Regulatoarele liniare de tensiune sunt încă utilizate în miliarde de exemplare, dar disipă o cantitate semnificativă de energie sub formă de căldură. Regulatoarele moderne cu comutație reduc la minimum aceste pierderi, elimină necesitatea radiatoarelor, reduc costurile cu materialele și producția și contribuie astfel la decarbonizare.
Impactul încălzirii globale este incontestabil: valuri de căldură primăvara, ninsori în regiuni de obicei calde, precipitații prelungite și furtuni care devastează păduri întregi. Mulți oameni se întreabă cum pot contribui la reducerea emisiilor de CO₂, fără a avea sentimentul că impactul lor individual este nesemnificativ. Aici poate fi utilă următoarea comparație: un singur sac de nisip nu poate opri o inundație, dar un milion de saci de nisip pot proteja o întreagă comunitate.
Îmbunătățirile tehnice urmează același principiu: chiar dacă economiile obținute la nivelul unei singure componente par minore, suma a milioane sau miliarde de unități are un impact substanțial. Acesta este exact cazul regulatoarelor liniare de tensiune (LDO, figura 1), care sunt utilizate de miliarde de ori la nivel mondial. Cu toate acestea, eficiența lor redusă duce la pierderi semnificative de energie, creând un potențial important de economisire. Regulatoarele moderne cu comutație pot reduce la minimum aceste pierderi și, astfel, pot crește atât eficiența energetică, cât și sustenabilitatea.
Figura 1: Un regulator liniar este, practic, un tranzistor care funcționează ca un rezistor de putere variabil, în regiunea sa liniară de funcționare. Diferența dintre puterea de intrare și cea de ieșire este disipată sub formă de căldură. (Sursă: RECOM)
Eficiența redusă a regulatoarelor liniare poate fi demonstrată clar folosind un exemplu simplu (vezi caseta informativă). Chiar și la sarcini mici, o mare parte din puterea disponibilă este adesea disipată sub formă de căldură. Regulatoarele cu comutație, pe de altă parte, convertesc aceeași energie cu pierderi mult mai mici.
Regulatoare cu comutație ca alternativă compatibilă la regulatoarele liniare
Regulatoarele cu comutație (figura 2) sunt considerate o alternativă mai eficientă energetic la regulatoarele liniare. Acestea reglează tensiunea de ieșire prin comutarea rapidă a tranzistorului de putere între starea activă și starea inactivă. Astfel, pierderile de putere sunt reduse. Căldura este generată doar în timpul intervalelor scurte de comutație; în stările activă și inactivă, aproape că nu se generează căldură. Prin urmare, regulatoarele cu comutație nu necesită radiatoare, chiar și la temperaturi ambientale de 90 °C.
Comparație tehnică între regulatoarele liniare și cele cu comutațieScenariu: 24 V → 3.3 V, sarcină 300 mA Regulator liniar (de exemplu, seria 78xx)
Regulator cu comutație (de exemplu, R-78K3.3-0.5)
Comparație privind curentul de repaus, la 24 V:
Un regulator liniar risipește astfel de peste șapte ori mai multă energie decât consumă efectiv sarcina. Cu un randament atât de scăzut, chiar și o sarcină mică, de doar 1 W, necesită un radiator pentru disiparea căldurii pierdute. |
Figura 2: Schema circuitului regulatorului cu comutație (stânga) și regulatoarele cu comutație, compatibile din punct de vedere al pinilor și al funcțiilor, din seriile 78xx și R-78K (dreapta). (Sursă: RECOM)
În plus, curentul lor de repaus, în absența sarcinii, este mult mai mic decât cel al regulatoarelor liniare, deoarece buclele interne de control se opresc atunci când nu sunt utilizate. Un regulator liniar necesită, de obicei, aproximativ 8 mA curent de repaus pentru alimentarea comparatorului intern. Acest curent este independent de curentul de sarcină. Regulatoarele cu comutație din seria R-78-K-0.5 au un curent de repaus tipic de numai 1 mA.
Seria R-78K: randament ridicat și integrare simplificată
Seria R-78 de la RECOM este compatibilă din punct de vedere al pinilor cu regulatoarele convenționale 78xx. Noua serie R-78K (vezi tabelul 1) continuă această tradiție și oferă un randament mai ridicat, o gamă mai largă de tensiuni de intrare și o greutate mai mică. În același scenariu prezentat mai sus, regulatorul cu comutație disipă doar 0,2 W și nu necesită radiator.
| Caracteristici | R-78-K-0.5 | R-78-K-1.0 | R-78-K-2.0 |
| Tensiune de intrare | 4.5 – 36 VDC (în funcție de model) | 4.5 – 36 VDC (în funcție de model) | 4.5 – 36 VDC (în funcție de model) |
| Randament | Până la 93%, fără radiator | Până la 95%, fără radiator | Până la 96%, fără radiator |
| Temperatură de operare | -40°C până la +90°C fără reducere a puterii | -40°C până la +90°C fără reducere a puterii | -40°C până la +90°C fără reducere a puterii |
| Funcție de protecție | Protecție la subtensiune și scurtcircuit | Protecție la subtensiune și scurtcircuit | Protecție la subtensiune și scurtcircuit |
Tabelul 1: Comparație între modelele din seria R-78K de regulatoare cu comutație neizolate.
Pe lângă randamentul în sarcină, curentul de repaus joacă un rol esențial, în special pentru dispozitivele care sunt permanent pornite, dar devin active doar ocazional. Un proiect bazat pe un regulator liniar consumă aproximativ 0,2 W în regim de repaus, la o tensiune de intrare de 24 V, ceea ce echivalează cu aproximativ 1,75 kWh pe an. Un regulator cu comutație, în schimb, are nevoie de numai aproximativ o optime din această valoare.
Avantaje practice și impact energetic la scară mare
Deoarece regulatoarele cu comutație sunt disponibile în format TO-220 (figura 2), ele pot fi utilizate ca alternative compatibile și integrate în proiectele existente. În ciuda prețului unitar mai ridicat, costurile totale sunt reduse, deoarece nu mai sunt necesare radiatoare, pastă termică, materiale de montare și operațiuni suplimentare de instalare.
În concluzie, acest lucru oferă următoarele avantaje:
- Nu este necesar un radiator → economii de material, efort de instalare și costuri de producție
- Curent de repaus redus → de obicei, 1 mA în loc de aproximativ 8 mA în cazul unui LDO
- Funcționare la temperaturi ambientale ridicate, de până la 90°C, fără răcire suplimentară
- Design compact și greutate redusă, potrivit pentru proiecte cu spațiu limitat
- Fabricare în Asia, ceea ce permite prețuri competitive
Economiile potențiale devin deosebit de evidente atunci când se extrapolează pierderile unui singur regulator. În aplicații tipice (28 V → 5 V, 0,5 A), un regulator liniar generează aproximativ 11,5 W de pierderi de căldură, în timp ce un regulator cu comutație eficient produce doar aproximativ 0,55 W. Cu vânzări anuale de un miliard de regulatoare liniare, acest lucru se traduce printr-o economie potențială globală de aproximativ 11 GW – echivalentul puterii de ieșire a nouă centrale nucleare de dimensiuni medii. Prin urmare, chiar și îmbunătățirile minore ale randamentului componentelor standard pot contribui semnificativ la economiile globale de energie.
Sistem de deschidere a ușii într-o carcasă IP67
La calcularea costului total de proprietate, trebuie luați în considerare și alți factori. Un furnizor a proiectat un sistem autonom de deschidere a ușii, care include un cititor de amprente, un microcontroler într-o carcasă IP67, un solenoid pentru deblocarea ușii și o baterie de 12 V cu încărcător, de asemenea într-o carcasă IP67. Cerințele de bază erau:
- Control securizat al accesului prin intermediul unui sistem de recunoaștere a amprentelor digitale în zona exterioară
- Temperaturi ambientale de până la 50 °C și temperaturi ale carcasei de până la 65 °C
- Funcționare de urgență timp de 24 de ore, alimentată de la baterie, în cazul unei întreruperi a alimentării cu energie
- Costuri minime, cu fiabilitate ridicată
Mai jos sunt comparate două soluții: una care utilizează regulatoare liniare și alta care utilizează regulatoare cu comutație. Soluția clientului (figura 3, sus) a folosit regulatoare liniare pentru alimentarea de 5 V. Totuși, la temperaturi ridicate, componentele s-au supraîncălzit, ceea ce a dus la instabilitatea tensiunii. Pentru a împărți curentul, au fost utilizate două regulatoare în paralel – o practică nerecomandată. Deși s-a folosit un radiator mic, temperatura din carcasa etanșă IP67 a continuat să crească, până când regulatoarele au intrat în oprire termică. Acest lucru a afectat siguranța în funcționare a sistemului.
Figura 3: Comparație între sistemele de acces la uși cu regulator liniar (sus) și cu regulator cu comutație (jos). (Sursă: RECOM)
Soluția RECOM: consum mai mic și fiabilitate mai bună
Figura 3, jos, prezintă o soluție alternativă care utilizează regulatoare cu comutație, așa cum a fost propusă de RECOM. În ciuda costurilor de achiziție mai ridicate, puterea de intrare a fost redusă cu mai mult de jumătate în acest caz. Prin urmare, s-au putut utiliza o baterie și un încărcător mai mici: 5 Ah în loc de 12 Ah. Acest lucru a redus nu numai costurile totale, ci și greutatea și volumul componentelor. Ambalarea și transportul au devenit, de asemenea, mai simple, iar amprenta de carbon a fost redusă.
Fiabilitatea în funcționare a fost un alt factor decisiv: chiar și la temperaturi ridicate, sursa de alimentare a rămas stabilă, fără a prezenta riscuri pentru cititorul de amprente și microcontroler. O comparație demonstrează că, în ciuda prețului mai mare al regulatorului cu comutație, soluția completă este mai ieftină, mai fiabilă și mai sustenabilă.
Progres tehnic și sustenabilitate în armonie
Aceste exemple demonstrează că progresul tehnic și sustenabilitatea pot merge mână în mână. Regulatoarele cu comutație reduc la minimum pierderile, scad costurile cu materialele și producția și sporesc fiabilitatea. Astfel, ele contribuie semnificativ la reducerea emisiilor de CO₂, fără a crește costurile totale. Având în vedere că miliarde de regulatoare liniare sunt utilizate în fiecare an, adoptarea acestei tehnologii oferă un potențial semnificativ pentru decarbonizare.
Autor: Ralf Kern, Line Manager, Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com
Glosar de termeni
Regulatoare de tensiune și conversie de energie
Regulator liniar – Circuit de alimentare care reduce tensiunea prin disiparea diferenței de energie sub formă de căldură. Este simplu și ieftin, dar are un randament redus atunci când diferența dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire este mare.
LDO – Low Dropout Regulator. Regulator liniar care poate funcționa cu o diferență mică între tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire. Este utilizat frecvent în circuite electronice compacte, dar poate genera pierderi importante de energie.
Regulator cu comutație – Regulator de tensiune care controlează conversia energiei prin comutarea rapidă a unui tranzistor de putere. Are un randament mult mai ridicat decât un regulator liniar și disipă mai puțină căldură.
Randament – Raportul dintre puterea utilă de ieșire și puterea absorbită la intrare. În electronică, randamentul este notat de obicei cu η și exprimat în procente.
Pierderi, temperatură și fiabilitate
Pierdere de putere – Diferența dintre puterea de intrare și puterea de ieșire a unui circuit. Această energie pierdută se transformă, în principal, în căldură.
Radiator – Componentă mecanică utilizată pentru disiparea căldurii generate de componentele electronice. Eliminarea radiatorului poate reduce dimensiunea, greutatea și costul unui sistem.
Oprire termică – Funcție de protecție prin care un circuit se oprește automat atunci când temperatura depășește o valoare sigură de funcționare.
Derating – Reducerea puterii maxime admise a unei componente atunci când temperatura de lucru crește. În articol, expresia „fără reducere a puterii” indică faptul că regulatorul își poate păstra performanțele până la temperatura specificată.
Aplicații și integrare
TO-220 – Format de capsulă utilizat frecvent pentru componente de putere. În acest articol, compatibilitatea cu formatul TO-220 permite integrarea mai ușoară a regulatoarelor cu comutație în proiecte existente.
IP67 – Grad de protecție al unei carcase împotriva prafului și apei. Un sistem IP67 este complet protejat împotriva prafului și poate rezista la imersie temporară în apă, conform condițiilor definite de standard.
Curent de repaus – Curent consumat de un circuit atunci când nu livrează sarcină activă sau când sistemul se află într-o stare de așteptare. Un curent de repaus redus contribuie la economisirea energiei, mai ales în dispozitive alimentate permanent.