Ein Vergleich zwischen DC-Schaltreglern und Linearreglern
8. Dezember 2020 von Ron Stull – Lesezeit: 9 Minuten
Elektronische Systeme benötigen häufig mehrere Spannungen, um ihre verschiedenen internen Schaltkreise mit Strom zu versorgen. Nicht isolierte Regler sind eine gängige und einfache Möglichkeit, eine Spannung in eine andere umzuwandeln. Regler lassen sich typischerweise in zwei Kategorien einteilen, basierend auf der Art der Umwandlung: linear oder schaltend. Linearregler gibt es schon lange, sie sind preiswert und einfach zu bedienen. Die Einfachheit geht jedoch auf Kosten eines geringen Wirkungsgrades. Schaltregler hingegen sind teurer und intern etwas komplexer, dafür aber wesentlich effizienter und in der Lage, große Strommengen zu leiten, ohne die gleichen thermischen Bedenken wie bei einem Linearregler. In diesem Blog werden wir untersuchen, warum der Wirkungsgrad zwischen diesen beiden Reglern so unterschiedlich ist und welche Auswirkungen dies auf das Enddesign haben kann.
| Linearregler | Schaltregler |
|---|---|
| Einfaches Design | Komplexes Design |
| Führt überschüssige Energie ab | Speichert überschüssige Energie |
| Geringerer Wirkungsgrad | Höherer Wirkungsgrad |
| Höhere thermische Belastung | Geringere thermische Belastung |
Linearregler
Zur Erläuterung, wie der Linearregler funktioniert und warum er so ineffizient ist, beginnen wir mit einer Beispielanwendung (Abbildung 1). In diesem Fall haben wir einen 24-V-Eingang, der in einen 6-V-Ausgang mit einer 1-A-Last umgewandelt wird.
Wenn Sie sich Abbildung 1 ansehen, können Sie erkennen, dass sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang nur ein Transistor (Q1) befindet, der auch als Durchgangselement bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Spannung über dem Transistor (Q1) die Differenz zwischen Eingang und Ausgang ist.
Dies kann umgeschrieben werden, um die Ausgangsspannung zu berechnen.
Daraus ersehen wir, dass Vout durch die Steuerung der Spannung über diesem Transistor geregelt wird. Die Steuerung von Q1 erfolgt mit einem Operationsverstärker, U1, und negativer Rückkopplung. U1 misst Vout und vergleicht es mit einer Referenz. Wenn Vout größer ist als die Referenz, dann wird Q1 weniger angesteuert und die Spannung über ihn steigt. Dadurch sinkt Vout. Wenn Vout zu niedrig wäre, würde Q1 stärker angesteuert werden, um den Spannungsabfall über Q1 zu verringern, was Vout erhöhen würde.
Wirkungsgrad des Linearreglers
Um zu sehen, warum Linearregler so ineffizient sind, müssen wir uns den Laststrompfad ansehen. Da der Operationsverstärker U1 hochohmige Eingänge hat und nur die Basis des Transistors ansteuert, gehen wir davon aus, dass kein Strom ein- oder ausgeht. Wenn der Operationsverstärker entfernt wird, bleibt nur ein direkter Pfad vom Eingang zum Ausgang übrig, was bedeutet, dass der Eingangsstrom gleich dem Ausgangsstrom ist.
Mit diesen Informationen können wir nun den Wirkungsgrad und die Verlustleistung des Linearreglers berechnen. Die Eingangsleistung ist gleich Vin mal Iin.
Die Ausgangsleistung ist gleich Vout mal Iout.
Und der Wirkungsgrad ist gleich Pout geteilt durch Pin.
Daraus ergibt sich eine Verlustleistung, die gleich der Eingangsleistung minus der Ausgangsleistung ist.
Bei einer Last von nur 6 W leitet der Linearregler eine Leistung von 18 W ab. Das ist eine Menge Leistung, die in einem so kleinen Gehäuse ohne Kühlkörper oder Luftstrom abgeführt werden muss. Eine typische thermische Impedanz von 20 °C/W eines Linearreglers in einem TO-220-Gehäuse würde zu einem Temperaturanstieg von 360 °C von der Sperrschicht bis zur Umgebung führen, wenn keine thermische Verwaltung angewendet wird.
Dies würde eindeutig scheitern, wenn keine Maßnahmen zur Verringerung der thermischen Impedanz, wie z. B. Kühlkörper oder Luftstrom, ergriffen werden. Das Hinzufügen eines Kühlkörpers und eines Luftstroms erhöht die Größe, die Kosten und die Komplexität des Systems, wodurch viele der Vorteile eines Linearreglers (d. h. Kosten und Komplexität) zunichte gemacht werden. Für das aktuelle Beispiel kann neben dem Luftstrom auch ein Kühlkörper erforderlich sein.
Ein letzter interessanter Effekt des Eingangsstroms, der dem Ausgangsstrom entspricht, ist, dass die Berechnung des Wirkungsgrads auf Vout geteilt durch Vin vereinfacht werden kann.
Daraus können wir ersehen, je größer die Differenz zwischen Eingang und Ausgang ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad (Abbildung 2) und desto mehr Leistung wird im Regler abgeleitet. Deshalb sind Linearregler in Fällen mit großen Verhältnissen von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung unerwünscht.
Schaltregler
Schaltregler arbeiten ganz anders als Linearregler. Der Hauptunterschied besteht darin, wie der Transistor gesteuert wird. Abbildung 3 zeigt einen vereinfachten Abwärtsregler. Dieser Schaltregler erzeugt eine Ausgangsspannung, die niedriger als die Eingangsspannung ist – die gleiche Funktion wie der Linearregler in unserem vorherigen Beispiel.
Die Schaltung ist in vielerlei Hinsicht dem Linearregler ähnlich. Der Hauptunterschied besteht in der Diode und dem L-C-Filter am Ausgang. Wie der Linearregler verwendet auch der Schaltregler einen Operationsverstärker und eine Gegenkopplung zur Steuerung eines Transistors.
Der erste große Unterschied und der Grund, warum er als Schaltregler bezeichnet wird, besteht darin, dass der Transistor so angesteuert wird, dass er entweder vollständig eingeschaltet (idealerweise ein Kurzschluss) oder vollständig ausgeschaltet (idealerweise ein offener Stromkreis) ist. Dies wird mit dem Linearregler verglichen, bei dem der Transistor zwischen vollständig ein- oder ausgeschalteten Zuständen linear gesteuert wird. Dieser Transistor wird bei hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet und erzeugt eine Rechteckwelle an dem Knoten, der Q1, D1 und L1 verbindet. Dieser Knoten wird Schaltknoten genannt (Abbildung 4).
Die Ausgangsspannung wird durch Steuerung des Mittelwerts der Schaltknotenspannung geregelt. Bei einem Betrieb mit fester Frequenz ist der Mittelwert gleich der Zeit, in der der Schalter eingeschaltet ist, geteilt durch die Periode multipliziert mit der Eingangsspannung.
Das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periode wird als Tastverhältnis bezeichnet und ist beim Abwärtsregler gleich dem Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung. Für unser Beispiel ergibt sich daraus ein Tastverhältnis von 25 %, um einen 24-V-Eingang in einen 6-V-Ausgang umzuwandeln.
Diese Rechteckwelle am Schaltknoten speist in das L-C-Netzwerk zwischen Schaltknoten und Ausgang ein. Das L-C-Netzwerk ist ein Tiefpassfilter und lässt nur den Durchschnitts- oder Gleichspannungswert des Schaltknotens zum Ausgang durch. Durch Steuerung des Tastverhältnisses und damit der mittleren Spannung am Schaltknoten kann der Schaltwandler also die Ausgangsspannung steuern. Dieser Vorgang wird als Pulsweitenmodulation (Pulse-Width-Modulation, PWM) bezeichnet.
Wirkungsgrad des Schaltreglers
Um zu sehen, warum dieser Schaltkreis effizienter ist als die Linearschaltung, können wir den Schaltregler sowohl in seinem Ein- als auch in seinem Ausschaltzustand unter den gleichen Bedingungen betrachten, wie das Beispiel, das wir für den Linearregler hatten.
Im eingeschalteten Zustand wird der Transistor vollständig durchgesteuert, sodass er einen Kurzschluss darstellt. In diesem Fall fließt der Strom vom Eingang zum Ausgang, aber die Verluste im Transistor betragen 0 W, da die Spannung über ihm null ist, wenn Strom fließt. Die anderen Elemente im Strompfad (Induktor, Kondensator und Diode) sind alle idealerweise verlustfrei, sodass während der Einschaltzeit idealerweise keine Leistung abgeführt wird.
Im ausgeschalteten Zustand ist der Transistor vollständig ausgeschaltet und stellt einen offenen Stromkreis dar. In diesem Fall ist die Spannung über den Transistor gleich der Eingangsspannung, aber es fließt kein Strom, da es sich um einen offenen Stromkreis handelt. Die im Transistor in diesem Zustand abgeführte Leistung beträgt ebenso 0 W. Und wieder werden die anderen Komponenten als verlustfrei angenommen.
Dies zeigt, dass der Schaltregler sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand im Idealfall keine Leistung abgibt. Das bedeutet, dass die Obergrenze des Wirkungsgrads bei 100 % liegt, während der Linearregler eine Obergrenze hat, die gleich Vout/Vin ist.
Eine andere Betrachtungsweise ist, dass die Eingangsleistung während der Betriebszeit gleich der Eingangsspannung mal dem Ausgangsstrom ist, genau wie beim Linearregler. Während der Ausschaltzeit fließt jedoch kein Strom aus dem Eingang heraus, sodass die Eingangsleistung 0 W beträgt. Die durchschnittliche Leistungsmenge in den Regler über einen Schaltzyklus ist gleich der Eingangsleistung während der Betriebszeiten mal der durchschnittlichen Zeit, die der Schalter eingeschaltet ist (also das Tastverhältnis). Und da im Fall des Abwärtswandlers das Tastverhältnis gleich dem Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung ist, zeigt die folgende Gleichung, dass die Eingangsleistung am Ende gleich der Ausgangsleistung ist, d. h. der Wirkungsgrad beträgt 100 %.
In Wirklichkeit sind die Induktivität, der Kondensator und die Diode im Abwärtsregler nicht optimal und es treten Verluste auf, die den Wirkungsgrad verringern. Auch der Transistor ist nicht optimal und wird Verluste durch einen Durchlasswiderstand zusammen mit Verlusten durch das Schalten aufweisen. Der Wirkungsgrad eines Schaltreglers ist daher abhängig von den gewählten Komponenten und Betriebsbedingungen. Andererseits ist der Wirkungsgrad eines Linearreglers unabhängig von den gewählten Komponenten und hängt nur von den Eingangs- und Ausgangsspannungsbedingungen ab.
Praktische Auswirkungen eines schlechten Wirkungsgrads
Wie bereits erwähnt, sind die Hauptgründe dafür, dass Linearregler trotz ihres schlechten Wirkungsgrades so beliebt bleiben, ihre Kosten, Einfachheit und Vertrautheit. Wie bereits erwähnt, können jedoch der schlechte Wirkungsgrad und die damit verbundenen thermischen Probleme eine Kühlung und Luftströmung erforderlich machen, die diesen Vorteilen entgegenwirken. Schaltregler sind eine effiziente Alternative. Sie sind zwar im Vorfeld teurer und komplexer, können aber die Systemkosten und -komplexität senken, da sie den Bedarf an teuren und sperrigen Geräten für die thermische Verwaltung reduzieren. Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie viel an thermischer Verwaltung für die Beispielbedingungen erforderlich ist, zeigt Abbildung 6 einen direkten Vergleich eines Linearreglers mit einem Kühlkörper, der bei forcierter Luftkühlung den gleichen Betriebstemperaturbereich wie der Standard-Schaltregler von CUI ermöglichen würde.
Um den Einsatz von Schaltreglern in Anwendungen zu erleichtern, die traditionell Linearregler verwenden würden, bietet CUI mehrere Serien von Schaltreglern an, deren Pins und Formfaktor mit dem klassischen Linearregler der 7800-Serie in einem TO-220-Gehäuse kompatibel sind. Diese Regler bieten einen Wirkungsgrad von bis zu 94 % und können ohne thermische Verwaltung bei Umgebungstemperaturen von über 65 °C bis zu 3,3 V betrieben werden – mit Ausgangsspannungen ab 36 V.
Fazit
Linearregler sind eine bewährte Lösung für die nicht-isolierte Spannungswandlung. Ihr inhärent schlechter Wirkungsgrad kann jedoch ein großes Problem darstellen, wenn sie große Ströme leiten oder mit großen Eingangs-zu-Ausgangsverhältnissen arbeiten. Schaltregler bieten eine hocheffiziente Alternative. Während Schaltregler intern komplizierter sind und diejenigen einschüchtern können, die mit ihnen nicht vertraut sind, bietet CUI Inc ein breites Sortiment an Schaltreglern mit unterschiedlichen Stromstärken und Gehäusen an, die ebenso einfach zu bedienen sind wie der klassische Linearregler.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.