Регулятор напряжения из первых принципов - почему мощность на транзисторе сбрасывается?

Я пытаюсь углубить свое понимание электроники, поэтому я решил попытаться сконструировать фиксированный регулятор напряжения, способный подавать усилитель или около того. Я собрал это воедино из первых принципов, не обращаясь к какой-либо справочной информации о том, как обычно конструируются регуляторы напряжения.

Мои мысли были:

• Стабилитрон и резистор, чтобы обеспечить фиксированное напряжение ссылки.
• Компаратор для обнаружения, когда выходное напряжение было выше целевого порога.
• Транзистор для включения и выключения питания.
• Конденсатор действует как резервуар.

Имея это в виду, я разработал этот фиксированный регулятор 5 В, который, кажется, работает:

Однако я заметил, что у него есть определенные ограничения, которые я не могу точно определить, по какой причине:

• Ток от V1 (вход) примерно равен току на R2 (выход), несмотря на различные напряжения. Кажется, это соответствует поведению линейных регуляторов напряжения (это то, что я только что создал?), Но я не уверен, почему это происходит. Почему так много энергии рассеивается от Q2, учитывая, что он просто включается и выключается?
• Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В, а вместо этого колеблется около 4 В. Я пробовал это с различными нагрузками, но он просто не работает ниже этого входного напряжения. Какова причина этого?

Я собрал это воедино из первых принципов, не обращаясь к какой-либо справочной информации о том, как обычно конструируются регуляторы напряжения.

Не очень хорошее начало, но на самом деле вы получили почти точный дизайн большинства линейных регуляторов. Но «первый принцип», о котором вы забыли, - это линейная область MOSFET . Вы пробовали эту вещь в симуляторе? Система установится в точке, где транзистор включен наполовину, рассеивая мощность как резистор.

Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В, а вместо этого колеблется около 4 В. Я пробовал это с различными нагрузками, но он просто не работает ниже этого входного напряжения. Какова причина этого?

Это называется «падением напряжения». Это связано с ограничениями того, насколько близко к входным рейкам способен управлять операционный усилитель; Вы теряете приблизительно 0,7 В на выходном транзисторе операционного усилителя и еще 0,7 В из-за порогового напряжения MOSFET.

Возможно, вам удастся добиться большего успеха с лучшим операционным усилителем, чем с устаревшим устаревшим 741. В противном случае вы пытаетесь создать то, что называется LDO: регулятор с низким уровнем отсева.

Почему так много энергии рассеивается от Q2, учитывая, что он просто включается и выключается?

Потому что это не схема переключающего регулятора - это линейный регулятор, который вы разработали.

Ток от V1 (вход) примерно равен току на R2 (выход), несмотря на различные напряжения. Это похоже на поведение линейных регуляторов напряжения (это то, что я только что создал?)

Да у тебя есть.

Когда V1 составляет менее 7,5 В, выходное напряжение никогда не достигает порога 5 В

Вам нужно около пары вольт на затворе (относительно источника), чтобы начать включение полевого МОП-транзистора. Это должно происходить от операционного усилителя, и он, вероятно, «теряет» примерно вольт на своем выходе по сравнению с входящей шиной питания. Таким образом, если вы хотите, чтобы выходное напряжение составляло 5 вольт, то вам нужно питание на входе около 8 вольт, и это будет на небольших нагрузках.

При больших нагрузках напряжение затвор-источник может составлять 3 или 4 Вольт. Теперь вам, вероятно, понадобится входное питание, которое составляет около 10 вольт, чтобы поддерживать выход регулятора на уровне 5 вольт.

Имейте уважение к простому регулятору, особенно к типам с низким уровнем отсева!

Конструкция в порядке, за исключением того, что выпадение FET LDO может быть ниже, чем BJT LDO, но компенсация FET может потребовать ESR в ограниченном диапазоне для стабильности и позволить некоторую пульсацию для обратной связи.

Вы можете повысить эффективность до 98% благодаря хорошему выбору индуктора с переключателем низкого RDSOn и дросселем с низким DCR. Теперь у вас есть регулятор доллара. Моделирование здесь

Мощность на транзисторе сбрасывается, потому что он является последовательным элементом, поэтому весь ток для нагрузки должен проходить через него, в то же время он должен уменьшать разницу между входным напряжением и выходным напряжением.

Какова причина этого?

При подаче на операционный усилитель напряжения v1 максимальное выходное напряжение на операционном усилителе и затворе MOSFET составляет v1. Для работы MOSFET понадобится несколько VGS, обычно это от 2 до 5 В, в зависимости от используемого MOSFET. 0,7 В для битов и 1,3 В для Дарлингтона.

Это означает, что максимальное значение, которое может видеть источник MOSFET, составляет v1 - 2 до 5v. Это именно то, что вы видели.