リニア電源とスイッチング電源の違い
変換原理により、電源はリニア電源とスイッチング電源に分類できます。 リニア電源とスイッチング電源を分類する場合、実際にはそれがAC/DCなのかDC/DCなのかを明確にする必要があります。 この分類は、変換の原理を区別することを目的としていますが。 しかし、AC/DC機能を実現するリニア電源やスイッチング電源は、ACをDCに変換する完全なプロセスであり、一部の回路はDC/DCで構成されています。
AC/DC用リニア電源およびスイッチング電源
リニア電源を直接「AC/DC 用リニア電源」と呼んでいる教科書、書籍、記事が数多くあります。 リニア電源とは何ですか? リニア電源は、まず変圧器を介して交流電力の電圧振幅を低減し、次に整流回路を介して整流してパルス状の直流電力を取得し、次にそれをフィルタリングしてリップル電圧の小さい直流電圧を取得します。
AC/DCリニア電源とスイッチング電源の特性は以下のように異なります。
AC/DC のリニア電源は、まず電源周波数変圧器を使用して AC 電圧を減圧し、次に整流します。 変圧器による電圧降下後は比較的電圧が低くなっているため、電圧安定化のために三端子電圧レギュレータなどのパワーチップを使用できます。 リニア電源の調整チューブは増幅された状態で動作するため、発熱量が多く効率が低くなり（電圧降下に関連する）、大型のヒートシンクを追加する必要があります。 電源周波数変圧器の体積も比較的大きく、複数の電圧出力を生成する場合、変圧器の体積も大きくなります。
AC/DCスイッチング電源の調整管は飽和・遮断状態で動作するため、低発熱・高効率を実現します。 AC/DC スイッチング電源により、大型の電源周波数変圧器が不要になります。 ただし、AC/DCスイッチング電源のDC出力にはリップルが大きくなりますので、出力端に定電圧ダイオードを接続することで改善される場合があります。 さらに、スイッチ管の動作中に発生する高ピークパルス干渉のため、改善するには回路内で磁気ビーズを直列に接続する必要があります。 比較的言えば、リニア電源のリップルは非常に小さくすることができます。 スイッチング電源は、電圧降下、昇圧、昇圧などのさまざまなトポロジ構造を通じて実現できますが、リニア電源は電圧降下のみを実現できます。
初期の電源アダプタの多くは比較的重く、その変換原理は内部に電源周波数変圧器を使用する AC/DC リニア電源でした。 AC/DC リニア電源は、まず変圧器を使用して AC 電圧を下げます。 図 1.9 に示すように、主電源の電圧を直接低下させるこのタイプの変圧器は、電源周波数変圧器と呼ばれます。 電源周波数トランスは、低周波トランスとも呼ばれ、スイッチング電源で使用される高周波トランスとは区別されます。 電源周波数変圧器は、これまで従来の電源で広く使用されていました。 主電源とも呼ばれる電力業界の主電源の標準周波数 (「主電源」とは主に都市住民が使用する電源を指します) は、中国では 50 Hz、その他の国では 60 Hz です。 この周波数で交流の電圧を変えることができる変圧器を電源周波数変圧器といいます。 電源周波数トランスは、一般に高周波トランスに比べてサイズが大きくなります。 したがって、電源周波数変圧器を使用して実装される AC/DC リニア電源の容量は比較的大きくなります。
AC/DC スイッチング電源では、まず AC 電源を整流およびフィルタリングしてほぼ DC 高電圧を形成し、次にスイッチを制御して高周波パルスを生成し、変圧器を介して変換する必要があります。 AC/DCスイッチング電源は高効率かつ小型です。 サイズが小さい重要な理由の 1 つは、高周波トランスが電源周波数トランスよりもはるかに小さいことです。 周波数が高くなるとトランスの体積が小さくなるのはなぜですか?
変圧器のコア材料には飽和限界があるため、ピーク磁界強度にも限界があります。 交流の電流、磁界の強さ、磁束はすべて正弦波信号です。 同じ振幅の正弦波信号の場合、周波数が高くなるほど、信号の「変化率」のピークが大きくなることがわかっています (正弦波信号がゼロと交差する瞬間が「変化率」のピークですが、その変化率は信号のピークにおける変化量は 0) です。 一方、誘起電圧は磁束の変化率で決まります。 したがって、1 ターンあたりの電圧が同じ場合、周波数が高くなるほど、必要なピーク磁束は小さくなります。 しかし、前述したように、磁界強度のピーク値には限界があります。 したがって、必要な磁束が減少すると、鉄心の断面積を減少させることができます。 上記の分析では、1 ターンあたりの電圧が同じであると仮定しています。 そして、1ターンあたりの電圧は電力に関係します。 したがって、同じ力を仮定します。 電力が小さくなり、電流も小さくなり、許容されるワイヤが細くなり、抵抗がわずかに高くなる場合は、巻き数を増やすことができます。 この方法では、1 ターンあたりの電圧も低減され、必要な磁束も低減できます。 次に、音量を下げます。 また、上記の解析は材料が一定、つまり飽和磁場強度が一定であることを前提としています。 もちろん、飽和磁界強度の高い材料を使えば体積も小さくできます。 数十年前の同じサイズの変圧器と比較して、最近の変圧器は新しい鉄心材料を使用しているため、体積がはるかに小さくなっていることがわかります。
マクスウェル方程式によれば、変圧器コイルの誘導起電力 E は次のようになります。
つまり、N ワイヤ上の磁束密度 B の時間変化率の積分は、Ac の面積で回転します。
トランスの場合、トランスの一次側の誘導起電力 E と入力側にかかる電圧 U は線形関係と考えることができます。 トランスの入力側のUの振幅が変わらないと仮定すると、Eの振幅も変わらないと考えることができます。
また、各種磁心の磁束密度Bには上限があります。 高周波アプリケーションに使用されるフェライトはテスラの数十分の 1 程度ですが、電力周波数アプリケーションに使用される鉄心は 1 よりわずかに大きい程度で、わずかな違いがあります。
したがって、周波数が増加すると、磁束密度 B のピーク変化が大きくない限り、各サイクル中の磁束密度の変化率 dB/dt が大幅に増加します。 したがって、同じ誘導起電力 E を達成するには、より小さい Ac または N を使用できます。Ac の減少は磁気コアの断面積の減少を意味します。 N の減少は、磁気コアの空の窓の面積を減らすことができることを意味し、どちらも磁気コアの体積を小さくするのに役立ちます。 高周波トランスは断面積が小さくなり、コイルの巻き数が減り体積が小さくなります。
スイッチング電源の調整管は飽和・遮断状態で動作するため、発熱が少なく高効率です。 AC/DC スイッチング電源は、大型の電力周波数変圧器を使用する必要がありません。 ただし、スイッチング電源の直流出力には大きなリップルが重畳されます。 さらに、スイッチングトランジスタの動作中に大きなピークパルス干渉が発生するため、回路内の電源をフィルタリングして電源の品質を向上させることも必要です。 比較的、リニア電源には上記のような欠点はなく、リップルも非常に小さくなります。
