CUI inc blog: Сравнение линейного стабилизатора и импульсного регулятора напряжения

Очень часто в электрической схеме для питания отдельных узлов необходимы разные уровни напряжения. Неизолированные регуляторы — это распространенный и простой способ преобразовать одно напряжение в другое. Регуляторы обычно делятся на две категории в зависимости от метода преобразования: линейные или импульсные. Линейные стабилизаторы дёшевы и просты в использовании. Однако простота достигается за счет низкой эффективности. С другой стороны, импульсные преобразователи дороже и сложнее, но значительно более эффективны и соответственно меньше греются чем линейные стабилизаторы.

Линейные регуляторы Импульсные преобразователи
Простая конструкция Более сложная конструкция
Низкий КПД Высокий КПД
Большая тепловая нагрузка Малая тепловая нагрузка

 

Линейный стабилизатор

В качестве примера рассмотрим схему с линейным стабилизатором (рисунок 1). Исходные параметры: вход 24 В преобразуется в выход 6 В, ток нагрузки 1 А.


Рисунок 1 — Упрощенная схема линейного стабилизатора

 

Между входом и выходом находится проходной элемент,транзистор (Q1).  Это означает, что напряжение на транзисторе (Q1) представляет собой разницу между входом и выходом.

Следовательно выходное напряжение можно определить, как:

Как мы видим, что Vout регулируется путем управления напряжением на транзисторе Q1. Управление осуществляется с помощью операционного усилителя U1 с отрицательной обратной связью. Операционный усилитель сравнивает Vout с заданным значением. Если Vout больше, то напряжение на Q1 увеличивается, что вызовет уменьшение Vout. Если же Vout слишком низкое, то падение напряжения на Q1 становится меньше и  Vout растет до заданного значения.

 

КПД линейных регуляторов

Для оценки КПД линейного регулятора, рассмотрим путь тока нагрузки. Поскольку операционный усилитель U1 имеет очень высокое входное сопротивление и управляет только базой транзистора, то через него практически не протекает никакой ток. Остается прямой путь от входа к выходу, что означает, что входной ток равен выходному току.

Теперь мы можем использовать эту информацию для расчета эффективности и мощности, рассеиваемой линейным регулятором. Входная мощность равна Vin, умноженному на Iin.

Аналогично, выходная мощность находится, как:

А КПД стабилизатора:

Разница между входной (потребляемой) мощностью и выходной (мощность нагрузки) 18Вт! Эта мощность, рассеивается в маленьком корпусе линейного стабилизатора. Так, для корпуса TO-220 типичное тепловое сопротивление 20°C/Вт и 18 Вт рассеиваемой мощности приведет к нагреву на 360°C (без учета обдува и дополнительного радиатора).

Это явно приведет к разрушению стабилизатора, если не будут приняты меры для уменьшения теплового сопротивления: ставится дополнительный радиатор, делают принудительный обдув воздушным потоком. Всё это увеличивает размер, стоимость и сложность системы, что сводит на нет многие преимущества линейного регулятора (простота использования и дешевизна).

Из-за того что входной ток равен выходному, расчет КПД можно упростить до Vout, деленного на Vin. Из этого следует, что чем больше разница между Vout и Vin, тем ниже КПД  и тем больше мощности будет рассеиваться в регуляторе.

Рисунок 2 — Падение КПД из-за роста входного напряжения (напряжение нагрузки = const)

 

Импульсные преобразователи

Импульсные регуляторы работают иначе, чем линейные. Основное различие связано с управлением транзистором. На рисунке 3 показана упрощенная схема понижающего преобразователя, который вырабатывает выходное напряжение ниже входного, и выполняет ту же функцию, что и линейный стабилизатор в нашем предыдущем примере.

Рисунок 3

 

Как и линейный регулятор, импульсный преобразователь использует операционный усилитель и отрицательную обратную связь для управления транзистором.

Первое существенное отличие и причина того, что он называется импульсным стабилизатором, заключается в том, что транзистор приводится в действие так, что он либо полностью открыт (в идеале — короткое замыкание), либо полностью закрыт (в идеале — разомкнутая цепь). Сравните с линейным регулятором, где транзистор меняет свое сопротивление линейно. Здесь же транзистор Q1 включается и выключается с высокой частотой и создает прямоугольные импульсы в узле, соединяющем Q1, D1 и L1, который мы называем узлом переключения.

 

Выходное напряжение регулируется путем контроля среднего значения напряжения коммутационного узла. Для работы с фиксированной частотой среднее значение равно времени включения переключателя (SWon), деленному на период (SWon+SWoff), умноженный на входное напряжение (Vin).

Отношение времени включения к периоду известно как коэффициент заполнения (или рабочий цикл) и в понижающем стабилизаторе равно отношению выходного напряжения к входному напряжению. В нашем примере коэффициент заполнения 25%: для преобразования входа 24 В в выход 6 В.

Прямоугольные импульсы с коммутационного узла подаются в LC цепь между коммутационным узлом и выходом. LC-цепь представляет собой фильтр нижних частот, сглаживая пульсации. Таким образом, управляя продолжительностью рабочего цикла, а следовательно и средним напряжением в коммутационном узле, импульсный преобразователь может менять выходное напряжение. Этот процесс известен как широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

 

КПД импульсных преобразователей

Чтобы понять, почему эта схема более эффективна, чем линейный стабилизатор, рассмотрим импульсный регулятор во включенном и в выключенном состоянии при тех же условиях (Vin=24В, Vout=6В).

Во включенном состоянии транзистор полностью открыт. В этом случае ток будет течь от входа к выходу, но потери в транзисторе равны 0 Вт, потому что падение напряжения на нем равно нулю. Все остальные элементы на пути тока (катушка индуктивности, конденсатор и диод) в идеале работают без потерь, поэтому во время работы мощность не рассеивается (для идеальной модели).

В выключенном состоянии транзистор полностью разомкнут. В этом случае напряжение на транзисторе равно входному напряжению, но через него не течет ток, потому что это разомкнутая цепь. Мощность, рассеиваемая транзистором в этом состоянии, также равна 0 Вт.

Это значит, что верхний предел КПД равен 100%, тогда как линейный стабилизатор имеет верхний предел, равный Vout / Vin.

В действительности, катушка индуктивности, конденсатор и диод не идеальны и все они будут вносить потери, снижающие КПД. Транзистор также будет иметь потери из-за сопротивления в открытом состоянии наряду с потерями при переключении. То есть КПД импульсного преобразователя зависит от выбранных компонентов и условий эксплуатации. С другой стороны, эффективность линейного регулятора не зависит от выбранных компонентов и зависит только от условий входного и выходного напряжения.

 

Практические последствия низкого КПД

Как упоминалось выше, одной из основных причин популярности линейных регуляторов стала их низкая стоимость, простота и привычность в применении. Однако необходимость отводить большое количество тепла может потребовать использования радиатора и принудительного воздушного потока, что противоречит этим преимуществам. Импульсные регуляторы являются хорошей альтернативой, и хотя они дороже, стоимость конечного устройства может снизиться за счет отказа от  дорогих и громоздких устройств охлаждения. Сравните размеры линейного регулятора с радиатором и импульсного преобразователя, для питания одинаковой нагрузки.

 

Чтобы упростить внедрение импульсных преобразователей в приложениях, где традиционно используются линейные стабилизаторы, CUI предлагает несколько серий импульсных регуляторов, совместимых по выводам и посадочному месту с классическим линейным регулятором серии 7800 в корпусе TO-220. Эти импульсные регуляторы обеспечивают КПД до 94% и могут работать без какого-либо дополнительного охлаждения при температуре окружающей среды выше 65°C (149°F).

Рисунок 5- КПД импульсного преобразователя P78E15-1000 в зависимости от тока нагрузки.

 

Заключение

Линейные стабилизаторы- это испытанное и надежное решение. Однако их изначально низкий КПД может стать серьезной проблемой, если они проводят большие токи или работают с большим соотношением входного и выходного напряжений. Хотя импульсные регуляторы более сложны внутри и могут напугать тех, кто с ними не знаком, CUI Inc предлагает широкий спектр импульсных регуляторов с различными номинальными токами и и вариантами корпусов, которые так же просты в использовании, как классический линейный стабилизатор.

 

 

Компания ФОРМПОСТ (Formpost LLC) — официальный дистрибьютор CUI Inc.
https://www.cui.com/
http://www.formpost.pro/