Kluczowa różnica – zasilacz impulsowy vs zasilacz liniowy
Większość urządzeń elektronicznych i elektrycznych wymaga do działania napięcia stałego. Urządzenia te, a zwłaszcza urządzenia elektroniczne z układami scalonymi, powinny być zasilane niezawodnym, pozbawionym zniekształceń napięciem stałym, aby działały bez awarii lub przepalenia. Celem zasilacza prądu stałego jest dostarczenie do tych urządzeń czystego napięcia stałego. Zasilacze prądu stałego są podzielone na kategorie liniowe i przełączane, które są topologiami zaangażowanymi w przekształcanie zasilania sieciowego AC w płynny prąd stały. Zasilanie liniowe wykorzystuje transformator do bezpośredniego obniżania napięcia sieci AC do pożądanego poziomu, podczas gdy SMPS konwertuje AC na DC za pomocą urządzenia przełączającego, które pomaga uzyskać średnią wartość pożądanego poziomu napięcia. Jest to kluczowa różnica między zasilaczem impulsowym a liniowym.
Co to jest zasilacz liniowy?
W zasilaczu liniowym napięcie sieciowe AC jest przekształcane na niższe napięcie bezpośrednio przez transformator obniżający napięcie. Ten transformator musi obsługiwać dużą moc, ponieważ pracuje przy częstotliwości sieciowej AC 50/60Hz. Dlatego ten transformator jest nieporęczny i duży, przez co zasilacz jest ciężki i duży.
Napięcie obniżane jest następnie prostowane i filtrowane w celu uzyskania napięcia stałego wymaganego dla wyjścia. Ponieważ napięcie na tym poziomie podlega zmianom w zależności od zniekształceń napięcia wejściowego, regulacja napięcia jest wykonywana przed wyjściem. Regulator napięcia w zasilaczu liniowym jest regulatorem liniowym, który zwykle jest urządzeniem półprzewodnikowym, które działa jak rezystor zmienny. Wartość rezystancji wyjściowej zmienia się wraz z zapotrzebowaniem na moc wyjściową, dzięki czemu napięcie wyjściowe jest stałe. W ten sposób regulator napięcia działa jako urządzenie rozpraszające moc. Przez większość czasu rozprasza nadmiar mocy, aby napięcie było stałe. Dlatego regulator napięcia powinien mieć duże radiatory. W rezultacie zasilacze liniowe stają się znacznie cięższe. Ponadto w wyniku rozpraszania mocy przez regulator napięcia w postaci ciepła sprawność zasilacza liniowego spada aż o 60%.
Jednak zasilacze liniowe nie generują szumów elektrycznych na napięciu wyjściowym. Zapewnia izolację między wyjściem a wejściem ze względu na transformator. Dlatego zasilacze liniowe są używane do zastosowań o wysokiej częstotliwości, takich jak urządzenia częstotliwości radiowych, aplikacje audio, testy laboratoryjne, które wymagają zasilania bez szumów, przetwarzania sygnału i wzmacniaczy.
Rysunek 01: Zasilacz z liniowym regulatorem napięcia
Co to jest SMPS?
SMPS (zasilacz impulsowy) działa na przełączającym urządzeniu tranzystorowym. Na początku wejście AC jest konwertowane na napięcie DC przez prostownik, bez zmniejszania napięcia, w przeciwieństwie do zasilacza liniowego. Następnie napięcie DC przechodzi przełączanie wysokiej częstotliwości, zwykle przez tranzystor MOSFET. Oznacza to, że napięcie przez MOSFET jest włączane i wyłączane przez sygnał bramki MOSFET, zwykle sygnał o modulowanej szerokości impulsu około 50 kHz (blok przerywacza/inwertera). Po tej operacji przerywania przebieg staje się pulsującym sygnałem DC. Następnie transformator obniżający napięcie służy do obniżenia napięcia pulsującego sygnału prądu stałego o wysokiej częstotliwości do pożądanego poziomu. Wreszcie prostownik wyjściowy i filtr są używane do przywracania wyjściowego napięcia stałego.
Rysunek 02: Schemat blokowy zasilacza impulsowego
Regulacja napięcia w SMPS odbywa się za pomocą obwodu sprzężenia zwrotnego, który monitoruje napięcie wyjściowe. Jeśli zapotrzebowanie na moc obciążenia jest wysokie, napięcie wyjściowe ma tendencję do wzrostu. Ten przyrost jest wykrywany przez obwód sprzężenia zwrotnego regulatora i jest używany do sterowania stosunkiem załącz-wyłącz sygnału PWM. W ten sposób zmienia się średnie napięcie sygnału. W rezultacie napięcie wyjściowe jest kontrolowane, aby utrzymać stałe.
Transformator obniżający napięcie używany w zasilaczu impulsowym działa na wysokiej częstotliwości; w związku z tym objętość i waga transformatora są znacznie mniejsze niż w przypadku zasilacza liniowego. Staje się to głównym powodem, dla którego zasilacz impulsowy jest znacznie mniejszy i lżejszy niż jego odpowiednik typu liniowego. Co więcej, regulacja napięcia odbywa się bez rozpraszania nadmiaru mocy w postaci strat w omach lub ciepła. Sprawność zasilacza impulsowego dochodzi do 85-90%.
W tym samym czasie SMPS generuje szum o wysokiej częstotliwości z powodu operacji przełączania tranzystora MOSFET. Ten szum może być odzwierciedlony w napięciu wyjściowym; jednak w niektórych zaawansowanych i drogich modelach ten szum wyjściowy jest w pewnym stopniu łagodzony. Ponadto przełączanie powoduje również zakłócenia elektromagnetyczne i radiowe. Dlatego wymagane jest stosowanie ekranowania RF i filtrów EMI w zasilaczach impulsowych. Dlatego SMPS nie nadają się do zastosowań audio i częstotliwości radiowej. Z zasilaczami impulsowymi można używać urządzeń mniej wrażliwych na hałas, takich jak ładowarki do telefonów komórkowych, silniki prądu stałego, aplikacje o dużej mocy itp. Jego lżejsza i mniejsza konstrukcja sprawia, że jest wygodny w użyciu również jako urządzenie przenośne.
Jaka jest różnica między zasilaczem impulsowym a zasilaczem liniowym?
SMPS a zasilacz liniowy |
|
| SMPS bezpośrednio prostuje sieć bez zmniejszania napięcia. Następnie przekonwertowany prąd stały jest przełączany w wysokiej częstotliwości dla mniejszego transformatora, aby zredukować go do pożądanego poziomu napięcia. Na koniec sygnał AC o wysokiej częstotliwości jest prostowany do napięcia wyjściowego DC. | Zasilanie liniowe zmniejsza napięcie do pożądanej wartości na początku przez większy transformator. Następnie prąd przemienny jest prostowany i filtrowany, aby uzyskać napięcie wyjściowe prądu stałego. |
| Regulacja napięcia | |
| Regulacja napięcia odbywa się poprzez kontrolowanie częstotliwości przełączania. Napięcie wyjściowe jest monitorowane przez obwód sprzężenia zwrotnego, a zmiany napięcia są wykorzystywane do sterowania częstotliwością. | Wyprostowane i przefiltrowane napięcie prądu stałego jest poddawane rezystancji wyjściowej dzielnika napięcia, aby uzyskać napięcie wyjściowe. Ta rezystancja jest kontrolowana przez obwód sprzężenia zwrotnego, który monitoruje zmiany napięcia wyjściowego. |
| Wydajność | |
| Wytwarzanie ciepła w SMPS jest stosunkowo niskie, ponieważ tranzystor przełączający działa w obszarach odcięcia i głodu. Niewielki rozmiar transformatora wyjściowego sprawia również, że straty ciepła są niewielkie. Dlatego wydajność jest wyższa (85-90%). | Nadmiar mocy jest rozpraszany jako ciepło, aby napięcie stało się stałe w liniowym zasilaczu. Ponadto transformator wejściowy jest znacznie większy; w związku z tym straty transformatora są wyższe. Dlatego sprawność zasilacza liniowego wynosi zaledwie 60%. |
| Budowa | |
| Rozmiar transformatora zasilacza impulsowego nie musi być duży, ponieważ działa on w wysokiej częstotliwości. Dlatego waga transformatora również będzie mniejsza. W rezultacie rozmiar, a także waga zasilacza impulsowego są znacznie mniejsze niż zasilacza liniowego. | Zasilacze liniowe są znacznie większe, ponieważ transformator wejściowy musi być duży ze względu na niską częstotliwość, na której pracuje. Ponieważ w regulatorze napięcia wytwarza się więcej ciepła, należy zastosować również radiatory. |
| Zakłócenia i zakłócenia napięcia | |
| SMPS generuje szum o wysokiej częstotliwości z powodu przełączania. Przechodzi to na napięcie wyjściowe, a czasami także na wejściowe zasilanie sieciowe. Zniekształcenia harmoniczne w zasilaniu sieciowym mogą być również możliwe w zasilaczach impulsowych. | Zasilacze liniowe nie generują zakłóceń w napięciu wyjściowym. Zniekształcenia harmoniczne są znacznie mniejsze niż w przypadku zasilaczy impulsowych. |
| Aplikacje | |
| SMPS może być używany jako urządzenia przenośne ze względu na małą konstrukcję. Ale ponieważ generuje szum o wysokiej częstotliwości, zasilacze impulsowe nie mogą być używane w aplikacjach wrażliwych na hałas, takich jak aplikacje RF i audio. | Zasilacze liniowe są znacznie większe i nie można ich używać do urządzeń przenośnych. Ponieważ nie generują szumów, a napięcie wyjściowe jest również czyste, są używane do większości testów elektrycznych i elektronicznych w laboratoriach. |
Podsumowanie - zasilacz impulsowy a zasilacz liniowy
Zasilacze SMPS i liniowe to dwa rodzaje stosowanych zasilaczy prądu stałego. Kluczową różnicą między zasilaczem impulsowym a liniowym jest topologia stosowana do regulacji napięcia i obniżania napięcia. Podczas gdy zasilacz liniowy konwertuje prąd przemienny na niskie napięcie na początku, zasilacz SMPS najpierw prostuje i filtruje prąd przemienny z sieci, a następnie przełącza się na prąd przemienny o wysokiej częstotliwości przed obniżeniem napięcia. Ponieważ waga i rozmiar transformatora rosną wraz ze spadkiem częstotliwości roboczej, transformator wejściowy zasilaczy liniowych jest znacznie cięższy i większy w przeciwieństwie do zasilaczy impulsowych. Ponadto, ponieważ regulacja napięcia odbywa się za pomocą rozpraszania ciepła przez rezystancje, zasilacze liniowe powinny mieć radiatory, dzięki którym są jeszcze cięższe. Regulator zasilaczy impulsowych kontroluje częstotliwość przełączania w celu sterowania napięciem wyjściowym. Dlatego zasilacze impulsowe są mniejsze i lżejsze. Ponieważ wytwarzanie ciepła w SMPS jest mniejsze, ich sprawność jest również wyższa.
Pobierz wersję PDF zasilacza SMPS a zasilacz liniowy
Możesz pobrać wersję PDF tego artykułu i używać jej do celów offline, zgodnie z notatkami dotyczącymi cytowań. Proszę pobrać wersję PDF tutaj Różnica między zasilaczem impulsowym a zasilaczem liniowym.
