วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

Voltage Regulator ตามชื่อคือวงจรที่ใช้ควบคุมแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าควบคุมคือการจ่ายแรงดันไฟฟ้าอย่างราบรื่นปราศจากเสียงรบกวนหรือสิ่งรบกวนใด ๆ เอาต์พุตจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าไม่ขึ้นอยู่กับกระแสโหลดอุณหภูมิและการแปรผันของสาย AC ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ามีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านเกือบทุกชนิดเช่นทีวีตู้เย็นคอมพิวเตอร์ ฯลฯ เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าคงที่

โดยทั่วไปตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะลดความแปรผันของแรงดันไฟฟ้าเพื่อป้องกันอุปกรณ์ ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าอยู่ในสายป้อนหรือที่สถานีย่อย มีตัวควบคุมสองประเภทที่ใช้ในสายนี้หนึ่งคือตัวควบคุมแบบขั้นตอนซึ่งสวิตช์ควบคุมการจ่ายกระแส อีกเครื่องหนึ่งคือตัวควบคุมการเหนี่ยวนำซึ่งเป็นเครื่องไฟฟ้ากระแสสลับที่คล้ายกับมอเตอร์เหนี่ยวนำจ่ายพลังงานเป็นแหล่งรอง ลดการแปรผันของแรงดันไฟฟ้าและให้เอาต์พุตที่เสถียร

มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลายประเภทซึ่งอธิบายไว้ด้านล่าง

ประเภทของวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

• ชุดควบคุมแรงดันไฟฟ้า
• Shunt Voltage Regulator

วงจรควบคุมแรงดันซีเนอร์

การสลับวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

• ประเภทบั๊ก
• ประเภท Boost
• ประเภท Buck / Boost

วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

นี่คือตัวควบคุมที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นทำหน้าที่เหมือนวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าในความต้านทานของตัวควบคุมนี้จะแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดและให้แรงดันเอาต์พุตคงที่ ข้อดีและข้อเสียบางประการของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นแสดงไว้ด้านล่าง:

ข้อดี

• แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมต่ำ
• การตอบสนองรวดเร็ว
• เสียงรบกวนน้อยลง

ข้อเสีย

• ประสิทธิภาพต่ำ
• ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่
• แรงดันขาออกจะน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเสมอ

1. ชุดควบคุมแรงดันไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีการควบคุมเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันตกคร่อมความต้านทานที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมและแรงดันตกนี้ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่โหลดโดยโหลด หากการใช้กระแสไฟฟ้าของโหลดเพิ่มขึ้นกระแสฐานก็จะลดลงเช่นกันและเนื่องจากกระแสของตัวเก็บรวบรวมน้อยลงนี้จะไหลผ่านเทอร์มินัลอีซีแอลของตัวเก็บรวบรวมและด้วยเหตุนี้กระแสผ่านโหลดจะเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน

แรงดันไฟฟ้าขาออกที่มีการควบคุมของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบ่งถูกกำหนดเป็น:

V _OUT = V _Z + V _พ.ศ.

ตัวควบคุมแรงดันซีเนอร์

Zener Voltage Regulators มีราคาถูกกว่าและเหมาะสำหรับวงจรไฟฟ้ากำลังต่ำเท่านั้น สามารถใช้ในแอพพลิเคชั่นที่ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในระหว่างการควบคุมไม่ใช่ประเด็นสำคัญ

ตัวต้านทานเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับซีเนอร์ไดโอดเพื่อ จำกัด ปริมาณกระแสที่ไหลผ่านไดโอดและ แรงดันไฟฟ้าอินพุต Vin (ซึ่งต้องมากกว่าแรงดันซีเนอร์) เชื่อมต่อตามที่แสดงในภาพและแรงดันเอาต์พุต Vout, ถูกนำข้ามซีเนอร์ไดโอดด้วย Vout = Vz (Zener Voltage) ดังที่เราทราบกันดีว่าซีเนอร์ไดโอดเริ่มดำเนินการในทิศทางย้อนกลับเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้สูงกว่าแรงดันพังทลายของซีเนอร์ ดังนั้นเมื่อเริ่มดำเนินการมันจะรักษาแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันและไหลกลับกระแสพิเศษดังนั้นจึงให้แรงดันเอาต์พุตที่คงที่

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Zener Diode ที่ทำงานได้ที่นี่

การสลับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งมีสามประเภท:

• Buck หรือ Step-Down Switching Voltage Regulator
• Boost หรือ Step-Up Switching Voltage Regulator
• Buck / Boost Switching Voltage Regulator

Buck หรือ Step-Down Switching Voltage Regulator

Buck Regulator ใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตเรายังสามารถใช้วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าขาออกได้ แต่ประสิทธิภาพของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าต่ำเนื่องจากตัวต้านทานกระจายพลังงานเป็นความร้อน เราใช้ตัวเก็บประจุไดโอดตัวเหนี่ยวนำและสวิตช์ในวงจร แผนภาพวงจรสำหรับ Buck Switching Voltage Regulator แสดงไว้ด้านล่าง:

เมื่อสวิตช์ใน ON ไดโอดยังคงมีความเอนเอียงและแหล่งจ่ายไฟเชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำ เมื่อสวิตช์เปิดขั้วของตัวเหนี่ยวนำให้ย้อนกลับและไดโอดจะเอนเอียงไปข้างหน้าและเชื่อมต่อตัวเหนี่ยวนำกับกราวด์ จากนั้นกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจะลดลงตามความชัน:

d I _L / dt = (0-V _ออก) / L

ตัวเก็บประจุถูกใช้เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้าลดลงถึงศูนย์ในโหลด หากเราเปิดและปิดสวิตช์ไปเรื่อย ๆ แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยทั่วทั้งโหลดจะน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ให้มา คุณสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกได้โดยการเปลี่ยนรอบการทำงานของอุปกรณ์สวิตชิ่ง

แรงดันขาออก = (แรงดันไฟฟ้าขาเข้า) * (เปอร์เซ็นต์ของเวลาที่สวิตช์เปิดอยู่)

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Buck converter มากกว่าไปที่ลิงค์

Boost หรือ Step-Up Switching Voltage Regulator

Boost Regulator ใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในโหลด แผนภาพวงจรสำหรับตัวควบคุมการเพิ่มแสดงไว้ด้านล่าง:

เมื่อสวิตช์ถูกปิดไดโอดจะทำงานเป็นแบบเอนเอียงกลับด้านและกระแสไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตอนนี้เมื่อเปิดสวิตช์ตัวเหนี่ยวนำจะสร้างแรงที่ทำให้กระแสไหลต่อไปและตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จ โดยการเปิดและปิดสวิตช์อย่างต่อเนื่องเราจะได้รับแรงดันไฟฟ้าที่โหลดสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า เราสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกได้โดยการควบคุมเวลาเปิด (Ton) ของสวิตช์

แรงดันขาออก = แรงดันไฟฟ้าขาเข้า / เปอร์เซ็นต์ของเวลาที่สวิตช์เปิดอยู่

หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Boost converter มากกว่าไปที่ลิงค์

Buck-Boost Switching Voltage Regulator

Buck-Boost Switching Regulator เป็นการรวมกันของทั้ง Buck และ Boost Regulator ซึ่งจะให้เอาต์พุตกลับด้านซึ่งอาจมากกว่าหรือน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ให้มา

เมื่อสวิตช์เปิดอยู่ไดโอดจะทำงานเป็นแบบเอนเอียงกลับด้านและตัวเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานและเมื่อสวิตช์ปิดตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มปล่อยพลังงานด้วยขั้วย้อนกลับซึ่งจะชาร์จตัวเก็บประจุ เมื่อพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำกลายเป็นศูนย์ตัวเก็บประจุจะเริ่มปล่อยลงในโหลดด้วยขั้วย้อนกลับ เนื่องจากนี้ควบคุมเจ้าชู้เพิ่มนอกจากนี้ยังเรียกว่าเป็นผู้กำกับดูแลกลับหัว

แรงดันไฟฟ้าขาออกถูกกำหนดเป็น

Vout = Vin (D / 1-D) โดยที่ D คือรอบการทำงาน

ดังนั้นหาก Duty Cycle ต่ำตัวควบคุมจะทำงานเป็น Buck Regulator และเมื่อ Duty Cycle สูงตัวควบคุมจะทำงานเป็น Boost Regulator

ตัวอย่างการปฏิบัติสำหรับวงจร Regulator

วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นบวก

เราได้รับการออกแบบในเชิงบวกเชิงเส้นวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าใช้7805 IC IC นี้มีวงจรทั้งหมดเพื่อจัดหาแหล่งจ่ายที่มีการควบคุม 5 โวลต์ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าควรมีค่าอย่างน้อยมากกว่า 2v จากค่าพิกัดเช่น LM7805 เราควรให้ 7v อย่างน้อยที่สุด

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ไม่มีการควบคุมจะถูกจ่ายให้กับ IC และเราได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมที่ขั้วเอาท์พุท ชื่อของ IC กำหนดฟังก์ชัน 78 แทนเครื่องหมายบวกและ 05 แทนค่าของแรงดันไฟฟ้าขาออกที่มีการควบคุม ดังที่คุณเห็นในแผนภาพวงจรเราให้ 9V กับ 7805IC และได้รับการควบคุม + 5V ที่เอาต์พุต ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 ใช้สำหรับการกรอง

วงจรควบคุมแรงดันซีเนอร์

ที่นี่เราได้ออกแบบ Zener Voltage Regulator โดยใช้ซีเนอร์ไดโอด 5.1V ซีเนอร์ไดโอดทำงานเป็นองค์ประกอบการตรวจจับ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินกว่าแรงดันไฟฟ้าเสียการเริ่มต้นจะดำเนินการในทิศทางย้อนกลับและรักษาแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากันและไหลกลับกระแสพิเศษดังนั้นจึงให้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่คงที่ ในวงจรนี้เราให้แรงดันไฟฟ้าอินพุต 9V และรับแรงดันไฟฟ้าเกือบ 5.1 ของเอาต์พุตที่มีการควบคุม