¿Regulación eficiente de baja potencia? es decir, 9 -> 5 voltios

Por el hecho de proporcionar tanta corriente como sea posible a un circuito pequeño, regulado de ~ 9V a 5V (o 5V-> 1.5V), he analizado algunas opciones posibles. Lo que originalmente iba a hacer (quizás un regulador para una célula solar o una batería de 9v) es el IC LM7805 (5v) estándar que supongo. He leído que consume una pequeña, pero bastante corriente, para hacer esto, especialmente cuando solo hay una corriente máxima de 50-100 mA disponible.

¿Un diodo Zener con una potencia de ~ 5 voltios podría hacer esto de manera más eficiente, ya que debería mantener el voltaje en o muy cerca de 5 V durante un tiempo bastante más alto, "regulándolo"?

¿Podría un (MOS | J) FET / otro transistor (si es más eficiente, ignorando el uso un poco extraño) o algo así podría bajar el voltaje con una conversión de energía muy simple?

voltage-regulator low-power efficiency

— Aficionado
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Respuestas:

Los reguladores lineales como el 7805 son ineficientes, y más aún cuando el voltaje de entrada es más alto. Funciona como una resistencia variable, que varía su valor para mantener constante el voltaje de salida, aquí 5V. Eso significa que la corriente consumida por su circuito de 5V también fluye a través de esta resistencia variable. Si su circuito disipa 1A, entonces la disipación de energía en el 7805 será

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

4W en un solo componente es bastante, los 5W en su circuito probablemente se distribuirán en varios componentes. Significa que el 7805 necesitará un disipador de calor, y eso suele ser una mala señal: demasiada disipación de energía. Esto será peor con voltajes de entrada más altos, y la eficiencia de la regulación se puede calcular como

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

desde . Entonces en este caso $I_{OUT} = I_{IN}$
o 56%. Con voltajes de entrada más altos, esta eficiencia incluso empeorará. $\eta = \dfrac{5V}{9V} = 0.56$

La solución es un regulador de conmutación o conmutador para abreviar. Existen diferentes tipos de conmutadores dependiendo de la ratio. Si es menor que , utiliza unconvertidor de dinero. Si bien incluso un regulador lineal ideal tiene una eficiencia baja, un conmutador ideal tiene una eficiencia del 100%, y la eficiencia real se puede predecir por las propiedades de los componentes usados. Por ejemplo, hay una caída de voltaje sobre el diodo y resistencia de la bobina. Un conmutador bien diseñado puede tener unaeficiencia de hasta el 95% $V_{IN}/V_{OUT}$ $V_{OUT}$ $V_{IN}$
, como para la relación 5V / 9V dada. Diferentes relaciones de voltaje pueden resultar en eficiencias algo menores. De todos modos, 95% eficiente significa que la potencia disipada en el regulador es

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

que es lo suficientemente bajo como para no necesitar un disipador térmico. De hecho, el regulador de conmutación en sí mismo puede estar en un paquete SOT23, con los otros componentes, como SMD de bobina y diodo también.

— stevenvh
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Le agradezco el tiempo que ha tomado para escribir esta respuesta, sin duda es una maravilla, ¡y siempre puedo esperar mejorar la eficiencia en el futuro si es necesario!

— Aficionado

@ John - De nada, me alegro de ser de ayuda. Solo háganos saber si tiene más preguntas sobre esto.

— stevenvh

@stevenh gran respuesta! La mayoría de las personas probablemente no se preocupe por esto (?), Pero ¿no es cierto que los conmutadores generalmente (1) no entran a través de paquetes de orificios y (2) requieren más consideración de circuitos externos y diseño del sistema (por ejemplo, ondulación de potencia ) que los reguladores lineales comparables?

— vicatcu

@vicatcu: de hecho, en su mayoría son SMD. El diseño necesita atención especial si desea la mayor eficiencia y baja radiación. Puede ser la razón por la cual no son PTH = partes más grandes = bucles más largos.

— stevenvh

Sin embargo, el uso de un conmutador introduce ruido a diferencia de los reguladores lineales. En su caso, disipar 100mA en un regulador lineal no es tan malo (9-5) * 0.1 = 400mW. Usaría un regulador lineal sobre un conmutador en su situación. Sin embargo, si tiene un circuito que toma 48 V a 5

— V

La forma más eficiente sería utilizar un Buck Converter que es un tipo de regulador de conmutación .

Este tipo de regulador es mucho más eficiente que un regulador lineal, ya que convierte la potencia en lugar de disipar intencionalmente el extra en forma de calor.

La energía desperdiciada en su ejemplo si su circuito está consumiendo 100 mA sería aproximadamente:
(9V-5V) * 0.1A = 0.4W Energía
desperdiciada a 1A estaría alrededor (9V-5V) * 1A = 4W.
Esto tendrá solo un 55% de eficiencia en comparación con un 80-95% de eficiencia para un regulador de conmutación.

Aquí hay una parte de ejemplo elegida al azar.
Algunos ejemplos más aquí (seleccione diferentes casillas de verificación para refinar la búsqueda; acabo de seleccionar la salida de 5 V)

— Oli Glaser
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Su cuarto enlace devuelve una consulta no válida, sin embargo, estoy echando un vistazo ahora. Gracias por esa información, parece que algunos chips similares están disponibles en eBay por un costo no muy alto (solo tengo que mirar, muchas secciones). Puede esperar un tiempo y probar los dos en diferentes cargas, puede ser solo un poco beneficioso.

— Aficionado

@JohnS. - Arreglado el enlace. eBay, Mouser, Digikey, etc., cualquier proveedor de electrónica decente debe tener una parte adecuada para esto. La operación / configuración es un poco más compleja que la de un regulador lineal, pero si sigue con cuidado las instrucciones de las hojas de datos (la selección del inductor es particularmente importante, generalmente habrá algunas partes recomendadas en la hoja de datos) debería estar bien. También puede comprar módulos "listos para usar" si no le importa gastar un poco más para simplificar la vida, eBay también debería tener muchos de estos.

— Oli Glaser

¡Entiendo que este es un hilo bastante antiguo, pero noté que el semiconductor murata hace un convertidor DC / DC que es un reemplazo directo para los circuitos integrados de la serie 78xx! "Serie OKI-78SR" 85% de eficiencia y un paquete de estilo TO-220 de 3 pines. http://www.mouser.com/ds/2/281/oki-78sr-56393.pdf

— Miguel
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