Peamine erinevus – SMPS vs lineaarne toiteallikas
Enamik elektroonika- ja elektriseadmeid vajavad töötamiseks alalispinget. Need seadmed, eriti integraallülitustega elektroonikaseadmed, peaksid olema varustatud usaldusväärse, moonutusteta alalispingega, et need töötaksid ilma tõrgeteta või põlemata. Alalisvoolu toiteallika eesmärk on varustada neid seadmeid puhta alalispingega. Alalisvoolu toiteallikad jagunevad lineaarseteks ja lülitusrežiimideks, mis on topoloogiad, mis on seotud vahelduvvoolu toiteallika sujuvaks alalisvooluks muutmisega. Lineaarne toiteallikas kasutab trafot, et alandada vahelduvvooluvõrgu pinget soovitud tasemele, samal ajal kui SMPS muundab vahelduvvoolu alalisvooluks, kasutades lülitusseadet, mis aitab saada soovitud pingetaseme keskmist väärtust. See on peamine erinevus SMPS-i ja lineaarse toiteallika vahel.
Mis on lineaarne toiteallikas?
Lineaarses toiteallikas muundatakse võrgu vahelduvpinge madalamaks pingeks otse alandava trafo abil. See trafo peab taluma suurt võimsust, kuna see töötab vahelduvvooluvõrgu sagedusel 50/60 Hz. Seetõttu on see trafo mahukas ja suur, muutes toiteallika raskeks ja suureks.
Alandatud pinge alaldatakse ja filtreeritakse, et saada väljundi jaoks vajalik alalispinge. Kuna sellel tasemel olev pinge varieerub sõltuv alt sisendpinge moonutustest, siis enne väljundit reguleeritakse pinget. Lineaarse toiteallika pingeregulaator on lineaarne regulaator, mis on tavaliselt pooljuhtseade, mis toimib muutuva takistina. Väljundtakistuse väärtus muutub koos väljundvõimsuse vajadusega, muutes väljundpinge konstantseks. Seega töötab pingeregulaator võimsust hajutava seadmena. Enamasti hajutab see üleliigse võimsuse, et muuta pinge konstantseks. Seetõttu peaksid pingeregulaatoril olema suured jahutusradiaatorid. Selle tulemusena muutuvad lineaarsed toiteallikad palju raskemaks. Lisaks langeb pingeregulaatori võimsuse hajumise tõttu soojusena lineaarse toiteallika kasutegur umbes 60%.
Siiski ei tekita lineaarsed toiteallikad väljundpingele elektrilist müra. See tagab trafo tõttu isolatsiooni väljundi ja sisendi vahel. Seetõttu kasutatakse lineaarseid toiteallikaid kõrgsageduslike rakenduste jaoks, nagu raadiosagedusseadmed, helirakendused, laboratoorsed testid, mis nõuavad müravaba toidet, signaalitöötlust ja võimendeid.
Joonis 01: Toiteallikas lineaarse pingeregulaatoriga
Mis on SMPS?
SMPS (lülitatud režiimi toiteallikas) töötab lülitustransistorseadmel. Algul muundatakse vahelduvvoolu sisend alaldi abil alalispingeks, ilma pinget vähendamata, erinev alt lineaarsest toiteallikast. Seejärel läbib alalispinge kõrgsagedusliku ümberlülituse, tavaliselt MOSFET-transistori abil. See tähendab, et MOSFET-i läbiv pinge lülitatakse sisse ja välja MOSFET-värava signaaliga, mis on tavaliselt umbes 50 kHz impulsi laiusmoduleeritud signaal (hakkeri/inverteri plokk). Pärast seda tükeldamist muutub lainekuju pulseerivaks alalisvoolu signaaliks. Pärast seda kasutatakse kõrgsagedusliku pulseeriva alalisvoolu signaali pinge vähendamiseks soovitud tasemeni astmelist trafot. Lõpuks kasutatakse väljundalaldit ja filtrit väljundi alalispinge taastamiseks.
Joonis 02: SMPS-i plokkskeem
Pinge reguleerimine SMPS-is toimub tagasisideahela kaudu, mis jälgib väljundpinget. Kui koormuse võimsusvajadus on suur, kipub väljundpinge tõusma. Selle tõusu tuvastab regulaatori tagasisideahel ja seda kasutatakse PWM-signaali sisse- ja väljalülitamise suhte reguleerimiseks. Seega muutub keskmine signaali pinge. Selle tulemusena juhitakse väljundpinget konstantsena.
SMPS-is kasutatav astmeline trafo töötab kõrgel sagedusel; seega on trafo maht ja kaal palju väiksemad kui lineaarsel toiteallikal. See on peamiseks põhjuseks, miks SMPS on palju väiksem ja kergem kui selle lineaarset tüüpi vaste. Veelgi enam, pinge reguleerimine toimub ilma liigset võimsust oomikao või soojuse hajutamata. SMPS-i efektiivsus ulatub 85–90%ni.
Samal ajal tekitab SMPS kõrge sagedusega müra MOSFET-i lülitustoimingute tõttu. See müra võib peegelduda väljundpinges; mõnede täiustatud ja kallite mudelite puhul on see väljundmüra siiski teatud määral leevendatud. Lisaks tekitab lülitus ka elektromagnetilisi ja raadiosageduslikke häireid. Seetõttu on SMPS-ides vaja kasutada RF-varjestus- ja EMI-filtreid. Seetõttu ei sobi SMPS-id heli- ja raadiosagedusrakendusteks. SMPS-idega saab kasutada vähem müratundlikke seadmeid, nagu mobiiltelefonide laadijad, alalisvoolumootorid, suure võimsusega rakendused jne. Selle kergema ja väiksema disaini tõttu on seda mugav kasutada ka kaasaskantavate seadmetena.
Mis vahe on SMPS-il ja lineaarsel toiteallikal?
SMPS vs lineaarne toiteallikas |
|
| SMPS alaldab otse vahelduvvoolu vooluvõrku ilma pinget vähendamata. Seejärel lülitatakse teisendatud alalisvoolu kõrge sagedusega väiksema trafo jaoks, et vähendada seda soovitud pingeni. Lõpuks alaldatakse kõrgsageduslik vahelduvvoolu signaal alalisvoolu väljundpingeks. | Lineaarne toiteallikas vähendab pinget alguses soovitud väärtuseni suurema trafo abil. Pärast seda alaldatakse vahelduvvoolu ja filtreeritakse väljundi alalispinge saamiseks. |
| Pingeregulatsioon | |
| Pinge reguleerimine toimub lülitussageduse juhtimisega. Väljundpinget jälgib tagasisideahel ja pinge muutumist kasutatakse sageduse juhtimiseks. | Väljundpinge saamiseks allutatakse alaldatud ja filtreeritud alalispingele pingejaguri väljundtakistus. Seda takistust saab juhtida tagasisideahelaga, mis jälgib väljundpinge kõikumist. |
| Efficiency | |
| Soojuse tootmine SMPS-is on suhteliselt madal, kuna lülitustransistor töötab väljalülitus- ja nälgimispiirkondades. Väljundtrafo väike suurus muudab ka soojuskao väikeseks. Seetõttu on efektiivsus suurem (85–90%). | Liigne võimsus hajub soojusena, et muuta pinge lineaarses toiteallikas konstantseks. Lisaks on sisendtrafo palju mahukam; seega on trafo kaod suuremad. Seetõttu on lineaarse toiteallika efektiivsus nii madal kui 60%. |
| Ehitamine | |
| SMPS-i trafo suurus ei pea olema suur, kuna see töötab kõrgsagedusel. Seetõttu on ka trafo kaal väiksem. Selle tulemusena on SMPS-i suurus ja kaal palju väiksem kui lineaarsel toiteallikal. | Lineaarsed toiteallikad on palju suuremad, kuna sisendtrafo peab madala sageduse tõttu olema suur. Kuna pingeregulaatoris tekib rohkem soojust, tuleks kasutada ka jahutusradiaatoreid. |
| Müra ja pingemoonutused | |
| SMPS tekitab ümberlülitamise tõttu kõrgsageduslikku müra. See läheb väljundpingesse ja mõnikord ka sisendvõrku. Võrgutoite harmoonilised moonutused võivad olla võimalikud ka SMPS-ides. | Lineaarsed toiteallikad ei tekita väljundpinges müra. Harmoonilised moonutused on palju väiksemad kui SMPS-idel. |
| Rakendused | |
| SMPS-i saab väikese ehituse tõttu kasutada kaasaskantavate seadmetena. Kuid kuna see tekitab kõrgsageduslikku müra, ei saa SMPS-e kasutada müratundlikes rakendustes, nagu raadiosagedus- ja helirakendused. | Lineaarsed toiteallikad on palju suuremad ja neid ei saa kasutada kaasaskantavate seadmete jaoks. Kuna need ei tekita müra ja ka väljundpinge on puhas, kasutatakse neid enamiku elektri- ja elektroonikakatsetuste jaoks laborites. |
Kokkuvõte – SMPS vs lineaarne toiteallikas
SMPS ja lineaarsed toiteallikad on kasutusel kahte tüüpi alalisvoolutoiteallikaid. Peamine erinevus SMPS-i ja lineaarse toiteallika vahel on pinge reguleerimiseks ja pinge alandamiseks kasutatavad topoloogiad. Kui lineaarne toiteallikas muundab alguses vahelduvvoolu madalpingeks, siis SMPS alaldab ja filtreerib esm alt võrgu vahelduvvoolu ning seejärel lülitub enne taandumist kõrgsageduslikule vahelduvvoolule. Kuna trafo kaal ja suurus kasvavad töösageduse vähenedes, on lineaarsete toiteallikate sisendtrafo erinev alt SMPS-ist palju raskem ja suurem. Lisaks, kuna pinge reguleerimine toimub soojuse hajutamisega takistuste kaudu, peaksid lineaarsed toiteallikad olema jahutusradiaatoritega, mis muudavad need veelgi raskemaks. SMPS-ide regulaator juhib lülitussagedust väljundpinge juhtimiseks. Seetõttu on SMPS-id väiksemad ja kaalult kergemad. Kuna soojuse tootmine SMPS-is on madalam, on ka nende efektiivsus suurem.
Laadi alla SMPS vs lineaarne toiteallika PDF-versioon
Saate alla laadida selle artikli PDF-versiooni ja kasutada seda võrguühenduseta kasutamiseks vastav alt tsitaadi märkustele. Laadige PDF-versioon alla siit. Erinevused SMPS-i ja lineaarse toiteallika vahel.
