LDO – Low Dropout Regulator (Niskonapięciowy regulator liniowy)

LDO – Low Dropout Regulator (Niskonapięciowy regulator liniowy)

Low Dropout Regulator, w skrócie LDO, to rodzaj liniowego regulatora napięcia, który charakteryzuje się niskim napięciem upadku (dropout voltage) pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym. Dziś wyjaśnię Ci, jak działa taki regulator, dlaczego jest tak ważny w projektach zasilania układów elektronicznych oraz jakie ma zastosowania w nowoczesnej elektronice, szczególnie tam, gdzie liczy się efektywność i stabilność napięcia zasilania.

Co to jest dropout voltage i dlaczego ma znaczenie?

Dropout voltage to minimalna różnica napięcia, którą musi mieć regulator pomiędzy wejściem a wyjściem, aby utrzymać stabilne napięcie wyjściowe. W tradycyjnych regulatorach liniowych ta wartość może wynosić kilka woltów, co powoduje większe straty energii i obniża efektywność. LDO natomiast potrafi utrzymać stabilne napięcie nawet przy różnicy wejścia i wyjścia rzędu kilkuset miliwoltów lub mniej, co czyni go idealnym do zasilania układów o niskim napięciu roboczym lub tam, gdzie zasoby energetyczne są ograniczone, np. baterie.

Jak działa LDO?

Regulator LDO składa się z tranzystora pracującego w trybie liniowym, zwykle typu P-MOSFET lub BJT, oraz układu sprzężenia zwrotnego, który monitoruje napięcie wyjściowe i odpowiednio reguluje przewodzenie tranzystora, by utrzymać stabilne napięcie. Kluczowe jest, że LDO wymaga bardzo niewielkiej różnicy napięcia, by tranzystor mógł pozostać w nasyceniu i stabilnie regulować wyjście.

Zalety i ograniczenia LDO

• Zalety: prostota konstrukcji, niski poziom szumów, szybka reakcja na zmiany obciążenia, małe rozmiary, niskie napięcie dropout.
• Ograniczenia: mniejsza efektywność niż w przetwornicach impulsowych (switching regulators), większa utrata energii przy dużych różnicach napięć, wydzielanie ciepła.

Zastosowania LDO w elektronice

Wiele układów cyfrowych, mikrokontrolerów i sensorów wymaga stabilnego i niskoszumowego napięcia zasilania – tu LDO sprawdza się doskonale. Stosuje się je również w urządzeniach przenośnych, gdzie napięcie baterii może spadać z czasem i potrzebne jest zasilanie o stabilnym napięciu pomimo tych zmian. Na przykład, w telefonach komórkowych, modułach IoT czy urządzeniach medycznych LDO pomaga zapewnić stabilną pracę układów.

Porównanie z innymi regulatorami napięcia

W porównaniu do przetwornic impulsowych, LDO jest prostszy i generuje mniej zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), co jest kluczowe w czułych układach audio czy RF. Jednak jego efektywność jest niższa, szczególnie gdy różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym jest duża. Dlatego często stosuje się LDO tam, gdzie napięcia wejściowe i wyjściowe są bliskie, lub po przetwornicy impulsowej, by wygładzić sygnał i zredukować szumy.

Parametry techniczne LDO

Wyzwania projektowe

Projektując zasilanie z użyciem LDO, musisz pamiętać o prawidłowym doborze radiatora lub odpowiedniego układu chłodzenia, bo stratę mocy w postaci ciepła generuje właśnie różnica napięć i przepływający prąd. Również należy zadbać o kondensatory filtrujące na wejściu i wyjściu, które stabilizują pracę regulatora i zapobiegają oscylacjom.

Jako że praca LDO opiera się na liniowej regulacji, wydajność energetyczna jest niższa niż w przetwornicach impulsowych, dlatego w projektach o wysokich wymaganiach prądowych i dużych różnicach napięć często stosuje się hybrydowe układy, gdzie LDO pełni rolę filtra po przetwornicy.

Zarówno wczoraj omawialiśmy zasady działania przetwornic impulsowych, które świetnie sprawdzają się przy dużych różnicach napięć, jak i dziś widzimy, jak LDO jest niezastąpiony tam, gdzie wymagana jest niska szumowość i szybka regulacja. W następnym temacie przyjrzymy się dokładniej różnicom między regulatorami liniowymi a impulsowymi, żeby lepiej zrozumieć, kiedy który typ warto zastosować.