Ključna razlika – SMPS v primerjavi z linearnim napajalnikom
Večina elektronskih in električnih naprav za delovanje potrebuje enosmerno napetost. Te naprave, zlasti elektronske naprave z integriranimi vezji, morajo biti napajane z zanesljivo enosmerno napetostjo brez popačenj, da lahko delujejo brez okvar ali izgorevanja. Namen enosmernega napajanja je dovajanje čiste enosmerne napetosti tem napravam. Napajalniki z enosmernim tokom so razvrščeni v linearne in preklopne, ki so topologije, ki so vključene v pretvorbo izmeničnega električnega omrežja v nemoteno enosmerno napajanje. Linearni napajalnik uporablja transformator za neposredno znižanje omrežne napetosti izmeničnega toka na želeno raven, medtem ko SMPS pretvori izmenični tok v enosmerni s pomočjo stikalne naprave, ki pomaga pridobiti povprečno vrednost želenega nivoja napetosti. To je ključna razlika med SMPS in linearnim napajalnikom.
Kaj je linearni napajalnik?
Pri linearnem napajalniku se omrežna izmenična napetost pretvori v nižjo napetost neposredno s padajočim transformatorjem. Ta transformator mora prenesti veliko moč, saj deluje pri omrežni frekvenci AC 50/60Hz. Zato je ta transformator zajeten in velik, zaradi česar je napajalnik težak in velik.
Znižana napetost se nato popravi in filtrira, da se dobi enosmerna napetost, potrebna za izhod. Ker se napetost na tej ravni spreminja glede na popačenja vhodne napetosti, se regulacija napetosti izvede pred izhodom. Regulator napetosti v linearnem napajalniku je linearni regulator, ki je običajno polprevodniška naprava, ki deluje kot spremenljivi upor. Vrednost izhodnega upora se spreminja z zahtevano izhodno močjo, zaradi česar je izhodna napetost konstantna. Tako napetostni regulator deluje kot naprava za odvajanje moči. Večino časa odvaja odvečno moč, da je napetost konstantna. Zato mora regulator napetosti imeti velike odvode toplote. Posledično postanejo linearni napajalniki veliko težji. Poleg tega zaradi odvajanja moči regulatorja napetosti kot toplote učinkovitost linearnega napajalnika pade za približno 60%.
Vendar pa linearni napajalniki ne proizvajajo električnega šuma na izhodni napetosti. Zagotavlja izolacijo med izhodom in vhodom zaradi transformatorja. Zato se linearni napajalniki uporabljajo za visokofrekvenčne aplikacije, kot so radiofrekvenčne naprave, avdio aplikacije, laboratorijski testi, ki zahtevajo napajanje brez šuma, obdelavo signalov in ojačevalnike.
Slika 01: Napajalnik z linearnim regulatorjem napetosti
Kaj je SMPS?
SMPS (preklopni napajalnik) deluje na preklopni tranzistor. Najprej se vhod AC pretvori v enosmerno napetost z usmernikom, ne da bi se napetost zmanjšala, za razliko od linearnega napajalnika. Nato je enosmerna napetost podvržena visokofrekvenčnemu preklopu, običajno s tranzistorjem MOSFET. To pomeni, da se napetost skozi MOSFET vklopi in izklopi s signalom MOSFET Gate, običajno s širinsko moduliranim signalom približno 50 kHz (blok sekalnika/pretvornika). Po tej operaciji sekanja valovna oblika postane pulzirajoč enosmerni signal. Po tem se uporabi padajoči transformator za zmanjšanje napetosti visokofrekvenčnega pulzirajočega enosmernega signala na želeno raven. Končno se uporabita izhodni usmernik in filter za povrnitev izhodne enosmerne napetosti.
Slika 02: Blok diagram SMPS
Regulacija napetosti v SMPS poteka preko povratnega vezja, ki spremlja izhodno napetost. Če je obremenitev zahteva visoko moč, se izhodna napetost ponavadi poveča. Ta prirast zazna povratno vezje regulatorja in se uporablja za nadzor razmerja med vklopom in izklopom signala PWM. Tako se spremeni povprečna signalna napetost. Posledično je izhodna napetost nadzorovana, da ostane konstantna.
Spadajoči transformator, uporabljen v SMPS, deluje pri visoki frekvenci; tako sta prostornina in teža transformatorja veliko manjša kot pri linearnem napajalniku. To postane glavni razlog, da je SMPS veliko manjši in lažji od svojega analognega linearnega tipa. Poleg tega se regulacija napetosti izvaja brez odvajanja presežne moči kot ohmske izgube ali toplote. Učinkovitost SMPS doseže kar 85-90%.
Hkrati SMPS ustvarja visokofrekvenčni šum zaradi preklopnega delovanja MOSFET-a. Ta hrup se lahko odraža v izhodni napetosti; vendar pa je pri nekaterih naprednih in dragih modelih ta izhodni šum do neke mere zmanjšan. Poleg tega preklapljanje ustvarja elektromagnetne in radiofrekvenčne motnje. Zato je treba v SMPS uporabiti RF zaščito in filtre EMI. Zato SMPS niso primerne avdio in radiofrekvenčne aplikacije. Opremo, ki je manj občutljiva na hrup, kot so polnilci za mobilne telefone, motorji na enosmerni tok, aplikacije z visoko močjo itd., se lahko uporablja z SMPS. Njegova lažja in manjša zasnova omogoča priročno uporabo tudi kot prenosne naprave.
Kakšna je razlika med SMPS in linearnim napajalnikom?
SMPS v primerjavi z linearnim napajalnikom |
|
| SMPS neposredno popravi omrežni izmenični tok brez znižanja napetosti. Nato se pretvorjeni enosmerni tok preklopi v visokofrekvenčno za manjši transformator, da se zmanjša na želeno raven napetosti. Končno se visokofrekvenčni AC signal popravi v enosmerno izhodno napetost. | Linearni napajalnik zniža napetost na želeno vrednost na začetku z večjim transformatorjem. Po tem se AC popravi in filtrira, da nastane izhodna enosmerna napetost. |
| Regulacija napetosti | |
| Regulacija napetosti poteka s krmiljenjem preklopne frekvence. Izhodno napetost nadzira povratno vezje, sprememba napetosti pa se uporablja za krmiljenje frekvence. | Popravljena in filtrirana enosmerna napetost je izpostavljena izhodnemu uporu delilnika napetosti, da ustvari izhodno napetost. Ta upor je mogoče nadzorovati s povratnim vezjem, ki spremlja variacijo izhodne napetosti. |
| Učinkovitost | |
| Proizvodnja toplote v SMPS je sorazmerno nizka, saj preklopni tranzistor deluje v območjih izklopa in izčrpanosti. Zaradi majhne velikosti izhodnega transformatorja so tudi toplotne izgube majhne. Zato je učinkovitost večja (85-90%). | Odvečna moč se razprši kot toplota, da je napetost konstantna v linearnem napajalniku. Poleg tega je vhodni transformator veliko večji; zato so izgube transformatorja večje. Zato je učinkovitost linearnega napajalnika le 60%. |
| Build | |
| Ni nujno, da je velikost transformatorja SMPS velika, saj deluje pri visokih frekvencah. Zato bo tudi teža transformatorja manjša. Posledično sta velikost in teža SMPS veliko nižji od linearnega napajalnika. | Linearni napajalniki so veliko večji, saj mora biti vhodni transformator velik zaradi nizke frekvence, na kateri deluje. Ker se v regulatorju napetosti ustvari več toplote, je treba uporabiti tudi hladilnike. |
| Hrup in napetostna popačenja | |
| SMPS ustvarja visokofrekvenčni šum zaradi preklapljanja. Ta prehaja v izhodno napetost, včasih pa tudi v vhodno omrežje. Harmonično popačenje v omrežnem napajanju je lahko možno tudi pri SMPS. | Linearni napajalniki ne proizvajajo šuma v izhodni napetosti. Harmonično popačenje je veliko manjše kot pri SMPS. |
| Aplikacije | |
| SMPS se zaradi majhne zgradbe lahko uporablja kot prenosna naprava. Ker pa proizvajajo visokofrekvenčni šum, SMPS-jev ni mogoče uporabiti za aplikacije, občutljive na hrup, kot so RF in avdio aplikacije. | Linearni napajalniki so veliko večji in jih ni mogoče uporabiti za prenosne naprave. Ker ne ustvarjajo šuma in je tudi izhodna napetost čista, se uporabljajo za večino električnih in elektronskih testov v laboratorijih. |
Povzetek – SMPS v primerjavi z linearnim napajalnikom
SMPS in linearni napajalniki sta dve vrsti enosmernih napajalnikov, ki se uporabljata. Ključna razlika med SMPS in linearnim napajalnikom je topologija, ki se uporablja za regulacijo napetosti in zniževanje napetosti. Medtem ko linearni napajalnik na začetku pretvori AC v nizko napetost, SMPS najprej popravi in filtrira omrežni AC in nato preklopi na visokofrekvenčni AC, preden se spusti. Ker se teža in velikost transformatorja povečujeta z nižanjem delovne frekvence, je vhodni transformator linearnih napajalnikov veliko težji in večji za razliko od SMPS. Poleg tega, ker se regulacija napetosti izvaja z odvajanjem toplote prek uporov, morajo imeti linearni napajalniki toplotne odvode, zaradi katerih so še težji. Regulator SMPS nadzoruje preklopno frekvenco za nadzor izhodne napetosti. Zato so SMPS manjši po velikosti in lažji po teži. Ker je proizvodnja toplote v SMPS nižja, je tudi njihova učinkovitost višja.
Prenesite PDF različico SMPS v primerjavi z linearnim napajalnikom
Lahko prenesete različico PDF tega članka in jo uporabite za namene brez povezave v skladu z opombami o citatih. Prenesite PDF različico tukaj. Razlika med SMPS in linearnim napajalnikom.
