Spenningsregulator

En spenningsregulator er en aktiv elektronisk komponent som har til oppgave å holde en konstant verdi på en elektrisk spenning. Det dreier seg her i artikkelen kun om likespenninger selv om det bygges apparater som regulerer vekselspenninger.

De enkleste regulatorene kalles linjære og har tre tilkoplinger hvor den ene er felles (ofte jord) og de to andre er inngangsspenningen og utgangsspenningen. Sistnevnte ligger alltid lavere enn førstnevnte i verdi. Reguleringen skal sørge for at utgangsspenningen er konstant, altså uavhengig av variasjoner av inngangsspenningen eller laststrømmen. Det lages egne regulatorer for positive og for negative spenninger.

Passive koplinger med en zenerdiode og motstander er ikke regulatorer, men stabilisatorer.

Reguleringen skjer alltid ved hjelp av tilbakekopling. Fordi tilbakekoplede systemer lett kan bli ustabile, eller oscillatoriske, settes det for det meste avkoplingskondensatorer på både inngangssiden og utgangssiden, så nær regulatoren som mulig. Som en indre del av regulatoren dannes det en referansespenning som er svært stabil, også for temperaturvariasjoner. Det er denne spenningen som regulatoren forholder seg til i reguleringsprosessen, derav navnet referansespenning. Utgangsspenningen blir internt redusert med en spenningsdeler bestående av to motstander. Den neddelte spenningen er den som blir sammenlignet med referansen. Slik kan en serie regulatorer med forskjellige faste utgangsspenninger fremstilles, der deleforholdet er det eneste som skiller kretsene fra hverandre. Likeledes kan en fjerde pinne brukes slik at designeren fastsetter utgangsspenningen selv med en enkelt motstand, fast eller variabel.

Utgangsstrømmen er nesten lik inngangsstrømmen. Forskjellen er strømmen som går ut av fellesterminalen. Denne strømmen forsyner elektronikken inni regulatoren og den er oftest konstant, uavhengig av inngangsspenningen eller laststrømmen.

Effekten som avgis til regulatoren er gitt av strømmen og regulatorens spenningsfall som Preg = I*(Uinn-Uut). Siden maksimal inngangsspenning ofte er rundt 30 V kan regulatoren ved lave utgangsspenninger få tilført langt mere effekt enn lasten får.

Spenningsregulatorer er ganske robuste. De slår seg av som selvbeskyttelse hvis temperaturen eller strømmen blir for høy. Om de er sikret mot overspenning på inngangen eller feil polaritet eller ikke er forskjellig fra type til type.

Datablader for en regulator vil spesifisere hvor god reguleringen er, for en rekke parametre. Dette kan gis som tall eller som grafer. De engelske betegnelsene er tatt med fordi datablader helst bruker dette språket.

• Lastregulering (load regulation) som sier hvor mye utgangsspenningen endrer seg med strømmen
• Linjeregulering eller inngangsregulering (line regulation) som sier hvor mye utgangsspenningen endrer seg med inngangsspenningen
• Temperaturkoeffisienten (temperature coefficient) som viser temperaturens innflytelse på utgangsspenningen
• Presisjonen (precision) som sier hvor nøyaktig utgangsspenningen er i forhold til oppgitt spenning
• Maksimalt spenningstap (dropout voltage) som sier hvilken minste spenning som ligger over regulatoren (inn til ut) ved full strøm og funksjon. Noen regulatorer kalles low-dropout typer og er laget for at denne spenningen skal være særlig lav. Drop-out spenningen ligger i området 0.5 til rundt 3 V.
• Maksimale verdier (absolute maximum ratings) gis for inngangsspenning, for strømmen, for temperaturen og for effekt. Verdiene ligger noe under grensen hvor regulatoren tar blivende skade. Som nevnt er de fleste regulatorer sikret mot skader. Her blir også høyeste tillatte reversspenning oppgitt; fenomenet oppstår ved avslag der en stor kondensator holder driftsspenningen oppe lenge. (En ekstra diode satt i retning ut- til inngang vil blokkere slike spenninger.)
• Egetforbruk (strøm) (Quiescent current) strømmen som går i fellesterminalen
• Utgangsstøy (output noise) i utgangsspenningen blir spesifisert
• Kapasiteter for bruk på inn- og utgangssiden blir spesifisert som foreslåtte verdier og dielektriske materialer for forskjellige situasjoner
• Transientresponsen (transient response) blir spesifisert og beskriver hva som skjer med utgangsspenningen når det kommer store, hurtige sprang på inngangssiden

(Engelsk: Switch-mode regulators). For lettere forståelse av mekanismene i dette kapitlet er det verdt å huske hvordan en spole oppfører seg. Når en spole leder en viss strøm er energien dens, som inneholdes av magnetfeltet, gitt. Når spolen plutselig blir koplet om, vil den motsette seg strømendringer ved brått å endre sin spenning tilsvarende, slik at strømmen opprettholdes. Derfra tømmes da energien etterhvert.

I avsnittet om linjære regulatorer ble det fastslått at regulatoren selv kan få tilført mere effekt enn selve lasten, siden strømmen er felles og regulatoren får spenningen Uinn - Uut. Det faktum at verden prøver å spare energi der det er mulig, har ført til regulatorkoplinger som kun har små tap, også når utgangsspenningen er lav i forhold til inngangsspenningen. Koblingen fører også til at batterier holder lengre i batteridrevne apparater som laptop'er. Koplingene er noe mere komplekse enn i en linjær regulator.

Metoden går i hovedsak ut på å hakke opp inngangsstrømmen og å mellomlagre energi i en spole før energien gis til utgangen i glattet form over en kondensator. Frekvenser som brukes i praksis ligger mellom 10 og 100 kHz. Energibesparelsen ligger i at regulatoren kun slår en bryter på og av med hakkefrekvensen, slik at enten strømmen eller spenningen er null på ethvert tidspunkt. Tapene er slik, ideelt sett, lik null.

Ved hjelp av dioder og med forskjellige koplinger kan utgangsspenningen gjøres høyere enn inngangsspenningen, eller utgangsspenningen kan gjøres invertert, altså ha et annet fortegn enn inngangsspenningen.

Regulatorene som komponenter har ofte flere pinner enn linjærregulatoren. Noen typer krever kun en spole i tillegg til avkoplingskondensatorene, andre kan kreve dioder og ekstra kondensatorer.

I løpet av perioden arbeider regulatoren gjennom to modi:

• Lademodus: Strøm tilføres spolen slik at dens interne feltenergi øker.
• Utlademodus: Noe av energien hentes fra spolen og gis til utgangen.

Ved lavt forbruk er lademodus kortvarig; lademodus varer lengre når energikravet blir større. Spolens energi tømmes aldri helt ut i perioden. Energien som tilføres i hver periode, målt i Wattsekund Ws, ganger frekvensen med dimensjon 1/s er lik utgangseffekten i Watt. Styringen av ladingen tas hånd om av elektronikk i regulatoren, som også (som linjærregulatoren) er linjært tilbakekoplet fra utgangen.

Datablader vil i hovedsak beskrive de samme parametre som for linjærregulatoren, men med tillegg av

• Frekvensen som oftest er uforanderlig
• Effektiviteten som beskriver utgangsenergien i prosent av energitilførselen. Denne gis oftest som grafer, da det er mange faktorer som virker inn på den. Typiske tall kan være fra 80 til 95 %. Det som mangler av 100% er tapene i %.

Noen slike regulatorer tilbyr en inngangspinne som kan styre frekvensen noe, og kan sørge for synkronisering med andre frekvenser i en anvendelse.

I noen større enheter sammensatt av mange enkeltkomponenter produseres en rekke spenninger fra den samme opphakkede inngangsstrømmen, som her ofte tas fra 240 V lysnettet og blir nær 340 V etter likeretting. Med nett-inngang kalles apparatet en 'switch-mode power supply' på engelsk. Inngangen kan ellers være en spesifisert likespenning, da heter enheten en DC-DC konverter, eller omformer. Det brukes alltid en galvanisk isolerende transformator i stedet for en enkel spole. Transformatoren skiller utgangskretsen fra lysnettet eller primærkretsen og kan redusere eller øke spenningen, men inneholder også alltid den induktive mellomlagringen. Kun én av utgangsspenningene kan bli regulert ved tilbakekopling. De andre utgangsspenningene blir regulert med, men blir ellers slik de blir, naturligvis innenfor designgrensene. Hvis det stilles høye krav til noen andre av utgangsspenningene, kan disse til slutt reguleres ned ved hjelp av linjærregulatorer. Da lages den uregulerte spenningen bare såvidt høyere enn utgangsspenningen, noe som minimaliserer tapene. Det er særlig her at 'low drop-out' regulatorer kommer til anvendelse.

Hakkingen fører til en del støy til omgivelsene, gitt som elektriske, magnetiske eller elektromagnetiske felt. For å redusere problemet brukes avskjerming og gjennomtenkte ledningsføringer.