Avainero – SMPS vs lineaarinen virtalähde
Useimmat elektroniset ja sähkölaitteet vaativat tasajännitettä toimiakseen. Näihin laitteisiin, erityisesti elektronisiin laitteisiin, joissa on integroidut piirit, on syötettävä luotettava, vääristymätön tasajännite, jotta ne toimivat ilman toimintahäiriöitä tai palamista. Tasavirtalähteen tarkoitus on tuottaa puhdasta tasajännitettä näihin laitteisiin. Tasavirtalähteet luokitellaan lineaarisiin ja hakkurimuotoisiin, jotka ovat topologioita, joita käytetään AC-verkkosyötön tekemiseen tasaiseksi tasaiseksi. Lineaarinen teholähde käyttää muuntajaa AC-verkkojännitteen alentamiseen suoraan halutulle tasolle, kun taas SMPS muuntaa AC:n tasavirraksi kytkinlaitteen avulla, joka auttaa saamaan halutun jännitetason keskiarvon. Tämä on avainero SMPS:n ja lineaarisen virtalähteen välillä.
Mikä on lineaarinen virtalähde?
Lineaarisessa teholähteessä verkkovirran vaihtojännite muunnetaan suoraan alemmaksi jännitteeksi alennusmuuntajan avulla. Tämän muuntajan on kestettävä suurta tehoa, koska se toimii AC-verkkotaajuudella 50/60Hz. Siksi tämä muuntaja on tilaa vievä ja suuri, mikä tekee virtalähteestä raskaan ja suuren.
Alennettu jännite tasasuunnataan ja suodatetaan, jotta saadaan ulostuloon tarvittava tasajännite. Koska tämän tason jännite vaihtelee tulojännitteen vääristymien mukaan, jännitteen säätö tehdään ennen lähtöä. Lineaarisen teholähteen jännitesäädin on lineaarinen säädin, joka on yleensä puolijohdelaite, joka toimii säädettävänä vastuksena. Lähtövastusarvo muuttuu lähtötehotarpeen mukaan, jolloin lähtöjännite muuttuu vakioksi. Siten jännitteensäädin toimii tehoa haihduttavana laitteena. Suurimman osan ajasta se haihduttaa ylimääräistä tehoa, jotta jännite muuttuu vakioksi. Siksi jännitesäätimessä tulisi olla suuret jäähdytyselementit. Tämän seurauksena lineaariset virtalähteet tulevat paljon raskaammiksi. Lisäksi jännitesäätimen lämpöhäviön seurauksena lineaarisen teholähteen hyötysuhde laskee jopa noin 60%.
Lineaariset virtalähteet eivät kuitenkaan tuota sähköistä kohinaa lähtöjännitteessä. Se tarjoaa eristyksen lähdön ja tulon välillä muuntajan takia. Siksi lineaarisia virtalähteitä käytetään korkeataajuisissa sovelluksissa, kuten radiotaajuuslaitteissa, äänisovelluksissa, laboratoriotesteissä, jotka vaativat kohinatonta syöttöä, signaalinkäsittelyä ja vahvistimia.
Kuva 01: Virtalähde lineaarisella jännitesäätimellä
Mikä on SMPS?
SMPS (hakkurivirtalähde) toimii kytkentätransistorilaitteessa. Aluksi vaihtovirtasisääntulo muunnetaan tasajännitteeksi tasasuuntaajan avulla jännitettä alentamatta, toisin kuin lineaarisessa teholähteessä. Sitten tasajännite käy läpi suurtaajuisen kytkennän, tyypillisesti MOSFET-transistorin toimesta. Toisin sanoen MOSFETin kautta kulkeva jännite kytketään päälle ja pois MOSFET-portin signaalilla, joka on yleensä noin 50 kHz:n pulssinleveysmoduloitu signaali (katkoja/invertterilohko). Tämän katkaisutoimenpiteen jälkeen a altomuodosta tulee pulssi-DC-signaali. Tämän jälkeen suurtaajuisen pulssoidun DC-signaalin jännite lasketaan halutulle tasolle alasasennusmuuntajalla. Lopuksi lähtötasasuuntaajaa ja suodatinta käytetään palauttamaan lähtötasajännite.
Kuva 02: SMPS:n lohkokaavio
SMPS:n jännitteensäätö tapahtuu takaisinkytkentäpiirin kautta, joka valvoo lähtöjännitettä. Jos kuorman tehotarve on korkea, lähtöjännitteellä on taipumus kasvaa. Säätimen takaisinkytkentäpiiri havaitsee tämän lisäyksen, ja sitä käytetään PWM-signaalin päälle/pois -suhteen ohjaamiseen. Siten keskimääräinen signaalijännite muuttuu. Seurauksena on, että lähtöjännitettä ohjataan pitämään vakiona.
SMPS:ssä käytetty alennusmuuntaja toimii korkealla taajuudella; siten muuntajan tilavuus ja paino ovat paljon pienempiä kuin lineaarisen teholähteen. Tästä tulee suuri syy siihen, että SMPS on paljon pienempi ja kevyempi kuin sen lineaarityyppinen vastine. Lisäksi jännitteen säätö tapahtuu ilman ylimääräisen tehon haihtumista ohmisen häviön tai lämmön muodossa. SMPS:n tehokkuus nousee jopa 85-90%.
Samaan aikaan SMPS tuottaa korkeataajuista kohinaa MOSFETin kytkentätoiminnon vuoksi. Tämä kohina voi heijastua lähtöjännitteeseen; Kuitenkin joissakin edistyneissä ja kalliissa malleissa tämä lähtökohina on jossain määrin vaimentunut. Lisäksi kytkentä aiheuttaa myös sähkömagneettisia ja radiotaajuisia häiriöitä. Siksi SMPS:issä on käytettävä RF-suojausta ja EMI-suodattimia. Siksi SMPS:t eivät sovellu ääni- ja radiotaajuussovelluksiin. SMPS-laitteiden kanssa voidaan käyttää vähemmän meluherkkiä laitteita, kuten matkapuhelinlatureita, tasavirtamoottoreita, suuritehoisia sovelluksia jne. Sen kevyempi ja pienempi muotoilu tekee siitä kätevän myös kannettavana laitteena.
Mitä eroa on SMPS:llä ja lineaarisella virtalähteellä?
SMPS vs lineaarinen virtalähde |
|
| SMPS tasasuuntaa suoraan verkkovirran vaihtovirtaa vähentämättä jännitettä. Sitten muunnettu tasavirta kytketään suurtaajuudella pienempään muuntajaan sen alentamiseksi halutulle jännitetasolle. Lopuksi suurtaajuinen AC-signaali tasasuunnataan DC-lähtöjännitteeksi. | Lineaarinen teholähde laskee jännitteen haluttuun arvoon alussa suuremmalla muuntajalla. Tämän jälkeen vaihtovirta tasasuunnetaan ja suodatetaan, jotta saadaan ulostulon tasajännite. |
| Jännitesäätö | |
| Jännitesäätö tapahtuu ohjaamalla kytkentätaajuutta. Lähtöjännitettä valvotaan takaisinkytkentäpiirillä ja jännitteen vaihtelua käytetään taajuuden säätöön. | Tasasasutettu ja suodatettu tasajännite altistetaan jännitteenjakajan lähtöresistanssille lähtöjännitteen muodostamiseksi. Tätä vastusta ohjataan takaisinkytkentäpiirillä, joka valvoo lähtöjännitteen vaihtelua. |
| Tehokkuus | |
| Lämmöntuotto SMPS:ssä on suhteellisen alhainen, koska kytkentätransistori toimii katkaisu- ja nälkäalueilla. Lähtömuuntajan pieni koko tekee myös lämpöhäviön pieneksi. Siksi tehokkuus on suurempi (85-90 %). | Ylimääräinen teho hajoaa lämpönä, jotta jännite muuttuu vakioksi lineaarisessa teholähteessä. Lisäksi tulomuuntaja on paljon isompi; siten muuntajan häviöt ovat suuremmat. Siksi lineaarisen virtalähteen hyötysuhde on niinkin alhainen kuin 60%. |
| Rakenna | |
| SMPS:n muuntajan koon ei tarvitse olla suuri, koska se toimii korkeataajuuksilla. Siksi muuntajan paino on myös pienempi. Tämän seurauksena SMPS:n koko ja paino ovat paljon pienempiä kuin lineaarisen virtalähteen. | Lineaariset virtalähteet ovat paljon kookkaampia, koska tulomuuntajan on oltava suuri, koska se toimii matalalla taajuudella. Koska jännitesäätimessä syntyy enemmän lämpöä, myös jäähdytyselementtejä tulee käyttää. |
| Kohina- ja jännitevääristymät | |
| SMPS tuottaa korkeataajuista kohinaa kytkennän vuoksi. Tämä siirtyy lähtöjännitteeseen sekä joskus verkkovirtaan. Verkkovirran harmoninen särö voi olla mahdollista myös SMPS:issä. | Lineaariset virtalähteet eivät tuota kohinaa lähtöjännitteessä. Harmoninen särö on paljon pienempi kuin SMPS:n. |
| Sovellukset | |
| SMPS:ää voidaan käyttää kannettavina laitteina pienen rakenteensa vuoksi. Mutta koska se tuottaa korkeataajuista kohinaa, SMPS:itä ei voida käyttää meluherkissä sovelluksissa, kuten RF- ja äänisovelluksissa. | Lineaariset virtalähteet ovat paljon suurempia, eikä niitä voi käyttää kannettavissa laitteissa. Koska ne eivät aiheuta kohinaa ja lähtöjännite on myös puhdas, niitä käytetään useimmissa sähkö- ja elektroniikkatesteissä laboratorioissa. |
Yhteenveto – SMPS vs lineaarinen virtalähde
SMPS- ja Lineaariset virtalähteet ovat kahdenlaisia käytössä olevia tasavirtalähteitä. Keskeinen ero SMPS:n ja lineaarisen virtalähteen välillä on topologiat, joita käytetään jännitteen säätelyyn ja jännitteen alentamiseen. Lineaarinen virtalähde muuttaa alussa vaihtovirran matalaksi jännitteeksi, kun taas SMPS ensin tasaa ja suodattaa verkkovirran vaihtovirran ja vaihtaa sitten suurtaajuiseen vaihtovirtaan ennen alasajoa. Koska muuntajan paino ja koko kasvavat käyttötaajuuden pienentyessä, lineaaristen teholähteiden tulomuuntaja on paljon painavampi ja suurempi toisin kuin SMPS:ssä. Lisäksi, koska jännitteen säätö tapahtuu lämpöhäviöllä vastusten kautta, lineaarisissa teholähteissä tulisi olla jäähdytyselementit, jotka tekevät niistä vielä raskaampia. SMPS:ien säädin ohjaa kytkentätaajuutta lähtöjännitteen ohjaamiseksi. Siksi SMPS:t ovat kooltaan pienempiä ja kevyempiä. Koska lämmöntuotanto SMPS:ssä on pienempi, myös niiden hyötysuhde on suurempi.
Lataa PDF-versio SMPS vs Linear Power Supply
Voit ladata tämän artikkelin PDF-version ja käyttää sitä offline-tarkoituksiin lainaushuomautuksen mukaisesti. Lataa PDF-versio tästä Ero SMPS:n ja lineaarisen virtalähteen välillä.
