Regulador de tensão a partir dos primeiros princípios - por que a energia é despejada no transistor?

Estou tentando aprofundar meu entendimento sobre eletrônica, então decidi tentar projetar um regulador de tensão fixa capaz de fornecer um amplificador ou mais. Eu juntei isso desde os primeiros princípios, sem me referir a nenhum tipo de referência sobre como os reguladores de tensão são geralmente projetados.

Meus pensamentos foram:

• Zener e resistor para fornecer uma referência de tensão fixa.
• Comparador para detectar quando a tensão de saída estava acima do limite de destino.
• Transistor para ligar e desligar a fonte.
• Capacitor para atuar como um reservatório.

Com isso em mente, projetei esse regulador fixo de 5V, que parece funcionar:

O que notei, no entanto, é que ele tem certas limitações das quais não posso derivar a causa:

• A corrente de V1 (entrada) é aproximadamente igual à corrente em R2 (saída), apesar das tensões diferentes. Isso parece coincidir com o comportamento dos reguladores de tensão lineares (foi isso que acabei de criar?), Mas não sei por que isso acontece. Por que tanta energia é dissipada no segundo trimestre, considerando apenas ligar e desligar?
• Quando V1 é menor que cerca de 7,5V, a tensão de saída nunca atinge o limite de 5V, mas, em vez disso, gira em torno de 4V. Eu tentei isso com cargas variadas, mas simplesmente não funciona abaixo da tensão de entrada. Qual é a causa disso?

Eu juntei isso desde os primeiros princípios, sem me referir a nenhum tipo de referência sobre como os reguladores de tensão são geralmente projetados.

Não é um bom começo, mas você acabou tendo quase o design exato da maioria dos reguladores lineares. Mas o "primeiro princípio" que você esqueceu foi a região linear do MOSFET . Você já tentou isso em um simulador? O sistema se estabelecerá em um ponto em que o transistor esteja parcialmente ligado, dissipando a energia como um resistor.

Quando V1 é menor que cerca de 7,5V, a tensão de saída nunca atinge o limite de 5V, mas, em vez disso, gira em torno de 4V. Eu tentei isso com cargas variadas, mas simplesmente não funciona abaixo da tensão de entrada. Qual é a causa disso?

Isso é chamado de "tensão de interrupção". É devido a limitações em quão perto dos trilhos de entrada o opamp é capaz de dirigir; você perde aproximadamente 0.7V no transistor de saída do opamp e outro 0.7V devido à tensão limite do MOSFET.

Talvez você consiga se sair melhor com um amplificador operacional melhor do que o antigo e obsoleto 741. Caso contrário, você está tentando projetar o que é chamado de LDO: regulador de baixa evasão.

Por que tanta energia é dissipada no segundo trimestre, considerando apenas ligar e desligar?

Porque não é um circuito regulador de comutação - é um regulador linear que você projetou.

A corrente de V1 (entrada) é aproximadamente igual à corrente em R2 (saída), apesar das tensões diferentes. Isso parece coincidir com o comportamento dos reguladores de tensão lineares (foi isso que eu acabei de criar?)

Sim você tem.

Quando V1 é menor que cerca de 7,5V, a tensão de saída nunca atinge o limite de 5V

Você precisa de alguns volts no portão (em relação à fonte) para começar a ligar o MOSFET. Isso tem que vir do amplificador operacional e provavelmente "perde" cerca de um volt em sua saída em comparação com o trilho de energia de entrada. Portanto, se você deseja uma tensão de saída de 5 volts, precisará de uma fonte de entrada de cerca de 8 volts e isso será feito com cargas leves.

Em cargas pesadas, a tensão da fonte da porta pode precisar ser de 3 ou 4 volts. Agora você provavelmente precisará de um suprimento de entrada de cerca de 10 volts para manter a saída do regulador em 5 volts.

Respeite o regulador simples, especialmente aqueles que são de baixa desistência !!

O design é bom, exceto que o abandono do FET LDO pode ser menor que o BJT LDO, mas a compensação do FET pode exigir um ESR de alcance limitado para estabilidade e permitir uma ondulação no feedback.

Você pode torná-lo até 98% eficiente com a boa escolha de indutor com um interruptor RDSOn baixo e baixo afogador DCR. Agora você tem um regulador de investimentos. Simulação aqui

A energia é descarregada no transistor porque é o elemento em série; portanto, toda a corrente da carga precisa passar por ele, enquanto ao mesmo tempo deve diminuir a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída.

Qual é a causa disso?

Com o fornecimento para você opamp na v1, a tensão máxima de saída na porta opamp e nos MOSFETs é v1. O MOSFET precisará de algumas vgs para funcionar, areia que normalmente é de 2 a 5v, dependendo do MOSFET usado. 0,7v para bits e 1,3v para Darlington.

Isso significa que o máximo que a fonte MOSFET pode ver é de v1 - 2 a 5v. Foi exatamente o que você viu.