enemmän aikaa kuluu siirtymiseen johtavan ja johtamattoman tilan välillä. Enemmän tehoa menetetään resistiivisen lämmityksen takia. Toinen nopeamman vaihtamisen sivuvaikutus on vaihteenohjaimen synnyttämän elektronisen kohinan lisääntyminen. Erilaisia kytkentätekniikoita käyttämällä kytkentäohjain voi:
- Pienennä tulojännitettä (buck-topologia).
- Lisää jännitettä (tehostustopologia).
- Sekä pienennä että lisää jännitettä (buck-boost) tarpeen mukaan halutun lähtöjännitteen ylläpitämiseksi.
Tämä joustavuus tekee kytkentäsäätimistä erinomaisen valinnan moniin akkukäyttöisiin sovelluksiin, koska kytkentäsäädin voi nostaa tai lisätä akun syöttöjännitettä, kun akku on tyhjä.