การควบคุมพลังงานต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ? เช่น 9 -> 5 Volts

เพื่อเห็นแก่กระแสไฟฟ้าให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในวงจรขนาดเล็กควบคุมจาก ~ 9V ถึง 5V (หรือ 5V-> 1.5V) ฉันได้ดูตัวเลือกที่เป็นไปได้บางอย่าง สิ่งที่ฉันทำในตอนแรก (อาจเป็นตัวควบคุมสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์หรือแบตเตอรี่ขนาด 9 โวลต์) คือฉันถือว่าใช้มาตรฐาน LM7805 (5v) IC ฉันได้อ่านว่ามันใช้กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย แต่มีความเป็นธรรมพอสมควรในการทำเช่นนี้โดยเฉพาะเมื่อกระแสสูงสุดเพียง 50-100mA

ซีเนอร์ไดโอดจะให้คะแนนที่ ~ 5 โวลต์จะสามารถทำสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นหรือไม่เพราะมันควรรักษาแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ระดับ 5V หรือใกล้กับ 5V ในเวลาที่ค่อนข้างสูงกว่า

(MOS | J) FET / ทรานซิสเตอร์อื่น ๆ (ถ้ามีประสิทธิภาพมากกว่าโดยไม่สนใจการใช้งานแปลก ๆ ) หรือสิ่งที่มีความสามารถนั้นสามารถลดแรงดันไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานที่ง่ายมากได้หรือไม่?

ตัวควบคุมเชิงเส้นเช่น 7805 ไม่มีประสิทธิภาพและอื่น ๆ ดังนั้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเข้าสูงขึ้น มันทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานผันแปรซึ่งแปรผันตามค่าของมันเพื่อรักษาแรงดันเอาท์พุทให้คงที่ที่นี่ 5V นั่นหมายความว่ากระแสไฟฟ้าที่ใช้โดยวงจร 5V ของคุณยังไหลผ่านตัวต้านทานตัวแปรนี้ หากวงจรของคุณกระจาย 1A ดังนั้นการกระจายพลังงานใน 7805 จะเป็น

$P = \Delta V \cdot I = (9V - 5V) \cdot 1A = 4W$

4W ในองค์ประกอบเดียวค่อนข้างมาก 5W ในวงจรของคุณอาจกระจายไปตามส่วนประกอบหลาย ๆ อย่าง หมายความว่า 7805 จะต้องใช้ฮีทซิงค์และนั่นก็เป็นสัญญาณที่แย่ที่สุดนั่นคือการกระจายพลังงานที่มากเกินไป สิ่งนี้จะแย่ลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงขึ้นและสามารถคำนวณประสิทธิภาพของกฎข้อบังคับได้

$\eta = \dfrac{P_{OUT}}{P_{IN}} = \dfrac{V_{OUT} \cdot I_{OUT}}{V_{IN} \cdot I_{IN}} = \dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}}$

ตั้งแต่ไม่มี ดังนั้นในกรณีนี้η = 5 $I_{OUT} = I_{IN}$
หรือ 56% ด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงกว่าประสิทธิภาพนี้จะยิ่งแย่ลง$\eta = \dfrac{5V}{9V} = 0.56$

การแก้ปัญหาคือการควบคุมการเปลี่ยนหรือสลับสั้น มีสวิตช์ชนิดต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับ อัตราส่วนถ้าV O U Tน้อยกว่าV ฉันไม่มีคุณใช้แปลงเจ้าชู้ แม้ว่าตัวควบคุมเชิงเส้นในอุดมคติจะมีประสิทธิภาพต่ำ แต่ตัวสลับในอุดมคติก็มีประสิทธิภาพ 100% และคุณสมบัติที่คาดการณ์ได้ของคุณสมบัติของส่วนประกอบที่ใช้จะเป็นจริง ตัวอย่างเช่นแรงดันตกคร่อมไดโอดและความต้านทานของขดลวด ตัวสลับที่ออกแบบมาอย่างดีอาจมีประสิทธิภาพสูงถึง 95%$V_{IN}/V_{OUT}$$V_{OUT}$$V_{IN}$
เช่นสำหรับอัตราส่วน 5V / 9V ที่กำหนด อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันอาจส่งผลให้ประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม 95% ที่มีประสิทธิภาพหมายถึงพลังงานที่กระจายอยู่ในเครื่องปรับคือ

$P_{SWITCHER} = \left(\dfrac{1}{\eta} - 1\right) \cdot P_{OUT} = \left(\dfrac{1}{0.95} - 1\right) \cdot 5W = 0.26W$

ซึ่งต่ำพอที่จะไม่ต้องใช้ฮีทซิงค์ แท้ที่จริงสวิตช์ควบคุมตัวเองอาจอยู่ในแพ็คเกจ SOT23 พร้อมกับส่วนประกอบอื่น ๆ เช่นขดลวดและไดโอด SMD เช่นกัน

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่จะใช้บั๊กแปลงซึ่งเป็นประเภทของSwitching Regulator

ตัวควบคุมชนิดนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าตัวควบคุมแบบเชิงเส้นเนื่องจากเป็นการแปลงพลังงานมากกว่าการกระจายความร้อนโดยเจตนา

สูญเสียพลังงานในตัวอย่างของคุณหากวงจรของคุณกำลังวาด 100mA จะประมาณ:
(9V-5V) * 0.1A = 0.4W
พลังงานที่สูญเสียที่ 1A จะอยู่ที่ประมาณ (9V-5V) * 1A = 4W
สิ่งนี้จะมีประสิทธิภาพเพียง 55% เมื่อเทียบกับประสิทธิภาพของ 80-95% สำหรับสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์

นี่คือตัวอย่างส่วนหนึ่งที่สุ่มเลือก
ตัวอย่างเพิ่มเติมที่นี่ (เลือกกล่องกาเครื่องหมายอื่นเพื่อปรับแต่งการค้นหา - ฉันเพิ่งเลือกเอาต์พุต 5V)

ฉันเข้าใจว่านี่เป็นเธรดที่ค่อนข้างเก่า แต่ฉันสังเกตว่าสารกึ่งตัวนำของ murata ทำตัวแปลง DC / DC ซึ่งเป็นแบบแทนที่สำหรับ 78xx ซีรีย์ IC! "OKI-78SR Series" ประสิทธิภาพ 85% และแพ็คเกจสไตล์ TO-220 3 ขา http://www.mouser.com/ds/2/281/oki-78sr-56393.pdf