Jännisäätimet ottavat tulojännitteen ja luovat säädellyn lähtöjännitteen joko kiinteällä tai säädettävällä tasolla. Tämä lähtöjännitetason automaattinen säätö tapahtuu eri tyyppisissä jännitesäätimissä eri tavalla.
Jännisäätimien tyypit
Edullisimmat ja usein helpoimmin käytettävät jännitteensäätimet ovat lineaariset jännitesäätimet. Lineaariset säätimet ovat pienikokoisia, ja niitä käytetään usein pienjännitteisissä, pienitehoisissa järjestelmissä. Kytkentäsäätimet ovat tehokkaampia kuin lineaariset jännitesäätimet, mutta niitä on vaikeampi käyttää ja ne ovat kalliimpia. Zener-diodit ovat halpoja ja helppokäyttöisiä, mutta ne ovat vähemmän tehokkaita kuin lineaariset säätimet.
Lineaariset säätimet
Yksi yksinkertaisimmista tavoista tuottaa vakaa jännite elektroniikkaan on käyttää tavallista 3-napaista lineaarista jännitteensäädintä, kuten LM7805, joka tarjoaa 5 voltin 1 ampeerin ulostulon tulojännitteellä jopa 36 voltilla (mallista riippuen).
Lineaariset säätimet toimivat säätämällä säätimen vastaavaa sarjaresistanssia (ESR) takaisinkytkentäjännitteen perusteella, jolloin niistä tulee olennaisesti jännitteenjakajapiiri. Näin säädin antaa tasaisen jännitteen sen nykyisestä kuormituksesta riippumatta sen nykyiseen kapasiteettiin asti.
Yksi lineaaristen jännitesäätimien suurista haitoista on suuri vähimmäisjännitehäviö, joka on 2,0 volttia standardinmukaisessa LM7805-lineaarisen jännitesäätimessä. Tämä tarkoittaa, että vakaan 5 voltin ulostulon saamiseksi tarvitaan vähintään 7 voltin tulo. Tällä jännitehäviöllä on suuri merkitys lineaarisäätimen hajoamassa tehossa, jonka on hävitettävä vähintään 2 wattia, jos se tuottaa 1 ampeerin kuorman (2 voltin jännitehäviö kertaa 1 ampeeri).
Tehonhäviö pahenee, kun tulo- ja lähtöjännitteen välinen ero kasvaa. Esimerkiksi kun 7 voltin lähde, joka on säädetty 5 volttiin ja tuottaa 1 ampeerin, haihduttaa 2 wattia lineaarisäätimen kautta, kun taas 10 voltin lähde, joka on säädetty 5 volttiin ja joka tuottaa samaa virtaa, haihduttaa 5 wattia, mikä tekee säätimestä vain 50 % tehokkuuden.
Säätimien vaihtaminen
Lineaariset säätimet ovat loistavia ratkaisuja pienitehoisiin ja edullisiin sovelluksiin, joissa tulon ja lähdön välinen jännite-ero on pieni ja tehoa ei tarvita paljon. Lineaaristen säätimien suurin haittapuoli on, että ne ovat tehottomia, minkä vuoksi vaihtosäätimet tulevat esiin.
Kun tarvitaan suurta hyötysuhdetta tai laajaa tulojännitealuetta odotetaan, kytkentäsäätimestä tulee paras vaihtoehto. Kytkentäjännitesäätimien tehon hyötysuhde on 85 % tai parempi verrattuna lineaarisen jännitesäätimen hyötysuhteisiin, jotka ovat usein alle 50 %.
Kytkettävät säätimet vaativat yleensä lisäkomponentteja lineaaristen säätimien sijaan. Komponenttien arvoilla on enemmän vaikutusta kytkentäsäätimien kuin lineaaristen säätimien kokonaissuorituskykyyn. Suunnitteluhaasteita on myös kytkentäsäätimien tehokkaassa käytössä ilman, että säätimen tuottamasta elektronisesta kohinasta johtuva piirin suorituskyky vaarantuu.
Zener-diodit
Yksi yksinkertaisimmista tavoista säätää jännitettä on Zener-diodi. Vaikka lineaariset säätimet ovat yleensä perusrakenteisia, Zener-diodi tarjoaa riittävän jännitteen säädön yhdessä komponentissa.
Koska Zener-diodit shunttaavat kaiken ylimääräisen jännitteen, joka ylittää sen läpilyöntijännitteen kynnysarvon, maahan, sitä voidaan käyttää yksinkertaisena jännitteensäätimenä, jolloin lähtöjännite vedetään Zener-diodin johtimien yli.
Zenereillä on kuitenkin usein rajoitettu kyky käsitellä tehoa, mikä rajoittaa ne vain pienitehoisiin sovelluksiin. Kun Zener-diodeja käytetään tällä tavalla, on parasta rajoittaa käytettävissä olevaa tehoa, joka voi virrata Zenerin läpi, valitsemalla strategisesti oikean kokoinen vastus.
