第一原理からの電圧調整器-トランジスタに電力がダンプされるのはなぜですか？

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私はエレクトロニクスの理解をさらに深めようとしているので、アンプなどを供給することができる固定電圧レギュレーターを設計することにしました。電圧レギュレータの通常の設計方法に関する参考資料を参照せずに、これを第一原理からまとめました。

私の考えは次のとおりです。

固定電圧リファレンスを提供するツェナーと抵抗。
出力電圧が目標しきい値を超えたことを検出するコンパレータ。
電源のオンとオフを切り替えるトランジスタ。
リザーバーとして機能するコンデンサ。

それを念頭に置いて、私はこの固定5Vレギュレーターを設計しました。

しかし、私が気づいたのは、次の原因を導き出すことができない特定の制限があることです。

V1（入力）からの電流は、電圧は異なりますが、R2（出力）の電流とほぼ等しくなります。これは線形電圧調整器の動作と一致しているように見えます（私が作成したものですか？）が、なぜそれが起こるのかわかりません。Q2のオン/オフを切り替えるだけであるため、Q2からそれほど多くの電力が消費されるのはなぜですか？
V1が約7.5V未満の場合、出力電圧が5Vのしきい値に達することはありませんが、代わりに4V付近でホバリングします。さまざまな負荷でこれを試しましたが、その入力電圧以下では機能しません。この原因は何ですか？

— 多項式
ソース

既存の答えは、あなたが見ているものの理由をすでに扱っています。オペアンプの「コンパレータ」の周りに少し肯定的なフィードバックを導入して、スイッチャーのように動作させます-ちょうど演習として

— ...-brhans

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「検出するコンパレータ...」 -回路にはコンパレータはなく、オペアンプのみです。実際のコンパレータに置き換えた場合、異なる（必ずしも良いとは限りません）動作が見られる場合があります。

— -marcelm

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トランジスタが完全にオンまたは完全にオフになっただけでも、リニアレギュレータであることに注意してください。トランジスタに抵抗を持たせるのではなく、ワイヤの抵抗を使用するだけです。

— user253751

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電圧レギュレータの通常の設計方法に関する参考資料を参照せずに、これを第一原理からまとめました。

良いスタートではありませんが、実際にはほとんどのリニアレギュレータのほぼ正確な設計になりました。しかし、忘れていた「最初の原則」は、MOSFETの線形領域です。シミュレーターでこのことを試しましたか？システムは、トランジスタがハーフオンになるポイントで安定し、抵抗として電力を消費します。

V1が約7.5V未満の場合、出力電圧が5Vのしきい値に達することはありませんが、代わりに4V付近でホバリングします。さまざまな負荷でこれを試しましたが、その入力電圧以下では機能しません。この原因は何ですか？

これは「ドロップアウト電圧」と呼ばれます。これは、オペアンプが駆動できる入力レールにどれだけ近いかという制限によるものです。オペアンプの出力トランジスタで約0.7V、MOSFETのしきい値電圧のためにさらに0.7Vが失われます。

古くて廃止された741よりも優れたオペアンプでより良い結果が得られるかもしれません。そうでなければ、LDO：低ドロップアウトレギュレータと呼ばれるものを設計しようとしています。

— pjc50
ソース

facepalm-これらはすべて私が知っていたものですが、コンテキストに適用できませんでした。ありがとうございました。

— 多項式

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これは純粋にシミュレータで設計されたものであり、はい、それがまさに起こることです。私はないんだけど、かなりリファレンスを参照することなく、実部とこのように一緒に何かを入れて怒っ十分。

— 多項式

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リニアレギュレータは基本的にスマートな抵抗器です-ここではトランジスタが抵抗器の役割を果たします。

— -Ecnerwal

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なぜ良いスタートではないのですか？（これは本番用ではない趣味/学習プロジェクトであると想定）

— -user253751

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Q2のオン/オフを切り替えるだけであるため、Q2からそれほど多くの電力が消費されるのはなぜですか？

スイッチングレギュレータ回路ではないため、設計したリニアレギュレータです。

V1（入力）からの電流は、電圧は異なりますが、R2（出力）の電流とほぼ等しくなります。これは、線形電圧レギュレータの動作と一致しているようです（作成したものですか？）

はいあなたが持っています。

V1が約7.5V未満の場合、出力電圧が5Vのしきい値に達することはありません

MOSFETをオンにし始めるには、ゲートに（ソースに対して）数ボルトが必要です。これはオペアンプから発生する必要があり、おそらく入力電源レールと比較して出力で1ボルトほど「失われます」。したがって、5ボルトの出力電圧が必要な場合は、約8ボルトの入力電源が必要であり、それは軽負荷になります。

重い負荷では、ゲート-ソース間電圧は3または4ボルトである必要があります。レギュレータの出力を5ボルトに保つには、おそらく約10ボルトの入力電源が必要になります。

シンプルなレギュレーター、特に低ドロップアウトタイプのレギュレーターを尊重してください!!

— アンディ別名
ソース

さらに、ツェナー電流はわずか5maの10vでも非常に低く、デバイスは50maに近い値に指定されています。逆電流が小さくなると、ツェナー電圧が低下します。このような広い範囲を期待している場合は、代わりに電圧基準デバイスを使用します。

— Trevor_G

「シンプルなレギュレーターを尊重してください」-確かに！謙虚なLDOにどれだけのエンジニアリングが費やされているのか、本当に感謝していませんでした！

— 多項式

うん、エンジニアリングがたくさんあります。ここでは、安定性、PSRR、またはノイズについては説明していません。

— -pjc50

P_channelパワーMOSFETを試すことができます。N_channel IRFP054の使用方法と比較して、INVERTING_MODEで実行されるため、OpAmpの入力を反転する必要があります。

— analogsystemsrf

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これは、MOSFETの場合でも、ことは注目におそらく価値がなかったというその線形領域よりもスイッチとして使用されるように、それはでしょうそれでもあなたはどの決してでき、電圧源からコンデンサを充電しようとしていることと思いますので、かなりの熱を放散する必要があり50％以上効率的です。

— ペリシンチオン

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FET LDOのドロップアウトがBJT LDOよりも低くなる可能性があることを除き、設計は問題ありませんが、FETの補償には、安定性のために限られた範囲のESRが必要であり、フィードバックにリップルを許容します。

低RDSOnスイッチと低DCRチョークを備えた適切なインダクタを選択することにより、最大98％の効率を実現できます。これで降圧レギュレータができました。シミュレーションはこちら

— トニー・スチュワート・サニースキーガイEE75
ソース

これは本当に古い答えですが、これが降圧レギュレータであるとは本当に確信していません。スイッチング素子は1つしかなく、トランジスタは依然としてかなりの電力を消費します。

— ハース

@Felthryなぜ私のシミュレーションを疑い、マウスでZener Vzをチェックし、Trannyをスコープに追加し、Vce、Iceの最大ワット数、最小値を表示するようにスコープを変更し、可変入力三角形入力Vと0.7から1.9Aへのパルス負荷に注意してからNPNを変更しますNFET（削除、FETの描画）にgmを1から5に変更し、Scopeに追加し、ワット、最小、最大に変更し、LにDCRを追加し、Shiftまたは^キーで部品のコーナーをドラッグしますか？ゴムバンドモードにすると、伸縮したり回転したりします。それが機能するか、それをどれだけ改善できるかを証明してください。キャップを変更して低ESRを追加し、0.1uFを低ESRで追加します。

— トニースチュワートサニースキーガイEE75

トランジスターの上にカーソルを合わせると、短いバーストで20ワット以上の電力が消費され、スイッチングコンバーターでは発生しないはずの複数のワットが定期的に消費されることがわかります。奇妙なことに、Falstadシミュレーターのトランジスターの電力消費をグラフ化することはできません。

— ハース

スコープスケールでワットを確認できますが、ここではPFETを調整し、90％の効率で125Wの負荷パルスフルステップ50％で2Vのリップル入力と5 mVのリップル出力で電力をFETでプロットします。tinyurl.com/ya5gyufe。一部の部品にはESRが含まれていますが、FETの選択は重要です。@Felthry

— トニースチュワートサニースキーガイEE75

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直列要素であるため、電力はトランジスタにダンプされます。したがって、負荷のすべての電流はトランジスタを通過する必要があり、同時に入力電圧と出力電圧の差を下げる必要があります。

— マーティン
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この原因は何ですか？

オペアンプへの供給がv1の場合、オペアンプとMOSFETゲートの最大出力電圧はv1です。MOSFETは、使用するMOSFETに応じて、通常2〜5Vの砂が機能するのにいくらかのvgを必要とします。ビットの場合は0.7v、ダーリントンの場合は1.3v。

つまり、MOSFETのソースが確認できる最大値はv1-2〜5vです。それはまさにあなたが見たものです。

— ダニーフ
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