であること スイッチングレギュレータ この回路は効率が高く、IC 7812、IC LM317、IC LM338 などのリニア レギュレータとは異なり、エネルギーを無駄にしたり消費したりしません。
7812、LM317、LM338 などのリニア レギュレータが降圧コンバータとして不適切なのはなぜですか?
7812 や LM317 などのリニア レギュレータは、その動作特性により非効率な降圧コンバータとみなされます。
リニアレギュレータでは、過剰な入力電圧は熱の形で放散されます。これは、入力端子と出力端子の間の電圧降下が無駄なエネルギーとして単に「焼き尽くされる」ことを意味します。リニア レギュレータは可変抵抗器として機能し、その抵抗を調整して余剰エネルギーを放散し、出力電圧を調整します。
この消費プロセスにより、かなりの電力損失が発生し、効率が低下します。リニアレギュレータの効率は、入力電力に対する出力電力の比率によって決まります。入出力電圧差が増加すると、電圧差と出力電流の積である熱として放散される電力も増加します。その結果、入力と出力間の電圧差が増加すると効率が低下します。
たとえば、リニア レギュレータを使用して 24 V 入力を 12 V に調整する場合、過剰な 12 V は熱として放散されます。これにより、大幅な電力の浪費が発生する可能性があり、高電力を必要とするアプリケーションでは追加の冷却機構が必要になります。
対照的に、スイッチングレギュレータ（ 降圧コンバータ ) 降圧変換の方が効率的です。インダクタ、コンデンサ、スイッチの組み合わせを利用して、電圧を効率的に変換します。
スイッチングレギュレータは、スイッチングサイクルのある段階でエネルギーを蓄積し、別の段階でそれを供給することで、熱としてのエネルギーの散逸を最小限に抑えます。特定の設計に応じて、スイッチングレギュレータは 80 ～ 95%、またはそれ以上の効率を達成できます。
要約すると、7812 や LM317 のようなリニア レギュレータは簡単でコスト効率が高いですが、電力効率が重大な懸念事項である場合、降圧変換には最も効率的な選択肢ではありません。
回路説明
以下の図は、24 V から 12 V へのコンバータの基本図を示しています。
使用されているスイッチングレギュレータは、モトローラの一般的なモデルであるμA78S40です。
次の図は、この集積回路の内部構造を示しています。これには、発振器、フリップフロップ、コンパレータ、電圧基準源、ドライバ、スイッチング トランジスタなど、スイッチング レギュレータに必要なさまざまなコンポーネントが含まれています。
さらに、このアプリケーションには必要のないオペアンプがあります。電源のフィルタリングと平滑化はコンデンサ C3 ～ C7 によって処理されます。
コンデンサ C1 は発振器の周波数を決定し、抵抗 R1、R5、および R6 はコンバータの出力電流を制限します。
抵抗 R1 の両端の電圧は、コンバータによって供給される電流に比例します。
μA78S40の13番ピンと14番ピンの間に約0.3Vの電圧差を設定すると、抵抗R6とR7により分圧器が形成され、約5Aで電流制限が可能になります。
コンデンサ C2 によってデカップリングされた基準電圧源は、IC1 のピン 8 で利用できます。
この基準電圧は、IC1 の内部コンパレータの非反転入力に印加されます。反転入力はコンバータの出力電圧に比例した電位に設定されます。
一定の出力電圧を維持するために、コンパレータは IC1 の出力段を制御します。
コンパレータの両方の入力は同じ電位に維持され、出力電圧は次の式で求められます。
Vs = 1.25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5]。
調整可能な抵抗 Aj1 を使用すると、コンバータの出力電圧を +10V ～ +15V の範囲で調整できます。
2 つの出力トランジスタはダーリントン ペアを形成し、それらの連続的なスイッチングはコンデンサ C1 の発振と同期してフリップフロップによって制御されます。
このフリップフロップはANDゲートと組み合わせてコンパレータによって制御され、μA78S40の出力段の導通時間を調整し、一定の出力電圧を維持します。
トランジスタ T1 の飽和またはブロック状態は、IC1 のダーリントン ペアの状態に従います。 IC1 の出力段が飽和すると、トランジスタ T1 がバイアスされ、そのベース電流が抵抗 R2 によって制限されます。
抵抗 R3 は抵抗 R9 とともに分圧器を形成し、スイッチング プロセスの開始時にトランジスタ T1 の VBE 電圧を制限します。
トランジスタ T1 はダーリントン モデルとして動作し、μA78S40 の発振器の周波数で開閉スイッチとして動作します。
インダクタ L1 は、インダクタンスの特性を利用して 24V から 12V への電圧降下を可能にします。定常状態では、トランジスタ T1 が飽和すると、インダクタ L1 の両端に +12V の電圧がかかります。
この段階では、インダクタンスはエネルギーを蓄積し、印加電圧が消えるとエネルギーを放出します。したがって、トランジスタ T1 がブロックされると、インダクタ L1 はそこを流れる電流を維持する傾向があります。
ダイオード D1 が導通し、インダクタ L1 の両端に -12V の逆起電力が発生します。
