Kľúčový rozdiel - SMPS vs lineárny zdroj napájania
Väčšina elektronických a elektrických zariadení vyžaduje na svoju funkciu jednosmerné napätie. Tieto zariadenia, najmä elektronické zariadenia s integrovanými obvodmi, by mali byť napájané spoľahlivým jednosmerným napätím bez skreslenia, aby fungovali bez poruchy alebo horenia. Účelom jednosmerného napájacieho zdroja je dodávať do týchto zariadení čisté jednosmerné napätie. Zdroje jednosmerného prúdu sú kategorizované do lineárneho a spínaného režimu, čo je topológia zahrnutá do premeny sieťového napájania na plynulý jednosmerný prúd. Lineárny napájací zdroj využíva transformátor na priame znižovanie sieťového napätia na požadovanú úroveň, zatiaľ čo SMPS prevádza striedavý prúd na jednosmerný prúd pomocou spínacieho zariadenia, ktoré pomáha dosiahnuť priemernú hodnotu požadovanej úrovne napätia. Toto je kľúčový rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním.
OBSAH
1. Prehľad a kľúčový rozdiel
2. Čo je lineárny napájací zdroj
3. Čo je SMPS
4. Porovnanie vedľa seba - SMPS vs lineárny napájací zdroj v tabuľkovej forme
5. Zhrnutie
Čo je to lineárny zdroj napájania?
V lineárnom zdroji napájania sa sieťové striedavé napätie prevádza na nižšie napätie priamo pomocou transformátora znižujúceho napätie. Tento transformátor musí zvládnuť veľký výkon, pretože pracuje pri sieťovej frekvencii striedavého prúdu 50/60 Hz. Preto je tento transformátor objemný a veľký, vďaka čomu je napájací zdroj ťažký a veľký.
Zostupné napätie sa potom usmerní a prefiltruje, aby sa získalo jednosmerné napätie potrebné pre výstup. Pretože napätie na tejto úrovni je vystavené rôznym zmenám v závislosti od skreslenia vstupného napätia, pred výstupom sa vykoná regulácia napätia. Regulátor napätia v lineárnom napájacom zdroji je lineárny regulátor, ktorým je zvyčajne polovodičové zariadenie, ktoré funguje ako premenný odpor. Hodnota výstupného odporu sa mení s požiadavkou na výstupný výkon, čím sa výstupné napätie stáva konštantným. Regulátor napätia teda funguje ako zariadenie rozptyľujúce výkon. Väčšinou rozptýli prebytočný výkon, aby bolo napätie konštantné. Regulátor napätia by preto mal mať veľké chladiče. Výsledkom je, že lineárne napájacie zdroje sú oveľa ťažšie. Ďalej, v dôsledku rozptylu energie regulátorom napätia ako tepla,účinnosť lineárneho napájacieho zdroja klesá až o 60%.
Lineárne zdroje napájania však neprodukujú elektrický šum na výstupnom napätí. Poskytuje izoláciu medzi výstupom a vstupom kvôli transformátoru. Preto sa lineárne napájacie zdroje používajú pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú vysokofrekvenčné zariadenia, zvukové aplikácie, laboratórne testy vyžadujúce bezhlučné napájanie, spracovanie signálu a zosilňovače.
Obrázok 01: Napájanie pomocou lineárneho regulátora napätia
Čo je SMPS?
SMPS (spínaný napájací zdroj) pracuje na spínacom tranzistorovom zariadení. Spočiatku sa striedavý vstup prevádza usmerňovačom na jednosmerné napätie bez zníženia napätia, na rozdiel od lineárneho napájacieho zdroja. Potom jednosmerné napätie prechádza vysokofrekvenčným spínaním, zvyčajne tranzistorom MOSFET. To znamená, že napätie cez MOSFET sa zapína a vypína signálom MOSFET Gate, zvyčajne pulzne šírkovo modulovaným signálom asi 50 kHz (blok chopper / invertor). Po tejto operácii sekania sa krivka stane pulzným jednosmerným signálom. Potom sa použije redukčný transformátor na zníženie napätia vysokofrekvenčného pulzného jednosmerného signálu na požadovanú úroveň. Nakoniec sa na spätné získanie výstupného jednosmerného napätia použije výstupný usmerňovač a filter.
Obrázok 02: Bloková schéma SMPS
Regulácia napätia v SMPS sa vykonáva pomocou spätnoväzbového obvodu, ktorý monitoruje výstupné napätie. Ak je energetická náročnosť záťaže vysoká, výstupné napätie má tendenciu stúpať. Tento prírastok je detegovaný spätnoväzbovým obvodom regulátora a používa sa na riadenie pomeru zapnutia a vypnutia signálu PWM. Mení sa teda priemerné signálne napätie. Vďaka tomu je výstupné napätie regulované tak, aby bolo konštantné.
Zostupný transformátor používaný v SMPS pracuje na vysokej frekvencii; teda objem a hmotnosť transformátora sú oveľa menšie ako u lineárneho napájacieho zdroja. To sa stáva hlavným dôvodom, aby bol SMPS oveľa menší a ľahší ako jeho náprotivok lineárneho typu. Regulácia napätia sa navyše vykonáva bez toho, aby sa nadmerná energia rozptýlila ako ohmická strata alebo teplo. Účinnosť SMPS dosahuje až 85 - 90%.
Súčasne SMPS generuje vysokofrekvenčný šum v dôsledku prepínania MOSFET. Tento šum sa môže prejaviť na výstupnom napätí; v niektorých pokročilých a drahých modeloch je však tento výstupný šum do istej miery zmiernený. Prepínaním sa ďalej vytvára elektromagnetické a vysokofrekvenčné rušenie. Preto je v SMPS povinné používať RF tienenie a EMI filtre. SMPS preto nie sú vhodné zvukové a vysokofrekvenčné aplikácie. S SMPS je možné použiť menej citlivé na hluk, ako sú nabíjačky mobilných telefónov, jednosmerné motory, vysokovýkonné aplikácie atď. Je ľahší a menší dizajn umožňuje pohodlné použitie aj ako prenosné zariadenie.
Aký je rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním?
Rozdielny článok v strede pred tabuľkou
SMPS vs lineárny napájací zdroj |
|
| SMPS priamo usmerňuje sieťové AC bez zníženia napätia. Potom sa prevedený jednosmerný prúd prepne na vysoký kmitočet pre menší transformátor, aby sa znížil na požadovanú úroveň napätia. Nakoniec sa vysokofrekvenčný striedavý signál usmerní na výstupné jednosmerné napätie. | Lineárny napájací zdroj redukuje napätie na začiatku na požadovanú hodnotu väčším transformátorom. Potom sa striedavé napätie usmerní a prefiltruje, aby sa získalo výstupné jednosmerné napätie. |
| Regulácia napätia | |
| Regulácia napätia sa vykonáva riadením spínacej frekvencie. Výstupné napätie je monitorované spätnoväzbovým obvodom a zmena napätia sa používa na riadenie frekvencie. | Usmernené a filtrované jednosmerné napätie je vystavené výstupnému odporu deliča napätia, aby sa dosiahlo výstupné napätie. Tento odpor je ovládateľný spätnoväzbovým obvodom, ktorý sleduje kolísanie výstupného napätia. |
| Účinnosť | |
| Tvorba tepla v SMPS je porovnateľne nízka, pretože spínací tranzistor pracuje v medzných a hladových oblastiach. Malé rozmery výstupného transformátora tiež znižujú tepelné straty. Preto je účinnosť vyššia (85-90%). | Prebytočný výkon sa odvádza ako teplo, aby sa napätie konštantne udržiavalo v lineárnom napájacom zdroji. Okrem toho je vstupný transformátor oveľa objemnejší; straty transformátora sú teda vyššie. Preto je účinnosť lineárneho napájacieho zdroja iba 60%. |
| Stavať | |
| Veľkosť transformátora SMPS nemusí byť veľká, pretože pracuje vo vysokej frekvencii. Preto bude hmotnosť transformátora tiež menšia. Výsledkom je, že veľkosť a hmotnosť SMPS je oveľa nižšia ako lineárne napájanie. | Lineárne napájacie zdroje sú oveľa objemnejšie, pretože vstupný transformátor musí byť veľký kvôli nízkej frekvencii, na ktorú pracuje. Pretože v regulátore napätia sa vytvára viac tepla, mali by sa použiť aj chladiče. |
| Skreslenie hluku a napätia | |
| SMPS generuje vysokofrekvenčný šum v dôsledku prepínania. Toto prechádza do výstupného napätia a niekedy aj do vstupnej siete. Harmonické skreslenie v elektrickej sieti je možné aj u SMPS. | Lineárne zdroje napájania neprodukujú hluk vo výstupnom napätí. Harmonické skreslenie je oveľa menšie ako skreslenie SMPS. |
| Aplikácie | |
| SMPS možno kvôli malej konštrukcii použiť ako prenosné zariadenie. Pretože však generuje vysokofrekvenčný šum, nemožno SMPS použiť pre aplikácie citlivé na hluk, ako sú vysokofrekvenčné a zvukové aplikácie. | Lineárne napájacie zdroje sú oveľa väčšie a nemožno ich použiť v prenosných zariadeniach. Pretože negenerujú šum a výstupné napätie je tiež čisté, používajú sa na väčšinu elektrických a elektronických testov v laboratóriách. |
Zhrnutie - SMPS vs lineárny zdroj napájania
SMPS a lineárne napájacie zdroje sú dva typy používaných jednosmerných napájacích zdrojov. Kľúčovým rozdielom medzi SMPS a lineárnym napájaním sú topológie používané na reguláciu napätia a znižovanie napätia. Zatiaľ čo lineárny zdroj napájania zo začiatku prevádza striedavé napätie na nízke napätie, SMPS najskôr odstráni a prefiltruje sieťový striedavý prúd a potom pred odstúpením prepne na vysokofrekvenčný striedavý prúd. Pretože sa hmotnosť a veľkosť transformátora zvyšuje so znižovaním pracovnej frekvencie, je vstupný transformátor lineárnych napájacích zdrojov na rozdiel od SMPS oveľa ťažší a väčší. Pretože sa regulácia napätia vykonáva s odvodom tepla cez odpory, lineárne napájacie zdroje by mali mať chladiče, vďaka ktorým sú ešte ťažšie. Regulátor SMPS riadi spínaciu frekvenciu na riadenie výstupného napätia. PretoSMPS sú menšie a ľahšie. Pretože je výroba tepla v SMPS nižšia, je tiež vyššia ich účinnosť.
Stiahnite si PDF verziu SMPS vs lineárny zdroj napájania
Môžete si stiahnuť verziu tohto článku vo formáte PDF a použiť ho na offline účely podľa citácií. Tu si stiahnite verziu PDF. Rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním.
