Lineaariset säätimet toimivat asettamalla tehokkaasti ohjattu muuttuva vastus lähteen ja kuorman väliin. Kaikki kuorman virta kulkevat tämän resistiivisen elementin läpi. Ja sen poikki oleva jännite on yhtä suuri kuin lähdejännitteen ja kuormitusjännitteen ero. Joten hukkaan menevä teho on

\ $ P_ {lin} = I_ {load} \ kertaa {} (V_ {src} -V_ {load}) \ $.

Säätimen vaihtaminen työskennellä muuttamalla nykyisen virtauksen käyttöjaksoa kytkentäjakson aikana ja keskittämällä sitten lähtö lähtö suodattimella Syklin osan aikana virtaa suuri virta pienellä jännitehäviöllä. Syklin toisen osan aikana melkein mikään virta ei virtaa suurella jännitehäviöllä. Kumpikaan näistä olosuhteista ei hukkaa paljon tehoa lämpönä. Ihannetapauksessa menetetystä tehosta tulee

\ $ P_ {sw} = \ mathrm {DC} (I_ {on}) (0 \ \ mathrm {V}) + (1- \ mathrm {DC}) ( 0 \ \ mathrm {A}) (V_ {pois}) \ $,

mikä on tietysti 0 W. Tyypillisesti suuri osa tosielämän tehottomuudesta johtuu virrasta, joka menetettiin aivan lyhyt sisäinen vaihtaminen jakson "päälle" ja "pois" osien välillä.

Kytkentäsäätimet ovat yleensä tehokkaampia, mutta eivät aina.

Ihanteellisella lineaarisella säätimellä on jännitehäviö \ $ V_ {IN} - V_ {OUT} \ $ ja siellä on lineaarinen pass-elementti, kuten transistori, joka toimii kuin vastus, joten tehohäviö on ihanteellisessa tapauksessa P = \ $ I \ cdot (V_ {IN} - V_ {OUT}) \ $, kuten sanot. Se on ihanteellinen tapaus, todellisuudessa säädin tarvitsee vähän virtaa toimiakseen, ja voi olla komponentti, joka riippuu lähtövirrasta. Joillakin LDO-lineaarisilla säätimillä, jotka riippuvat sivusuunnassa olevista PNP-läpikulkuelementeistä, voi olla erittäin suuri kulutus lähellä pudotusta - ehkä 100mA hukkaan 1A-lähtövirralle (koska joillakin IC-prosesseilla valmistetuilla PNP-transistoreilla on taipumus olla melko kova virran vahvistus).

Ihanteellinen kytkentäsäädin (buck) näyttää tältä:

^{simuloi tätä virtapiiriä - Kaavio luotu käyttämällä CircuitLab}

Jos kytkin on transistori ja D1 voi olla diodi tai se voi olla toinen transistori. Ihanteellisessa tapauksessa ei ole energian menetysmekanismia . Diodi joko estää täydellisesti tai johtaa täydellisesti, kytkin tekee samoin, induktorilla ei ole DC-vastusta ja kondensaattorilla ei ole ESR: ää. Joten teho on yhtä suuri kuin teho. Tietysti todellisuus voi lähestyä vain tätä ihannetta. Tulee tappioita, jotka ovat "yleiskustannuksia", ja tappioita, jotka kasvavat virran kasvaessa.

Huomaa, että induktori on kriittinen osa tätä virtapiiriä - jos yrität jättää sen pois, C1: n kiinteä (lyhyellä aikavälillä) jännite kohtaa Vinin kiinteää jännitettä ja virta tulla ääretön. Todellisessa piirissä SW1: llä olisi jonkin verran vastusta ja se lämpenisi yhtä kuumaksi kuin lineaarisen säätimen passitransistori (paitsi että se tekisi myös tonnia EMI: tä).

On hyvin tiedossa, että vaihtosäätimet ovat tehokkaampia kuin lineaariset säätimet.

Pisteeseen. 3,5 V: n asettaminen 3,3 V: n LDO-lineaariseen säätimeen tuottaa 94%: n hyötysuhteen. Sinua olisi vaikea löytää kytkinsäädin, joka voi tehdä sen.

Tiedän myös, että lineaarisen säätimen on haihduttava tulojännitteen ja lähtöjännitteen välinen ero kertaa nykyinen lämpö .

Kyllä, mutta lineaaristen säätimien on käytettävä yhtä paljon tai hieman enemmän virtaa tietylle lähtövirralle, kun taas kytkentäsäätimet säätävät lähtöjännitteen pudotusta laskuna tulovirrassa, ja siksi ne käyttävät yleensä vähemmän virtaa kuin vastaavasti konfiguroitu lineaarinen säädin.

Ihanteelliset kytkimet eivät kuluta virtaa. He ottavat vähän virtaa tulopuolelta, varastoivat sen ja vapauttavat sen sitten lähtöpuolella.

Energiaa varastoidaan joko magneettikenttään induktorin sisällä tai sähkökentään kondensaattorissa.

Mutta miksi tämä ei koske säätimien kytkentää samoilla ehdoilla

Sarjalineaarisessa säätimessä lähde tuottaa tehoa 100% ajasta ja osan tästä tehosta täytyy tuhlata, koska (1) lähdejännite (suuruus) on suurempi kuin kuormitus ja (2) lähdevirran on oltava jonkin verran suurempi kuin kuormavirta.

Kytkentäsäätimelle lähde on kuitenkin toimittaa tehoa vain osan murto-osasta kytkentäjaksoa. Tänä aikana osa lähteen toimittamasta tehosta toimitetaan kuormalle ja loput toimitetaan energian varastointipiirielementteihin - hyvin vähän hukkaan.

Sitten energian varastointi sammutuksen aikana piirielementit tuottavat tehoa kuormalle.

Tämä on ratkaiseva ero - lähteestä otetaan vain riittävästi virtaa käynnistysaikana kuorman jatkuvaksi virran saamiseksi.

Esimerkiksi jos Kuormitus vaatii jatkuvan 5 W: n, lähde saattaa tuottaa 10 W 50% ajasta ja 0 W loput 50% keskimääräisestä tehosta 5 W. Energian varastointipiirin elementit 'tasoittavat' energian virtausta - absorboivat ylimääräisen tehon käynnistyksen aikana ja toimittavat sen sitten sammutuksen aikana.

Ihanteellinen buck-boost-kytkimen säädin voidaan mallintaa pariksi korkkeja, jotka on kytketty suoraan tuloon ja lähtöön, kelaan ja joihinkin reitityspiireihin, jotka voivat vaihtaa kolmen kokoonpanon välillä (vain buck, vain boost tai kääntävä piiri tarvitsee vain kaksi).

1. Tulo kytketään lähtöön kelan kautta
2. Käämi on kytketty suoraan tulon yli
3. kela on kytketty suoraan lähdön yli

Oletetaan, että komponentit käyttäytyvät ihanteellisesti (ei resistiivisiä tai kytkentähäviöitä jne.) lähdekorkit ovat 10 V: n jännitteellä, lähtö vetää 1 A, kytkin viettää puolet aika ensimmäisessä kokoonpanossa, puolet kolmannessa, ja jaksot ovat riittävän nopeita, jotta kannen jännitteillä ja kelavirralla ei ole mahdollisuutta muuttua paljon jokaisen jakson aikana.

"Tasaisessa" tilassa kohde edellä mainituissa olosuhteissa kelalla on yksi viritin läpi virtaava koko ajan (koska se tulee aina sarjaan 1 ampeerin kuormituksen kanssa). Jos ulostulokansi istuu viidellä voltilla, puolet ajasta kelan yli + 5 V ja puolet ajasta -5 V, joten sen virta pysyy keskimäärin 1 ampeerissa. Puolet ajasta lähdekorkki ottaa siitä yhden vahvistimen (kun se on kytketty kelaan), ja puolet ajasta, kun sitä ei ole, joten lähde näkee puolen ampeeria nykyistä vetoa.

Yksinkertaisin tapa nähdä, kuinka kytkin voi vetää vähemmän virtaa lähteestä kuin kuormitus, on tarkastella, missä elektronit virtaavat: puolet kuorman läpi kulkevista elektronista tulee lähteestä ja puolet kytketään ohittamaan lähde. Siten kuormalla virtaa sen läpi kaksi kertaa niin paljon virtaa kuin lähteestä.

Jotta kyllästyisi kaikki, joilla on vanha hyvä vesivirta-analogia, lisätään tämän: oletetaan, että meillä on kolme korkeustasoa H ₁ , H _½ , H ₀ ; vedensyöttö tulee H ₁ ja virtaa sitten kohdasta H _½ vähän määränpäähänsä, myllyyn tai jotain, ja palaa sitten takaisin H ₀ . Säädin on siirtymässä kohdasta H ₁ kohtaan H_½.

• Lineaarinen säädin on vesiputous: elektronit vain jyrisevät alas ja vapauttavat potentiaalinsa lämpöenergiana ympäristöön. Nykyinen H _½ -kohdassa on sama kuin kohdassa H₁.

• Kytkin ei vain anna veden virtaavan, vaan laskee sen hallitusti annoksittain kauhoissa. Jokainen ämpäri, joka laskeutuu kohdasta H ₁ , vaatii vastapainon, luonnollisesti käytettävä asia on toinen vesisäiliö , H ₀ !