リニア電源とスイッチング電源: 違いは何ですか?

リニア電源とスイッチング電源は、電子機器に電力を供給するために使用されます。 この記事で、それらの違い、仕組み、いつ使用するかを学びましょう。

皆さんもスマートフォンやノートパソコン、パソコンなどを日常的に使っていると思います。 これらの電子機器は直流 (DC) を使用して動作します。 ただし、通常、家庭には高電圧の交流 (AC) が供給されているため、電源ブリックや充電器などの電源を使用して電圧を下げ、AC を DC に変換する必要があります。

現在使用されている最も一般的な電源は、リニア電源とスイッチング電源です。 特定の用途にどれを使用すればよいかを知ることで、電子機器を安全に保ち、最適に動作させることができます。

リニア電源とスイッチング電源の比較については、以下を読み続けてください。

リニア電源およびスイッチング電源は、DC 電子機器に電力を供給し、充電するために使用される電気機器です。 これらのデバイスは、電圧を下げることと、AC を DC に変換するという 2 つのことを実行する役割を果たします。 どちらのデバイスも電力を下げて整流しますが、これらのタスクを達成する方法の違いにより、特定のアプリケーションにより適したものになります。

リニア電源は、低ノイズで高精度な動作に使用されるデバイスです。 この電源は重いトランスとアナログフィルターを使用しているため、効率が低く、重量が重くなり、サイズが大きくなりますが、クリーンな電圧を出力できます。 リニア電源は、録音機器、電子楽器、医療機器、および高精度の実験用測定ツールでの使用に最適です。

スイッチングまたはスイッチ モード電源 (SMPS) は、高効率および大電流動作のために使用されます。 リニア電源とは異なり、スイッチング電源はソリッドステート コンポーネントを使用して入力電圧を変調および調整します。 これらの電源はパワートランジスタを使用した高周波スイッチングに依存しているため、ノイズは多くなりますが、電力効率が高く、軽量でコンパクトです。 スイッチング電源は、コンピュータ、携帯電話の充電器、製造装置、および多くの低電圧電子機器でよく使用されます。

50 年代に入手可能な純粋なアナログ コンポーネントを使用したリニア電源は、電圧を下げて整流するために、大型の電源トランスと大型の電解コンデンサに依存する必要がありました。 当時、トランジスタはすでに大量生産されていましたが、AC 電圧が高いと、トランジスタが処理するには多すぎる熱が発生します。

以下はリニア電源の回路図です。

リニア電源は 3 つのステップで動作します。

ステップ1：変圧器を使用して、入力される高 AC 電圧を下げます。

ステップ2：低下した電圧はフルブリッジ整流器を通過し、AC 電圧を脈動する DC 電圧に整流します。

ステップ 3:脈動する DC 電圧信号は、インダクタとコンデンサで構成されるフィルタを通過します。 脈動する直流電圧の信号変動を除去し、精密な電子機器にも使用できる平滑化フィルターです。

スイッチング電源は、高周波電力スイッチングを行うソリッドステート コンポーネントと小型のフェライト コア トランスを使用する複雑なデバイスです。 これらのタイプの電源は、DC フィードバック ループを使用して出力電圧を制御することにより、電圧を上げたり下げたりできます。

仕組みは次のとおりです。

ステップ1 : 高電圧 AC は、ヒューズと EMC フィルターで構成される回路保護モジュールを通って電源に入力されます。 ヒューズは過電圧保護用であり、EMC フィルタはフィルタされていない AC からの信号リップルから回路を保護します。

ステップ2：回路が十分に保護されていることを確認した後、高電圧 AC はフルブリッジ整流器と平滑コンデンサで構成される 2 番目のモジュールを通過します。 フルブリッジ整流器は AC を脈動 DC に変換し、コンデンサによって平滑化されます。

ステップ 3:次に、高電圧 DC は PWM ドライバを介して送信され、PWM ドライバはフィードバックを受けて、高周波スイッチングを通じて電圧を調整するパワー MOSFET を制御します。 また、スイッチングにより、直流電流が方形波になります。

ステップ 4:DC 方形波はフェライトコアトランスに入り、信号を AC 方形波に戻します。

ステップ5 : AC 方形波はブリッジ整流器を通過し、信号を脈動 DC に変換した後、平滑化フィルターを通過します。 最終出力は、出力電圧を調整するフィードバック ループを形成する PWM ドライバーに信号を送信するために使用されます。

特定のアプリケーションで使用するために電源が選択される理由はさまざまです。 これらには、多くの場合、効率、騒音、信頼性と修理可能性、サイズと重量、コストが含まれます。 それらがどのように機能するかについての一般的なアイデアは理解できたので、エネルギーを処理する方法が特定のアプリケーションでのパフォーマンスと使いやすさにどのような影響を与えるかを次に示します。

電気は一連の電気および電子部品を通過する必要があるため、電圧の整流および調整のプロセスには常に非効率が伴います。 しかし、いくらですか？

定格に応じて、スイッチング電源の効率は 80 ～ 92% になります。 これは、デバイスが投入したエネルギーの 80 ～ 92% を出力できることを意味します。 その効率は、高周波低電圧スイッチングを通じて電圧を調整する、より小さくても効率的なコンポーネントを使用することで実現します。

対照的に、リニア電源は、より大型で効率の低いコンポーネントを使用しているため、エネルギー効率が 50 ～ 60% しかありません。

リニア電源は非効率ではありますが、安定したクリーンな低ノイズ信号出力を通じてその非効率を補います。 リニア電源ではアナログ コンポーネントを使用することで、スムーズかつ非スイッチング方式で電気を処理できるため、出力のリップルやノイズが低くなります。

一方、スイッチング電源は、熱を低減し、効率を向上させるために、低電圧の高周波スイッチングに依存しており、大量のノイズを発生します。 信号ノイズの量は、特定のスイッチ モード電源の設計と品質によって異なります。

電源のサイズと重量は、小型の電子デバイスでのアプリケーションに大きな影響を与える可能性があります。 リニア電源は重くてかさばるコンポーネントを使用するため、電源を充電器として使用しない限り、目立たない電子機器で使用することは不可能です。

スイッチング電源に関しては、小型で軽量のコンポーネントを使用しているため、すでに小型のデバイスに統合できるほど小型に設計できます。 スイッチング電源は、その電力効率と相まって軽量かつ小型であるため、大多数のハンドヘルド電子機器に適用できます。

動作中に破損する可能性のある部品が少ないため、リニア電源は安定した信頼性の高い出力を提供します。 シンプルな設計とより一般的な電子部品の使用により、部品の調達やリニア電源の修理が容易になります。

スイッチング電源は非常に繊細なコンポーネントを備えているため、リニア電源よりも先に壊れる可能性が高くなります。 ただし、優れた設計と高品質のコンポーネントの使用により、スイッチング電源の信頼性が非常に高くなり、場合によってはリニア電源と同じくらい信頼性が高くなります。 スイッチング電源の本当の問題は、設計が複雑になるほど修理が難しくなることです。

以前は、リニア電源は、そのシンプルな設計と使用するコンポーネントの数が少ないため、よりコスト効率の高いデバイスでした。 半導体部品の製造が高価だったことも助けにはならなかった。 しかし、半導体の需要が高まったことで、メーカーはソリッドステートコンポーネントを規模を拡大し、以前よりも飛躍的に安価に製造できるようになりました。 これにより、多くのスイッチング電源設計がリニア電源よりもコスト効率が高くなります。

以上が、リニア電源とスイッチング電源について知っておくべきことのすべてです。 電子デバイスの安全を確保するために、デバイスに付属の元の充電器を常に使用してください。ただし、入手できない場合は、いつでも電源アダプターを購入できます。

購入する前に、リニア電源は電気楽器、ラジオ、医療ツールなどの精密アプリケーションに使用される電子機器に最適であるのに対し、スイッチング電源はコンピュータの電源、充電器、照明などの高効率の用途に使用されることを覚えておいてください。

ジェイリック・マニングは、物事がどのように機能するかを知りたくて、10 代前半からあらゆる種類の電子機器やアナログ機器をいじり始めました。 彼はバギオ大学で法医学を学び、そこでコンピューター法医学とサイバーセキュリティについて学びました。 彼は現在、多くの独学でテクノロジーをいじくり回して、それがどのように機能するのか、そしてそれをどのように使用して生活を楽にする (または少なくともよりクールにする) ことができるのかを考え出しています。