Kulcskülönbség – SMPS vs lineáris tápegység
A legtöbb elektronikus és elektromos eszköz működéséhez egyenfeszültségre van szükség. Ezeket az eszközöket, különösen az integrált áramkörrel rendelkező elektronikus eszközöket megbízható, torzításmentes egyenfeszültséggel kell ellátni, hogy meghibásodás vagy leégés nélkül működjenek. Az egyenáramú tápegység célja, hogy tiszta egyenfeszültséget biztosítson ezeknek az eszközöknek. Az egyenáramú tápegységek lineáris és kapcsolt üzemmódúak kategóriába sorolhatók, amelyek a váltóáramú tápellátás sima egyenáramúvá tételéhez szükséges topológiák. A lineáris tápegység egy transzformátor segítségével közvetlenül a kívánt szintre csökkenti a váltakozó áramú hálózati feszültséget, míg az SMPS a váltakozó áramot egyenárammá alakítja egy kapcsolóeszköz segítségével, amely segít a kívánt feszültségszint átlagos értékének elérésében. Ez a legfontosabb különbség az SMPS és a lineáris tápegység között.
Mi az a lineáris tápegység?
A lineáris tápegységben a hálózati váltakozó feszültséget közvetlenül egy lecsökkentő transzformátor alakítja át alacsonyabb feszültséggé. Ennek a transzformátornak nagy teljesítményt kell kezelnie, mivel 50/60 Hz hálózati frekvencián működik. Ezért ez a transzformátor terjedelmes és nagy, így a tápegység nehéz és nagy.
A csökkentett feszültséget ezután egyenirányítják és szűrik, hogy megkapják a kimenethez szükséges egyenfeszültséget. Mivel ezen a szinten a feszültség a bemeneti feszültség torzulásaitól függően változik, a kimenet előtt feszültségszabályozás történik. A lineáris tápegység feszültségszabályozója egy lineáris szabályozó, amely általában egy félvezető eszköz, amely változó ellenállásként működik. A kimeneti ellenállás értéke a kimeneti teljesítményigény függvényében változik, így a kimeneti feszültség állandóvá válik. Így a feszültségszabályozó teljesítményleválasztó eszközként működik. Legtöbbször a felesleges teljesítményt disszipálja, hogy a feszültség állandó legyen. Ezért a feszültségszabályozónak nagy hűtőbordákkal kell rendelkeznie. Ennek eredményeként a lineáris tápegységek sokkal nehezebbek lesznek. Ezen túlmenően a feszültségszabályozó által hőként történő teljesítménydisszipáció következtében a lineáris tápegység hatásfoka körülbelül 60%-kal csökken.
A lineáris tápegységek azonban nem keltenek elektromos zajt a kimeneti feszültségen. Leválasztást biztosít a kimenet és a bemenet között a transzformátor miatt. Ezért a lineáris tápegységeket nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, például rádiófrekvenciás eszközökhöz, audioalkalmazásokhoz, laboratóriumi vizsgálatokhoz használják, amelyek zajmentes tápellátást, jelfeldolgozást és erősítőket igényelnek.
01. ábra: Tápegység lineáris feszültségszabályozóval
Mi az SMPS?
SMPS (kapcsolt üzemmódú tápegység) kapcsolótranzisztoros eszközön működik. Eleinte a váltakozó áramú bemenetet egy egyenirányító egyenfeszültséggé alakítja, a feszültség csökkentése nélkül, ellentétben a lineáris tápegységekkel. Ezután a DC feszültség nagyfrekvenciás kapcsoláson megy keresztül, jellemzően egy MOSFET tranzisztor által. Vagyis a MOSFET-en keresztüli feszültséget MOSFET Gate jel kapcsolja be és ki, általában egy körülbelül 50 kHz-es impulzusszélesség-modulált jel (chopper/inverter blokk). Ezt a vágási műveletet követően a hullámforma pulzáló egyenáramú jel lesz. Ezt követően lecsökkentő transzformátorral csökkentik a nagyfrekvenciás pulzáló DC jel feszültségét a kívánt szintre. Végül egy kimeneti egyenirányítót és egy szűrőt használnak a kimeneti egyenfeszültség visszaállítására.
02. ábra: Egy SMPS blokkdiagramja
Az SMPS feszültségszabályozása egy visszacsatoló áramkörön keresztül történik, amely figyeli a kimeneti feszültséget. Ha a terhelés teljesítményigénye magas, a kimeneti feszültség hajlamos emelkedni. Ezt a növekményt a szabályozó visszacsatoló áramköre érzékeli, és a PWM jel be-/kikapcsolási arányának szabályozására szolgál. Így az átlagos jelfeszültség változik. Ennek eredményeként a kimeneti feszültség állandó marad.
Az SMPS-ben használt lecsökkentő transzformátor magas frekvencián működik; így a transzformátor térfogata és tömege jóval kisebb, mint a lineáris tápé. Ez lesz a fő oka annak, hogy az SMPS sokkal kisebb és könnyebb, mint lineáris típusú megfelelője. Sőt, a feszültségszabályozás a felesleges teljesítmény ohmos veszteség vagy hő elvezetése nélkül történik. Az SMPS hatékonysága akár 85-90% is lehet.
Ugyanakkor egy SMPS nagyfrekvenciás zajt generál a MOSFET kapcsolási működése miatt. Ez a zaj tükröződhet a kimeneti feszültségben; néhány fejlett és drága modellben azonban ez a kimeneti zaj bizonyos mértékig mérséklődik. Ezenkívül a kapcsolás elektromágneses és rádiófrekvenciás interferenciát is okoz. Ezért az SMPS-ekben RF árnyékolást és EMI-szűrőket kell használni. Ezért az SMPS-ek nem alkalmasak audio- és rádiófrekvenciás alkalmazásokra. Az SMPS-ekkel kevésbé zajérzékeny berendezések, például mobiltelefon-töltők, egyenáramú motorok, nagy teljesítményű alkalmazások stb. Könnyebb és kisebb kialakításának köszönhetően kényelmesen használható hordozható eszközként is.
Mi a különbség az SMPS és a lineáris tápegység között?
SMPS vs lineáris tápegység |
|
| Az SMPS közvetlenül egyenirányítja a hálózati váltakozó áramot a feszültség csökkentése nélkül. Ezután az átalakított egyenáramot nagy frekvenciára kapcsolják egy kisebb transzformátorhoz, hogy a kívánt feszültségszintre csökkentsék. Végül a nagyfrekvenciás váltóáramú jelet egyenáramú kimeneti feszültségre egyenirányítják. | A lineáris tápegység a feszültséget a kívánt értékre csökkenti az elején egy nagyobb transzformátorral. Ezt követően a váltakozó áramot egyenirányítják és szűrik, hogy a kimeneti egyenfeszültséget állítsák elő. |
| Feszültségszabályozás | |
| A feszültségszabályozás a kapcsolási frekvencia szabályozásával történik. A kimeneti feszültséget a visszacsatoló áramkör figyeli, és a feszültség változását a frekvenciaszabályozáshoz használják. | Az egyenirányított és szűrt egyenfeszültséget egy feszültségosztó kimeneti ellenállásának vetik alá a kimeneti feszültség létrehozása érdekében. Ezt az ellenállást egy visszacsatoló áramkör szabályozza, amely figyeli a kimeneti feszültség változását. |
| Hatékonyság | |
| Az SMPS hőtermelése viszonylag alacsony, mivel a kapcsolótranzisztor a lekapcsolási és éhezési tartományban működik. A kimeneti transzformátor kis mérete miatt a hőveszteség is kicsi. Ezért a hatásfok magasabb (85-90%). | A többletteljesítmény hőként disszipálódik, hogy a feszültség állandó legyen a lineáris tápegységben. Ráadásul a bemeneti transzformátor sokkal terjedelmesebb; így a transzformátor veszteségei nagyobbak. Ezért a lineáris tápegység hatásfoka akár 60%. |
| Build | |
| Az SMPS transzformátorméretének nem kell nagynak lennie, mivel magas frekvencián működik. Ezért a transzformátor súlya is kisebb lesz. Ennek eredményeként az SMPS mérete és súlya sokkal kisebb, mint a lineáris tápegységé. | A lineáris tápegységek sokkal terjedelmesebbek, mivel a bemeneti transzformátornak nagynak kell lennie, mivel alacsony frekvencián működik. Mivel a feszültségszabályozóban több hő keletkezik, hűtőbordákat is kell használni. |
| Zaj- és feszültségtorzítások | |
| Az SMPS nagyfrekvenciás zajt generál a váltás miatt. Ez átmegy a kimeneti feszültségbe, valamint néha a bemeneti hálózatba. Harmonikus torzítás a hálózati tápellátásban az SMPS-ekben is lehetséges. | A lineáris tápegységek nem keltenek zajt a kimeneti feszültségben. A harmonikus torzítás sokkal kisebb, mint az SMPS-eké. |
| Alkalmazások | |
| Az SMPS kis felépítése miatt hordozható eszközként is használható. De mivel nagyfrekvenciás zajt generál, az SMPS-ek nem használhatók zajérzékeny alkalmazásokhoz, például RF és audio alkalmazásokhoz. | A lineáris tápegységek sokkal nagyobbak, és nem használhatók hordozható eszközökhöz. Mivel nem keltenek zajt, és a kimeneti feszültség is tiszta, a legtöbb elektromos és elektronikus laboratóriumi teszthez használják őket. |
Összefoglaló – SMPS vs lineáris tápegység
Az SMPS és a lineáris tápegységek kétféle egyenáramú tápegység használatban vannak. A legfontosabb különbség az SMPS és a lineáris tápegység között a feszültségszabályozáshoz és a feszültségcsökkentéshez használt topológiák. Míg a lineáris tápegység kezdetben a váltakozó áramot alacsony feszültséggé alakítja, az SMPS először egyenirányítja és szűri a hálózati váltakozó áramot, majd nagyfrekvenciás váltakozó áramra vált, mielőtt lelép. Mivel a transzformátor tömege és mérete az üzemi frekvencia csökkenésével növekszik, a lineáris tápegységek bemeneti transzformátora sokkal nehezebb és nagyobb, az SMPS-től eltérően. Ezenkívül, mivel a feszültségszabályozás az ellenállásokon keresztüli hőelvezetéssel történik, a lineáris tápegységeknek hűtőbordákkal kell rendelkezniük, amelyek még nehezebbé teszik őket. Az SMPS-ek szabályozója szabályozza a kapcsolási frekvenciát a kimeneti feszültség szabályozására. Ezért az SMPS-ek kisebb méretűek és könnyebbek. Mivel az SMPS-ben alacsonyabb a hőtermelés, a hatékonyságuk is magasabb.
Az SMPS vs Lineáris tápegység PDF-verziójának letöltése
Letöltheti ennek a cikknek a PDF-verzióját, és offline célokra használhatja az idézet megjegyzései szerint. Kérjük, töltse le a PDF verziót innen: Különbség az SMPS és a lineáris tápegység között.
