क्यों रैखिक नियंत्रकों की तुलना में स्विचेस अधिक कुशल हैं?

Question

यह सर्वविदित है कि स्विचिंग नियामक अधिक कुशल हैं तो रैखिक नियामक। मुझे यह भी पता है कि रैखिक नियामक को इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बीच के अंतर को वर्तमान में गर्मी के रूप में फैलाना पड़ता है।

लेकिन यह समान शर्तों के साथ नियामकों को स्विच करने पर लागू क्यों नहीं होता है: समान इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज और करंट?

मुझे पता है कि स्विचर गर्म हो सकते हैं; मेरे पास एक बोर्ड है जो इतना गर्म हो जाता है कि आप इसे मुश्किल से छू सकते हैं, लेकिन फिर यह प्रत्येक तरफ केवल 2 1/2 मिलीमीटर है और इसके हीट सिंक के साथ 7805 के माध्यम से छेद की तुलना में चींटी जैसा दिखता है।

Answer 1

रैखिक नियामक स्रोत और लोड के बीच एक नियंत्रित चर अवरोधक को प्रभावी ढंग से लगाकर काम करते हैं। लोड के लिए सभी वर्तमान इस प्रतिरोधक तत्व से होकर बहते हैं। और इसके पार वोल्टेज स्रोत वोल्टेज और लोड वोल्टेज के बीच अंतर के बराबर है। अतः शक्ति का प्रसार होता है

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$।

स्विचिंग नियामक एक स्विचिंग चक्र पर वर्तमान प्रवाह के कर्तव्य चक्र को बदलकर काम करता है, फिर एक फिल्टर का उपयोग करके आउटपुट को औसत करता है। चक्र के भाग के दौरान एक कम वोल्टेज ड्रॉप के साथ एक उच्च प्रवाह बहता है। चक्र के दूसरे भाग के दौरान एक उच्च वोल्टेज ड्रॉप के साथ लगभग कोई वर्तमान प्रवाह नहीं होता है। इन स्थितियों में से कोई भी गर्मी के रूप में बहुत अधिक शक्ति को नष्ट नहीं करता है। आदर्श रूप से खोई हुई शक्ति बन जाती है

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

जो निश्चित रूप से, 0 डब्ल्यू है। आमतौर पर वास्तविक दुनिया में बहुत अधिक अक्षमता चक्र के "बंद" और "बंद" भागों के बीच बहुत कम स्विचिंग अंतराल के दौरान खो जाने वाली शक्ति के कारण है।

Comments

+1। ... और एसएमपीएस में कुछ और प्रकार के नुकसान: चुंबकीय कोर के नुकसान, मैग्नेटिक्स में तांबे के नुकसान (वाइंडिंग में परजीवी प्रतिरोध होता है), गेट ड्राइविंग से होने वाले नुकसान।

— निक एलेक्सीव

मुझे पता था कि स्विचर ने इनपुट काट दिया है, लेकिन उन्हें (डुह) एहसास नहीं हुआ कि वे नियमन करने के लिए कर्तव्य चक्र को भिन्न करते हैं।

— tcrosley

@tcrosley यहां तक ​​कि अगर आप पहले से ही जवाब जानते थे, तो यह भविष्य के पाठकों को शिक्षित करने के लिए एक उत्कृष्ट सवाल होगा।

— फोटॉन

Answer 2

आमतौर पर स्विचिंग रेगुलेटर अधिक कुशल होते हैं, लेकिन हमेशा नहीं।

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एक आदर्श लीनियर रेगुलेटर में वोल्टेज ड्रॉप होता है$V_{IN} - V_{OUT}$और एक ट्रांजिस्टर जैसे एक रैखिक पास तत्व है जो एक अवरोधक की तरह काम करता है, इसलिए आदर्श मामले में बिजली की हानि P = है$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, जैसा आप कहें। यह आदर्श मामला है, वास्तव में नियामक को काम करने के लिए थोड़ा वर्तमान की आवश्यकता होती है, और एक घटक हो सकता है जो आउटपुट चालू पर निर्भर करता है। कुछ एलडीओ रैखिक नियामक जो पार्श्व पीएनपी पास तत्वों पर निर्भर करते हैं, ड्रॉपआउट के करीब बहुत अधिक खपत हो सकते हैं- शायद 1 ए आउटपुट वर्तमान के लिए 100mA बर्बाद हो गया है (क्योंकि कुछ आईसी प्रक्रियाओं के साथ किए गए पीएनपी ट्रांजिस्टर में बहुत भद्दा वर्तमान लाभ होता है)।

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एक आदर्श स्विचिंग (हिरन) नियामक इस तरह दिखता है:

^{इस सर्किट का अनुकरण करें - सर्किटलैब का उपयोग करके बनाई गई योजनाबद्ध}

जहां स्विच एक ट्रांजिस्टर है, और डी 1 डायोड हो सकता है या यह एक और ट्रांजिस्टर हो सकता है। आदर्श मामले में, कोई ऊर्जा हानि तंत्र नहीं है । डायोड या तो पूरी तरह से ब्लॉक करता है या पूरी तरह से संचालित करता है, स्विच एक ही करता है, प्रारंभ करनेवाला में कोई डीसी प्रतिरोध नहीं है, और कैपेसिटर में कोई ईएसआर नहीं है। तो शक्ति बाहर शक्ति के बराबर है। निश्चित रूप से वास्तविकता केवल उस आदर्श से संपर्क कर सकती है। ऐसे नुकसान होंगे जो 'ओवरहेड' हैं और बढ़ते हुए घाटे के साथ बढ़ते नुकसान।

ध्यान दें कि प्रारंभ करनेवाला इस सर्किट का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है- यदि आपने इसे छोड़ने की कोशिश की, तो C1 पर अचल (अल्पावधि में) वोल्टेज विन पर अचल वोल्टेज के विरुद्ध आएगा और करंट अनंत हो जाएगा। एक वास्तविक सर्किट में, SW1 में कुछ प्रतिरोध होगा और यह रैखिक नियामक में पास ट्रांजिस्टर के रूप में गर्म होगा (सिवाय यह ईएमआई के टन भी होगा)।

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Comments

आपका अंतिम पैराग्राफ बिल्कुल सही नहीं है। एक बड़ा संधारित्र जिसमें कोई प्रारंभ करनेवाला नहीं है, फिर भी आपको एक रैखिक नियामक की तुलना में बहुत बेहतर दक्षता देगा। खामी वोल्टेज की तरंग की अधिक मात्रा और स्विच पर अधिक तनाव है।

— होर्ता

@horta मैं असहमत हूं। कहें कि आउटपुट करंट 0.1A, ड्यूटी साइकल 0.1% (बड़ा कैपेसिटर) है। 0.1% समय के लिए स्विच चालू 100A होगा, और स्विच के पार वोल्टेज ड्रॉप (VIN-VOUT) होगा, इसलिए नुकसान 0.1A * (VIN-VOUT) होगा जैसे कि एक रैखिक नियामक के साथ होता है।

— स्पायरो पेफेनी

आह, उदाहरण के लिए धन्यवाद। इससे वह साफ हो गया। गलत होने पर मैं निश्चित रूप से अधिक सीखता हूं।

— horta

मैं एक संधारित्र या एक प्रारंभ करनेवाला के बिना एक PWM के बारे में सोच रहा होगा जहां यह सिर्फ एक हेलिकॉप्टर है, लेकिन उस मामले में, कोई वोल्टेज विनियमन बिल्कुल नहीं है। चूंकि पूर्ण वोल्टेज तब लोड भर में गिर जाता है, फिर भी आप दक्षता हासिल करते हैं।

— होर्ता

@ हॉर्ता हां, यदि आप पीडब्लूएम को सीधे एक लोड (जैसे हीटर या एलईडी) में रख सकते हैं, तो आप गेम से आगे निकल जाएंगे।

— स्पायरो पेफेनी

Answer 3

यह सर्वविदित है कि स्विचिंग नियामक अधिक कुशल हैं तो रैखिक नियामक।

एक स्तर तक। 3.5V को एक LDO 3.3V रैखिक नियामक में रखना 94% की दक्षता देता है। आप ऐसा करने वाले स्विचिंग रेगुलेटर को खोजने के लिए कड़ी मेहनत करेंगे।

मुझे यह भी पता है कि रैखिक नियामक को इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बीच अलग-अलग वर्तमान को गर्मी के रूप में अलग करना होगा।

हां, लेकिन रैखिक नियामकों को किसी दिए गए आउटपुट वर्तमान के लिए अधिक या थोड़ा अधिक वर्तमान खींचना चाहिए, जबकि स्विचिंग नियामकों इनपुट वर्तमान में कमी के लिए आउटपुट वोल्टेज में गिरावट का व्यापार करते हैं, और इसलिए आमतौर पर समग्र रूप से कॉन्फ़िगर किए गए रैखिक नियामक की तुलना में कम शक्ति का उपयोग करते हैं।

Answer 4

आदर्श स्विचर्स किसी भी शक्ति को भंग नहीं करते हैं। वे इनपुट पक्ष से थोड़ी शक्ति लेते हैं, इसे स्टोर करते हैं और फिर इसे आउटपुट पक्ष पर जारी करते हैं।

ऊर्जा या तो एक प्रारंभ करनेवाला के अंदर एक चुंबकीय क्षेत्र में या संधारित्र में एक विद्युत क्षेत्र में संग्रहीत होती है।

वास्तविक घटकों के गैर-आदर्शताओं के कारण, जैसे कि इंडर्स में ESR, वे थोड़ी शक्ति को भंग कर देते हैं। उन्होंने ट्रांजिस्टर स्विचिंग के दौरान कुछ शक्ति को ढीला कर दिया। कुछ ऊर्जा नियंत्रक में भी खो जाती है।

Answer 5

लेकिन यह समान शर्तों के साथ स्विचिंग नियामकों पर क्यों लागू नहीं होता है

एक श्रृंखला रैखिक नियामक के लिए, स्रोत 100% समय बचाता है और इस शक्ति का कुछ बर्बाद हो जाना चाहिए क्योंकि (1) स्रोत वोल्टेज (परिमाण) लोड से बड़ा है और (2) स्रोत वर्तमान से कुछ हद तक अधिक होना चाहिए लोड वर्तमान।

हालाँकि, स्विचिंग रेगुलेटर के लिए, सोर्स स्विचिंग अवधि के कुछ अंश पर ही पावर डिलीवर करता है। इस समय के दौरान, स्रोत द्वारा वितरित की गई कुछ शक्ति लोड को वितरित की जाती है और शेष ऊर्जा भंडारण सर्किट तत्वों तक पहुंचाई जाती है - बहुत कम बर्बाद होती है।

फिर, ऑफ टाइम के दौरान, ऊर्जा भंडारण सर्किट तत्व लोड को शक्ति प्रदान करते हैं।

यह महत्वपूर्ण अंतर है - केवल निरंतर बिजली लोड करने के लिए समय के दौरान स्रोत से पर्याप्त शक्ति खींची जाती है।

उदाहरण के लिए, यदि लोड को लगातार 5W की आवश्यकता होती है, तो स्रोत 10W 50% समय और 0W शेष 50% 5W की औसत शक्ति के लिए वितरित कर सकता है । ऊर्जा भंडारण सर्किट तत्व ऊर्जा प्रवाह को 'सुचारू' करते हैं - समय के दौरान अतिरिक्त शक्ति को अवशोषित करते हैं और फिर इसे बंद समय के दौरान वितरित करते हैं।

Answer 6

एक आदर्श हिरन-बूस्टिंग स्विचिंग रेगुलेटर को इनपुट और आउटपुट, कॉइल और सीधे राउटिंग सर्किटरी से जोड़े जाने वाले कैप की एक जोड़ी के रूप में तैयार किया जा सकता है, जो तीन कॉन्फ़िगरेशन (एक हिरन-केवल, बूस्ट-ओनली या इनवर्टिंग सर्किट) के बीच स्विच कर सकता है केवल दो की जरूरत है)।

1. इनपुट कॉइल के माध्यम से आउटपुट से कनेक्ट होता है
2. तार सीधे इनपुट भर में जुड़ा हुआ है
3. कॉइल सीधे आउटपुट के पार जुड़ा हुआ है

मान लें कि घटक आदर्श रूप में व्यवहार करते हैं (कोई प्रतिरोधक या स्विचिंग नुकसान नहीं, आदि) स्रोत कैप 10V पर बैठते हैं, आउटपुट 1 ए खींचता है, स्विचर अपना पहला समय आधा विन्यास में, आधा भाग तीसरे में और चक्र काफी तेजी से खर्च करता है; कैप वोल्टेज और कॉइल करंट में प्रत्येक चक्र के दौरान ज्यादा बदलाव का मौका नहीं होता है।

"स्थिर" स्थिति में, उपरोक्त शर्तों के अधीन, कुंडल में हर समय एक amp बहता रहेगा (क्योंकि यह हमेशा एक लोड ड्राइंग 1 amp के साथ श्रृंखला में होगा)। यदि आउटपुट कैप पांच वोल्ट पर बैठा है, तो आधे समय में कॉइल के पार + 5 वी होगा, और आधे समय में यह -5 वी होगा, इसलिए औसतन इसका वर्तमान 1 amp पर रहेगा। आधा समय जब स्रोत कैप में से एक amp निकाला जाएगा (जब यह कॉइल से जुड़ा होता है), और आधे समय में इसका कोई भी नहीं होगा, इसलिए स्रोत को आधे से एक वर्तमान ड्रॉ दिखाई देगा।

यह देखने का सबसे सरल तरीका है कि कैसे एक स्विचर लोड से ड्रॉ की तुलना में स्रोत से कम वर्तमान खींच सकता है, यह देखने के लिए है कि इलेक्ट्रॉनों को कहां प्रवाहित किया जा रहा है: लोड के माध्यम से जाने वाले इलेक्ट्रॉनों का आधा स्रोत से आएगा, और आधा होगा स्रोत को बायपास करने के लिए स्विच किया गया। इस प्रकार, लोड के पास स्रोत के रूप में दो बार वर्तमान प्रवाह होगा।

Answer 7

मैं इस जोड़ देंगे अच्छे पुराने पानी के प्रवाह के सादृश्य के साथ बोर हर किसी के लिए: मान हम तीन ऊंचाई स्तर है एच ₁ , एच _आधा , एच ₀ ; पानी की आपूर्ति से आता है एच ₁ , तो कम से बहती एच _{साढ़े} अपने गंतव्य, पर एक चक्की या कुछ और, और तब सभी वापस जिस तरह से करने के लिए एक सा एच ₀ । नियामक से संक्रमण में है एच ₁ के लिए एच _{साढ़े} ।

• एक रैखिक नियामक एक झरना है: इलेक्ट्रॉनों बस नीचे आते हैं और पर्यावरण के लिए थर्मल ऊर्जा के रूप में अपनी क्षमता जारी करते हैं। H _½ पर करंट H ₁ के समान होगा ।

• एक स्विचर पानी को कम नहीं होने देता है, लेकिन इसे नियंत्रित रूप से बाल्टी में आंशिक रूप से कम करता है। एच ₁ से नीचे आने वाली प्रत्येक बाल्टी को एक काउंटरवेट की आवश्यकता होती है, उपयोग करने के लिए प्राकृतिक चीज एच ₀ से एक और बाल्टी पानी है !

Comments

+1। अच्छा चित्रण। इसके अलावा, आप यह उल्लेख कर सकते हैं कि एक (स्विचिंग) बूस्ट रेगुलेटर कुछ ऐसा कर सकता है जो कोई रेखीय नियामक नहीं कर सकता है, उसी तरह जैसे कि नोरिया कुछ ऐसा कर सकता है जो कोई जलप्रपात नहीं कर सकता।

— दाविदिक