Kľúčový rozdiel – SMPS vs lineárny zdroj energie
Väčšina elektronických a elektrických zariadení vyžaduje na svoju činnosť jednosmerné napätie. Tieto zariadenia, najmä elektronické zariadenia s integrovanými obvodmi, by mali byť napájané spoľahlivým jednosmerným napätím bez skreslenia, aby fungovali bez poruchy alebo spálenia. Účelom jednosmerného napájacieho zdroja je dodávať týmto zariadeniam čisté jednosmerné napätie. Napájacie zdroje jednosmerného prúdu sú kategorizované na lineárny a spínaný režim, čo sú topológie zapojené do premeny sieťového napájania striedavého prúdu na hladký jednosmerný prúd. Lineárne napájanie využíva transformátor na priame zníženie striedavého sieťového napätia na požadovanú úroveň, zatiaľ čo SMPS konvertuje striedavý prúd na jednosmerný pomocou spínacieho zariadenia, ktoré pomáha získať priemernú hodnotu požadovanej úrovne napätia. Toto je kľúčový rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním.
Čo je to lineárny zdroj energie?
V lineárnom napájacom zdroji sa sieťové striedavé napätie premieňa na nižšie napätie priamo pomocou transformátora. Tento transformátor musí zvládnuť veľký výkon, pretože pracuje pri frekvencii striedavého prúdu 50/60 Hz. Preto je tento transformátor objemný a veľký, vďaka čomu je napájací zdroj ťažký a veľký.
Znížené napätie sa potom upraví a filtruje, aby sa získalo jednosmerné napätie potrebné pre výstup. Pretože napätie na tejto úrovni sa mení v závislosti od skreslenia vstupného napätia, regulácia napätia sa vykonáva pred výstupom. Regulátor napätia v lineárnom napájacom zdroji je lineárny regulátor, ktorý je zvyčajne polovodičovým zariadením, ktoré funguje ako premenlivý odpor. Hodnota výstupného odporu sa mení s požiadavkou na výstupný výkon, čím sa výstupné napätie stáva konštantným. Regulátor napätia teda funguje ako zariadenie na rozptyl energie. Väčšinu času rozptýli prebytočný výkon, aby bolo napätie konštantné. Preto by regulátor napätia mal mať veľké chladiče. Výsledkom je, že lineárne napájacie zdroje sú oveľa ťažšie. Okrem toho, v dôsledku straty energie regulátorom napätia vo forme tepla, účinnosť lineárneho napájacieho zdroja klesá až o 60 %.
Lineárne napájacie zdroje však nevytvárajú elektrický šum na výstupnom napätí. Poskytuje izoláciu medzi výstupom a vstupom vďaka transformátoru. Preto sa lineárne napájacie zdroje používajú pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú rádiofrekvenčné zariadenia, audio aplikácie, laboratórne testy, ktoré vyžadujú bezšumové napájanie, spracovanie signálu a zosilňovače.
Obrázok 01: Napájanie s lineárnym regulátorom napätia
Čo je SMPS?
SMPS (spínaný zdroj napájania) funguje na spínacom tranzistorovom zariadení. Na rozdiel od lineárneho napájacieho zdroja je najprv striedavý vstup prevedený na jednosmerné napätie usmerňovačom bez zníženia napätia. Potom jednosmerné napätie prechádza vysokofrekvenčným prepínaním, zvyčajne tranzistorom MOSFET. To znamená, že napätie cez MOSFET sa zapína a vypína signálom brány MOSFET, zvyčajne signálom modulovaným šírkou impulzu asi 50 kHz (blok chopper/invertor). Po tejto operácii prerušenia sa tvar vlny stane pulzným jednosmerným signálom. Potom sa použije znižovací transformátor na zníženie napätia vysokofrekvenčného pulzného jednosmerného signálu na požadovanú úroveň. Nakoniec sa výstupný usmerňovač a filter používajú na obnovenie výstupného jednosmerného napätia.
Obrázok 02: Blokový diagram SMPS
Regulácia napätia v SMPS sa vykonáva prostredníctvom spätnoväzbového obvodu, ktorý monitoruje výstupné napätie. Ak je požiadavka na výkon záťaže vysoká, výstupné napätie má tendenciu sa zvyšovať. Tento prírastok je detekovaný obvodom spätnej väzby regulátora a používa sa na riadenie pomeru zapnutia a vypnutia signálu PWM. Tým sa mení priemerné napätie signálu. Výsledkom je, že výstupné napätie je riadené tak, aby zostalo konštantné.
Znižovací transformátor používaný v SMPS pracuje pri vysokej frekvencii; teda objem a hmotnosť transformátora sú oveľa menšie ako pri lineárnom napájaní. To sa stáva hlavným dôvodom, prečo je SMPS oveľa menší a ľahší ako jeho náprotivok lineárneho typu. Okrem toho sa regulácia napätia vykonáva bez straty prebytočného výkonu, ako je ohmická strata alebo teplo. Účinnosť SMPS dosahuje až 85-90 %.
Súčasne SMPS generuje vysokofrekvenčný šum v dôsledku spínacej operácie MOSFET. Tento šum sa môže prejaviť vo výstupnom napätí; v niektorých pokročilých a drahých modeloch je však tento výstupný šum do určitej miery zmiernený. Okrem toho spínanie vytvára aj elektromagnetické a rádiofrekvenčné rušenie. Preto je potrebné v SMPS použiť RF tienenie a EMI filtre. Preto SMPS nie sú vhodné audio a rádiofrekvenčné aplikácie. S SMPS možno použiť zariadenia menej citlivé na hluk, ako sú nabíjačky mobilných telefónov, jednosmerné motory, vysokovýkonné aplikácie atď. Vďaka ľahšiemu a menšiemu dizajnu sa dá pohodlne používať aj ako prenosné zariadenia.
Aký je rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním?
SMPS vs lineárny zdroj napájania |
|
| SMPS priamo usmerňuje sieťový striedavý prúd bez zníženia napätia. Potom sa konvertovaný jednosmerný prúd prepne na vysokú frekvenciu pre menší transformátor, aby sa znížil na požadovanú úroveň napätia. Nakoniec sa vysokofrekvenčný striedavý signál usmerní na výstupné jednosmerné napätie. | Lineárne napájanie znižuje na začiatku napätie na požadovanú hodnotu pomocou väčšieho transformátora. Potom sa striedavý prúd usmerní a prefiltruje, aby sa vytvorilo výstupné jednosmerné napätie. |
| Regulácia napätia | |
| Regulácia napätia sa vykonáva ovládaním spínacej frekvencie. Výstupné napätie je monitorované spätnoväzbovým obvodom a kolísanie napätia sa používa na riadenie frekvencie. | Upravené a filtrované jednosmerné napätie je vystavené výstupnému odporu deliča napätia, aby sa vytvorilo výstupné napätie. Tento odpor je ovládateľný obvodom spätnej väzby, ktorý monitoruje kolísanie výstupného napätia. |
| Efficiency | |
| Produkcia tepla v SMPS je pomerne nízka, pretože spínací tranzistor pracuje v oblastiach vypnutia a hladovania. Malá veľkosť výstupného transformátora tiež znižuje tepelné straty. Preto je účinnosť vyššia (85-90%). | Prebytočný výkon sa rozptýli ako teplo, aby bolo napätie v lineárnom zdroji konštantné. Vstupný transformátor je navyše oveľa objemnejší; straty transformátora sú teda vyššie. Preto je účinnosť lineárneho napájacieho zdroja len 60 %. |
| Build | |
| Veľkosť transformátora SMPS nemusí byť veľká, pretože pracuje na vysokej frekvencii. Preto bude aj hmotnosť transformátora menšia. Výsledkom je, že veľkosť, ako aj hmotnosť SMPS je oveľa nižšia ako u lineárneho napájacieho zdroja. | Lineárne napájacie zdroje sú oveľa objemnejšie, pretože vstupný transformátor musí byť veľký kvôli nízkej frekvencii, na ktorej pracuje. Keďže v regulátore napätia vzniká 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 napájania zo siete môže byť tiež možné v SMPS. | Lineárne napájacie zdroje nevytvárajú šum vo výstupnom napätí. Harmonické skreslenie je oveľa menšie ako u SMPS. |
| Aplikácie | |
| SMPS možno použiť ako prenosné zariadenia kvôli malej konštrukcii. Ale keďže SMPS generuje vysokofrekvenčný šum, nemožno ho použiť pre aplikácie citlivé na šum, ako sú RF a audio aplikácie. | Lineárne zdroje napájania sú oveľa väčšie a nemožno ich použiť pre prenosné zariadenia. Keďže negenerujú šum a výstupné napätie je tiež čisté, používajú sa pri väčšine elektrických a elektronických testov v laboratóriách. |
Zhrnutie – SMPS vs lineárny zdroj napájania
SMPS a lineárne napájacie zdroje sú dva typy používaných jednosmerných zdrojov napájania. Kľúčovým rozdielom medzi SMPS a lineárnym napájaním sú topológie používané na reguláciu napätia a znižovanie napätia. Zatiaľ čo lineárny zdroj konvertuje striedavý prúd na nízke napätie na začiatku, SMPS najprv usmerňuje a filtruje sieťový striedavý prúd a potom sa prepne na vysokofrekvenčný striedavý prúd pred zostupom. Keďže hmotnosť a veľkosť transformátora sa zvyšuje so znižovaním prevádzkovej frekvencie, vstupný transformátor lineárnych napájacích zdrojov je na rozdiel od SMPS oveľa ťažší a väčší. Navyše, keďže regulácia napätia prebieha 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. Preto sú SMPS menšie a majú nižšiu hmotnosť. Keďže výroba tepla v SMPS je nižšia, ich účinnosť je tiež vyššia.
Stiahnuť PDF verziu SMPS vs lineárny zdroj napájania
Môžete si stiahnuť PDF verziu tohto článku a použiť ju na offline účely podľa citácií. Stiahnite si PDF verziu tu Rozdiel medzi SMPS a lineárnym napájaním.
