08/28/2024で公開されています 314

線形電源

エレクトロニクスの世界では、電源はすべてがスムーズかつ正確に実行されることを確認するデバイスです。利用可能なさまざまなタイプの中で、線形電源は、騒音が非常に少ない安定した信頼性の高い電気の流れを提供することで知られています。この記事では、線形電源がどのように機能するか、どの部分で作られているか、最も有用な場所を説明します。また、それらを他のタイプの電源と比較し、より新しい、よりエネルギー効率の高いオプションが利用可能であっても、それらが特定の状況にまだ選ばれている理由を理解するのに役立ちます。

カタログ

図1：線形電源

線形電源とは何ですか？

線形電源は、抵抗を継続的に調整することにより、安定した一貫した電圧出力を提供する一種の電力デバイスです。この方法は、迅速な切り替えの使用を回避するため、さまざまな電子デバイスに清潔で信頼性の高い電力を提供するのにシンプルで理想的です。

このプロセスは、出力電圧を常にチェックするフィードバックシステムから始まります。この電圧は、微分アンプを使用して設定された基準電圧と比較されます。これは、精度を確保するのに役立つ回路です。出力電圧が基準と異なる場合、アンプは信号を生成して差を修正します。この信号は、パス要素と呼ばれる部品を制御します。これは、トランジスタまたはフィールド効果トランジスタ（FET）である可能性があります。パス要素は可変抵抗器のように機能し、抵抗を調整して電圧を適切なレベルに保ちます。

たとえば、入力電圧が増加すると、パス要素は抵抗を増加させて、出力電圧が上昇しないようにします。一方、入力電圧が低下した場合、パス要素は抵抗を下げてより多くの電流を可能にし、出力電圧が安定した状態を保証します。

この連続調整により、入力電圧または負荷が変化した場合でも、電源が一貫した電圧を提供することが保証されます。線形電源のシンプルさにより、信頼性が高く、電気ノイズがほとんど生成されません。これは、安定した電力を必要とするデバイスに役立ちます。ただし、このタイプの電源は、追加のエネルギーが熱として放出されるため、一般的に効率が低くなります。つまり、より大きな冷却システムが必要であり、より多くの電力を使用する可能性があります。

線形電源のコンポーネント

図2：線形電源のコンポーネント

電源入力トランス

線形電源では、トランスは、主電源からのAC電力と相互作用する最初のコンポーネントです。その主な仕事はそうです 電圧を変更します デバイスのニーズに応じて、デバイスを下げ（より一般的です）または増加させることにより、デバイスに適したレベルになります。トランスはまた、電源を主電源から分離し、電気的危険のリスクを減らすことにより保護を提供します。高出力アプリケーションでは、変圧器が非常に大きくなる可能性があり、これにより、電源の全体的なサイズと重量が増加します。電源の設計方法によっては、変圧器には 1つ以上の二次巻線 異なる出力電圧を生成します。

整流器

トランスが電圧を調整すると、AC電力をDC電源に変換する必要があります。これは整流器によって行われます。整流器は電源の重要な部分であり、さまざまなセットアップがあります。 半波修正 単一のダイオードを使用して、ACサ​​イクルの半分のみをDCに変換するため、効率が低下し、出力でより多くの変動を生成します。 全波修正 より効率的であり、ACサイクルの両方の半分を使用します。これは、センタータップされたトランスと2つのダイオード、または4つのダイオードを使用するブリッジ整流器セットアップで実行できます。ブリッジ整流器は、より効率的であるため、最新のデザインでより一般的に使用されています。通常、最新の整流器が使用されます 半導体ダイオード PNジャンクションダイオードやSchottkyダイオードのように。Schottkyダイオードは、電流が通過すると電圧が低下するため、電流がより効率的になるため、しばしば選択されます。

スムージングコンデンサ

整流器がACをDCに変換した後、出力は完全に滑らかではなく、ほとんどの電子回路では望ましくない電圧に変動が含まれます。平滑化コンデンサが役立ちます これらの変動を均一にします 整流された波形のハイポイント中に充電し、波形が低下したときに電荷を解放することにより。これは役立ちます DC電圧をより安定させます。コンデンサは変動を大幅に減らしますが、完全に除去するわけではありません。これらの変動を減らすコンデンサの能力は、そのサイズと負荷が必要とする電流の量に依存します。

電圧レギュレータ

電圧レギュレータは、線形電源の主要なコンポーネントであり、出力電圧が入力電圧または負荷が変化しても安定したままであることを保証します。線形調節因子には2つの主要なタイプがあります。 シャントレギュレーターとシリーズレギュレーター。

シャントレギュレーターはあまり一般的ではなく、可変コンポーネントを負荷全体に配置することで機能します。これは、出力電圧を安定させるために余分な電流を吸収します。このタイプのレギュレータは、非常に効率的ではない場合でも、電圧の正確な制御が必要な場合に使用されます。効率が低いため、通常、特定の状況でのみ使用されます。

シリーズレギュレータは、最も広く使用されているタイプの線形レギュレータです。このセットアップでは、可変抵抗が荷重と直列に配置され、制御回路は抵抗を調整して目的の出力電圧を維持します。シリーズレギュレーターのシンプルさと有効性により、多くの線形電源設計に人気のある選択肢になります。比較的簡単な設計で優れた電圧制御を提供し、幅広い用途に適しています。

線形電源の利点と短所

利点

線形電源には、特に安定性と静かな操作が必要な状況では、いくつかの利点があります。主な利点の1つは、それらが作成することです ノイズは非常に少ない。電流を迅速にオンとオフにする電源を切り替えるのとは異なり、線形電源は電流を着実に保ちます。この迅速な切り替えがないことは、彼らがあまり電磁干渉を作成しないことを意味し、それらをオーディオシステム、医療機器、正確な測定値などの機器などの繊細な電子デバイスに適した選択肢にします。

別の利点は彼らです 信頼できるパフォーマンス。線形電源は長い間存在しており、そのテクノロジーはよく知られており、信頼できるものです。彼らは長年使用されてきたので、彼らのパフォーマンスは一貫性があり、よく理解されています。エンジニアとデザイナーは、これらの物資を一貫して動作するために頼りにしています。これは、信頼性が必須である状況で非常に役立ちます。

短所

ただし、線形電源には、主にエネルギーとそのサイズをどれだけよく使用するかに関して、いくつかの欠点があります。最大の欠点の1つは彼らです 低効率。これらの消耗品は通常、入力エネルギーの約50％しか使用していないため、残りの半分は通常熱として無駄になります。この低い効率は、供給が余分なエネルギーを取り除くことで電圧を制御するために発生します。これは多くのエネルギーを無駄にします。

この無駄なエネルギーは別の問題につながります： 熱生成 。使用されていないエネルギーは熱を発生させます。これは、電源と接続されたデバイスが損傷を受けないように管理する必要があります。これは、多くの場合、ヒートシンクや冷却ファンなどの追加部品を追加することを意味します。これにより、設計がより複雑になり、コストが増加する可能性があります。

最後に、線形電源はそうです 大きくて重い 電源を切り替えるよりも。彼らは、電圧を減らすために大規模な変圧器と熱を管理するための追加部品を必要とし、これらの電源をかさばるものにします。これは、ポータブルデバイスやコンパクトなデバイスなど、スペースと重量が重要な状況では大きな不利な点になる可能性があります。

線形電源の用途

図3：線形電源の適用

線形電源は、スイッチングのカウンターパートほどエネルギー効率ではありませんが、安定したノイズのない電力出力が必要な特定の状況に選択されることがよくあります。これらの電源は、スイッチング電源に伴う混乱なしに安定したクリーンパワーが必要な環境で特に役立ちます。

視聴覚機器では、線形電源は高品質のオーディオアンプや敏感なオーディオデバイスに非常に役立ちます。それらは、滑らかで安定した電圧出力を提供します。これは、音質をそのままに保つために重要です。電源を切り替えると、音声信号を妨げる可能性のあるノイズやスパイクが導入され、音の歪みや不要な干渉につながる場合があります。このため、ハイエンドオーディオシステムでは線形電源が優先され、音質を純粋で明確に保つことが重要です。

実験装置では、一貫した正確な電力を持つことが非常に重要です。安定した正確な電圧出力を提供するために使用される実験室の電源などのデバイスは、しばしば線形調節に依存しています。線形電源が提供する安定性により、電圧が一貫していることが保証されます。これは、小さな変化でさえも誤った結果につながる可能性のある実験環境およびテスト環境で非常に重要です。これらの電源は、高レベルの精度を必要とする敏感な測定と実験に必要な、清潔でノイズフリーの電力を供給するように設計されています。

線形電源は、最小限のノイズで一貫した電圧を供給するように設計されているため、電力の品質がデバイスの動作に直接影響する状況に最適です。電源を切り替えるほどエネルギー効率が高いかもしれませんが、安定したクリーンパワーを提供する能力により、特定の騒音に敏感なアプリケーションで特に役立ちます。視聴覚および実験装置でのそれらの使用は、これらの設定でパフォーマンスと精度を維持する上で、電力品質がどのように重要な役割を果たすかを示しています。

他の電源タイプとの比較

線形電源は、電気エネルギーをあるフォームから別の形態に変更するために使用され、通常は交互の電流（AC）を直接電流（DC）に変えます。電源にはいくつかのタイプがあり、それぞれに独自の特性があります。

図4：規制されていない線形電源

規制されていない線形電源が最も基本的なタイプです。ACをDCに変換しますが、電圧を安定させるための追加機能はありません。これは、入力電圧が変化した場合、または使用されている電力量（負荷）が変化すると、出力電圧が変化する可能性があることを意味します。入力電圧が上がると、出力電圧も上がり、負荷が増加すると出力電圧が低下する可能性があります。このため、これらの電源は、適切に機能するために安定した電圧が必要なデバイスには理想的ではありません。

図5：フェローソナント電源

フェロレソント電源は、出力電圧を安定させるために磁場を含む特別な手法を使用します。彼らは、変圧器と共鳴回路の組み合わせでこれを行います。トランスの磁気特性は、入力電圧または負荷が変化した場合でも、安定した出力電圧を維持するのに役立ちます。これらの電源には、突然のパワースパイクに対する保護も組み込まれているため、電源が安定していない場所で信頼性が高くなります。ただし、通常は大きくて重いため、サイズと体重が重要な状況では欠点になる可能性があります。

図6：スイッチモード電源（SMPS）

スイッチモード電源（SMPS）は、線形電源よりも効率的になるように設計されています。彼らは、トランジスタなどの電子スイッチを使用して、入力電源を迅速にオンとオフに切り替えることで動作します。この方法により、電力をより効率的に変換することができます。つまり、熱が少なくなり、より小さく軽くすることができます。ただし、高速スイッチングのため、SMPSは電気ノイズを作成でき、近くの他の電子デバイスに干渉する可能性があります。SMPは設計がより複雑であり、何か問題が発生した場合に修正するのが難しい場合があります。

結論

線形電源は、安定したノイズのない電源が非常に必要な状況では、依然として頼りになる選択です。シンプルなデザインと信頼できるパフォーマンスにより、オーディオ機器やラボテストなどの分野でお気に入りになります。ただし、エネルギー効率とサイズの観点からトレードオフがあるため、使用しているものについて考えることが重要です。線形電源を他のタイプと比較すると、それらが常に最も省エネの選択肢であるとは限らないかもしれませんが、清潔で一貫したパワーを提供する能力は、今日のテクノロジーの世界でまだ有用であることを意味します。これらの違いを理解することで、特定のニーズに適した電源を選択する際に、より良い決定を下すことができます。

よくある質問[FAQ]

1.線形電源はどこで使用されますか？

線形電源は、安定した低ノイズの電力が非常に必要な環境で一般的に使用されています。これには、高品質のオーディオ機器、医療機器、実験室機器、精密測定ツールが含まれ、小さな電気騒音でさえ機器の操作または精度を妨げる可能性があります。

2.線形電源の効率は何ですか？

線形電源の効率は一般に低く、多くの場合50％以下です。これは、電源が過剰なエネルギーを熱として放散することにより電圧を調節し、それが大幅なエネルギー損失をもたらすためです。

3.線形電源の利点と短所は何ですか？

線形電源の主な利点は、敏感な電子機器に最適な、清潔で安定した低ノイズ電力を提供する能力です。欠点には、効率が低いこと、熱散逸の必要性による大きなサイズ、および熱として浪費される余分なエネルギーが含まれます。

4.線形電圧レギュレータの欠点は何ですか？

線形電圧レギュレータの欠点には、熱として多くの出力を無駄にし、電圧を上げることができないため、低い効率が含まれます。つまり、入力レベルからの電圧を減らすことしかできません。さらに、生成された熱を管理するために大きなヒートシンクまたは冷却システムが必要になる可能性があり、かさばることができます。

5.最も効率的なタイプの電源は何ですか？

最も効率的なタイプの電源は、スイッチモード電源（SMPS）です。高周波スイッチングを使用して、エネルギー損失を最小限に抑えて電力を変換し、線形電源と比較して効率がはるかに高くなります。