ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุตและสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ควบคุมโดยไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่หรือระดับแรงดันไฟฟ้าที่ปรับได้ การควบคุมอัตโนมัติของระดับแรงดันไฟขาออกนี้ได้รับการจัดการโดยเทคนิคการป้อนกลับแบบต่างๆ เทคนิคบางอย่างเหล่านี้ง่ายพอๆ กับซีเนอร์ไดโอด อื่นๆ รวมถึงโทโพโลยีป้อนกลับที่ซับซ้อนซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพ และเพิ่มคุณสมบัติอื่นๆ เช่น การเพิ่มแรงดันเอาต์พุตเหนือแรงดันไฟฟ้าอินพุตไปยังตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติทั่วไปในหลายวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายแรงดันไฟคงที่และเสถียรให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน
ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นทำงานอย่างไร
การรักษาแรงดันไฟคงที่ด้วยอินพุตที่ไม่รู้จักและอาจมีสัญญาณรบกวน จำเป็นต้องมีสัญญาณตอบรับเพื่อชี้แจงว่าจำเป็นต้องปรับอะไรบ้าง ตัวควบคุมเชิงเส้นใช้ทรานซิสเตอร์กำลังเป็นตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ที่ทำงานเหมือนครึ่งแรกของเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า เอาต์พุตของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าจะขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์กำลังอย่างเหมาะสมเพื่อรักษาแรงดันเอาต์พุตให้คงที่
เพราะทรานซิสเตอร์มีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทาน มันจึงเปลืองพลังงานโดยแปลงเป็นความร้อน - มักใช้ความร้อนจำนวนมาก เนื่องจากพลังงานทั้งหมดที่แปลงเป็นความร้อนจะเท่ากับแรงดันตกระหว่างแรงดันไฟขาเข้าและแรงดันขาออกคูณกับกระแสไฟที่จ่ายไป พลังงานที่กระจายไปมักจะสูงมาก ซึ่งต้องใช้ฮีทซิงค์ที่ดี
อีกรูปแบบหนึ่งของตัวควบคุมเชิงเส้นคือตัวควบคุมการแบ่ง เช่น ซีเนอร์ไดโอด แทนที่จะทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบอนุกรมแบบแปรผันเช่นเดียวกับตัวควบคุมเชิงเส้นทั่วไป ตัวควบคุม shunt จะให้เส้นทางสู่กราวด์เพื่อให้แรงดันไฟส่วนเกิน (และกระแส) ไหลผ่านตัวควบคุมประเภทนี้มักจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าตัวควบคุมเชิงเส้นแบบทั่วไป ใช้งานได้จริงเมื่อต้องการและจ่ายไฟเพียงเล็กน้อย
ตัวควบคุมแรงดันไฟสลับทำงานอย่างไร
ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งทำงานบนหลักการที่แตกต่างจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น แทนที่จะทำหน้าที่เป็นตัวระบายแรงดันหรือกระแสเพื่อให้เอาต์พุตคงที่ ตัวควบคุมสวิตชิ่งจะเก็บพลังงานไว้ที่ระดับที่กำหนดไว้และใช้ผลป้อนกลับเพื่อให้แน่ใจว่าระดับประจุจะคงอยู่ด้วยแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมน้อยที่สุด เทคนิคนี้ช่วยให้สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์มีประสิทธิภาพมากกว่าลิเนียร์เรกูเลเตอร์โดยการเปิดทรานซิสเตอร์อย่างเต็มที่ (โดยมีความต้านทานน้อยที่สุด) เฉพาะเมื่อวงจรเก็บพลังงานต้องการพลังงานระเบิด วิธีนี้ช่วยลดพลังงานทั้งหมดที่สูญเสียไปในระบบไปสู่ความต้านทานของทรานซิสเตอร์ในระหว่างการเปลี่ยน เนื่องจากมันเปลี่ยนจากการนำไฟฟ้า (ความต้านทานต่ำมาก) เป็นการไม่นำไฟฟ้า (ความต้านทานสูงมาก) และการสูญเสียวงจรขนาดเล็กอื่นๆ
ยิ่งสวิตช์ควบคุมการสวิตชิ่งเร็วขึ้นเท่าใด ความจุในการจัดเก็บพลังงานก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้นเพื่อรักษาแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงได้ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้นจะทำให้ประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากใช้เวลามากขึ้นในการเปลี่ยนสถานะการนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า กำลังสูญเสียมากขึ้นจากการให้ความร้อนด้วยตัวต้านทาน
ผลข้างเคียงอีกประการหนึ่งของการสวิตชิ่งที่เร็วขึ้นคือการเพิ่มขึ้นของสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดจากตัวควบคุมการสวิตชิ่ง โดยใช้เทคนิคการสลับที่แตกต่างกัน ตัวควบคุมการสลับสามารถ:
- ลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (buck topology)
- เพิ่มแรงดัน (โทโพโลยีบูสต์)
- ทั้งลดหรือเพิ่มแรงดัน (buck-boost) ตามความจำเป็นเพื่อรักษาแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ
ความยืดหยุ่นนี้ทำให้ตัวควบคุมการสลับเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่จำนวนมาก เนื่องจากตัวควบคุมการสลับสามารถเพิ่มหรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจากแบตเตอรี่เมื่อแบตเตอรี่หมด