Βασική διαφορά – SMPS έναντι Γραμμικής τροφοδοσίας
Οι περισσότερες ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές απαιτούν τάση DC για να λειτουργήσουν. Αυτές οι συσκευές, ειδικά ηλεκτρονικές συσκευές με ολοκληρωμένα κυκλώματα, θα πρέπει να τροφοδοτούνται με αξιόπιστη τάση συνεχούς ρεύματος χωρίς παραμόρφωση για να λειτουργούν χωρίς δυσλειτουργία ή καύση. Ο σκοπός ενός τροφοδοτικού DC είναι να παρέχει καθαρή τάση DC σε αυτές τις συσκευές. Τα τροφοδοτικά συνεχούς ρεύματος κατηγοριοποιούνται σε γραμμική και μεταγωγή, που είναι οι τοπολογίες που εμπλέκονται για να μετατρέψουν την τροφοδοσία AC σε ομαλή DC. Το γραμμικό τροφοδοτικό χρησιμοποιεί έναν μετασχηματιστή για να μειώσει απευθείας την τάση δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος σε ένα επιθυμητό επίπεδο, ενώ το SMPS μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα χρησιμοποιώντας μια συσκευή μεταγωγής που βοηθά στη λήψη μιας μέσης τιμής του επιθυμητού επιπέδου τάσης. Αυτή είναι η βασική διαφορά μεταξύ SMPS και γραμμικής τροφοδοσίας.
Τι είναι ένα γραμμικό τροφοδοτικό;
Σε ένα γραμμικό τροφοδοτικό, η τάση εναλλασσόμενου ρεύματος του δικτύου μετατρέπεται σε χαμηλότερη τάση απευθείας από έναν υποβιβαζόμενο μετασχηματιστή. Αυτός ο μετασχηματιστής πρέπει να διαχειρίζεται μεγάλη ισχύ, καθώς λειτουργεί στη συχνότητα δικτύου AC 50/60Hz. Επομένως, αυτός ο μετασχηματιστής είναι ογκώδης και μεγάλος, καθιστώντας το τροφοδοτικό βαρύ και μεγάλο.
Η μειωμένη τάση στη συνέχεια διορθώνεται και φιλτράρεται για να ληφθεί η τάση DC που απαιτείται για την έξοδο. Δεδομένου ότι η τάση σε αυτό το επίπεδο υπόκειται σε ποικίλλει ανάλογα με τις παραμορφώσεις της τάσης εισόδου, γίνεται ρύθμιση τάσης πριν από την έξοδο. Ο ρυθμιστής τάσης σε ένα γραμμικό τροφοδοτικό είναι ένας γραμμικός ρυθμιστής, ο οποίος είναι συνήθως μια συσκευή ημιαγωγών που λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση. Η τιμή αντίστασης εξόδου αλλάζει με την απαίτηση ισχύος εξόδου, καθιστώντας την τάση εξόδου σταθερή. Έτσι, ο ρυθμιστής τάσης λειτουργεί ως συσκευή απαγωγής ισχύος. Τις περισσότερες φορές, διαχέει την υπερβολική ισχύ για να κάνει την τάση σταθερή. Επομένως, ο ρυθμιστής τάσης θα πρέπει να έχει μεγάλες απαγωγές θερμότητας. Ως αποτέλεσμα, τα γραμμικά τροφοδοτικά γίνονται πολύ πιο βαριά. Επιπλέον, ως αποτέλεσμα της απαγωγής ισχύος από τον ρυθμιστή τάσης ως θερμότητα, η απόδοση μιας γραμμικής παροχής ρεύματος πέφτει έως και περίπου 60%.
Ωστόσο, τα γραμμικά τροφοδοτικά δεν παράγουν ηλεκτρικό θόρυβο στην τάση εξόδου. Παρέχει απομόνωση μεταξύ της εξόδου και της εισόδου λόγω του μετασχηματιστή. Επομένως, τα γραμμικά τροφοδοτικά χρησιμοποιούνται για εφαρμογές υψηλής συχνότητας, όπως συσκευές ραδιοσυχνοτήτων, εφαρμογές ήχου, εργαστηριακές δοκιμές που απαιτούν παροχή χωρίς θόρυβο, επεξεργασία σήματος και ενισχυτές.
Εικόνα 01: Τροφοδοτικό με γραμμικό ρυθμιστή τάσης
Τι είναι το SMPS;
Το SMPS (τροφοδοτικό με μεταγωγή) λειτουργεί σε μια συσκευή τρανζίστορ μεταγωγής. Αρχικά, η είσοδος AC μετατρέπεται σε τάση συνεχούς ρεύματος από έναν ανορθωτή, χωρίς να μειώνεται η τάση, σε αντίθεση με μια γραμμική παροχή ρεύματος. Στη συνέχεια, η τάση DC υφίσταται μια εναλλαγή υψηλής συχνότητας, συνήθως από ένα τρανζίστορ MOSFET. Δηλαδή, η τάση μέσω του MOSFET ενεργοποιείται και απενεργοποιείται από το σήμα της πύλης MOSFET, συνήθως ένα σήμα διαμορφωμένο σε πλάτος παλμού περίπου 50 kHz (μπλοκ κοπής/μετατροπέα). Μετά από αυτή τη λειτουργία κοπής, η κυματομορφή γίνεται ένα παλμικό σήμα DC. Μετά από αυτό, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματιστής βαθμιαίας πτώσης για τη μείωση της τάσης του παλμικού σήματος DC υψηλής συχνότητας στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος, ένας ανορθωτής εξόδου και ένα φίλτρο χρησιμοποιούνται για να επαναφέρουν την τάση DC εξόδου.
Εικόνα 02: Διάγραμμα μπλοκ ενός SMPS
Η ρύθμιση της τάσης στο SMPS γίνεται μέσω ενός κυκλώματος ανάδρασης που παρακολουθεί την τάση εξόδου. Εάν η απαίτηση ισχύος του φορτίου είναι υψηλή, η τάση εξόδου τείνει να αυξάνεται. Αυτή η αύξηση ανιχνεύεται από το κύκλωμα ανάδρασης του ρυθμιστή και χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της αναλογίας ενεργοποίησης προς απενεργοποίηση του σήματος PWM. Έτσι, η μέση τάση σήματος αλλάζει. Ως αποτέλεσμα, η τάση εξόδου ελέγχεται ώστε να διατηρείται σταθερή.
Ο μετασχηματιστής υποβάθμισης που χρησιμοποιείται στο SMPS λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα. Έτσι, ο όγκος και το βάρος του μετασχηματιστή είναι πολύ μικρότερα από αυτά ενός γραμμικού τροφοδοτικού. Αυτό γίνεται ο κύριος λόγος για ένα SMPS να είναι πολύ μικρότερο και ελαφρύτερο από το αντίστοιχο γραμμικού τύπου. Επιπλέον, η ρύθμιση της τάσης γίνεται χωρίς να διαχέεται η υπερβολική ισχύς ως ωμική απώλεια ή θερμότητα. Η απόδοση του SMPS φτάνει το 85-90%.
Ταυτόχρονα, ένα SMPS παράγει θόρυβο υψηλής συχνότητας λόγω της λειτουργίας μεταγωγής του MOSFET. Αυτός ο θόρυβος μπορεί να αντανακλάται στην τάση εξόδου. Ωστόσο, σε ορισμένα προηγμένα και ακριβά μοντέλα, αυτός ο θόρυβος εξόδου μετριάζεται σε κάποιο βαθμό. Επιπλέον, η μεταγωγή δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων επίσης. Ως εκ τούτου, απαιτείται η χρήση θωράκισης RF και φίλτρων EMI σε SMPS. Επομένως, τα SMPS δεν είναι κατάλληλες εφαρμογές ήχου και ραδιοσυχνοτήτων. Ο λιγότερο ευαίσθητος στον θόρυβο εξοπλισμός, όπως φορτιστές κινητών τηλεφώνων, κινητήρες συνεχούς ρεύματος, εφαρμογές υψηλής ισχύος κ.λπ. μπορεί να χρησιμοποιηθεί με SMPS. Ο ελαφρύτερος και μικρότερος σχεδιασμός του το καθιστά βολικό να χρησιμοποιείται και ως φορητές συσκευές.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ SMPS και Linear Power Supply;
SMPS vs Γραμμικό τροφοδοτικό |
|
| Το SMPS διορθώνει απευθείας το εναλλασσόμενο ρεύμα χωρίς να μειώνει την τάση. Στη συνέχεια, το μετατρεπόμενο DC ενεργοποιείται σε υψηλή συχνότητα για έναν μικρότερο μετασχηματιστή για να μειωθεί στο επιθυμητό επίπεδο τάσης. Τέλος, το σήμα AC υψηλής συχνότητας διορθώνεται στην τάση εξόδου DC. | Το γραμμικό τροφοδοτικό μειώνει την τάση στην επιθυμητή τιμή στην αρχή από έναν μεγαλύτερο μετασχηματιστή. Μετά από αυτό, το εναλλασσόμενο ρεύμα ανορθώνεται και φιλτράρεται για να γίνει η τάση DC εξόδου. |
| Ρύθμιση τάσης | |
| Η ρύθμιση της τάσης γίνεται με έλεγχο της συχνότητας μεταγωγής. Η τάση εξόδου παρακολουθείται από το κύκλωμα ανάδρασης και η μεταβολή της τάσης χρησιμοποιείται για τον έλεγχο συχνότητας. | Η ανορθωμένη και φιλτραρισμένη τάση συνεχούς ρεύματος υπόκειται σε αντίσταση εξόδου ενός διαιρέτη τάσης για να σχηματιστεί η τάση εξόδου. Αυτή η αντίσταση ελέγχεται από ένα κύκλωμα ανάδρασης που παρακολουθεί τη διακύμανση της τάσης εξόδου. |
| Αποτελεσματικότητα | |
| Η παραγωγή θερμότητας στο SMPS είναι συγκριτικά χαμηλή αφού το τρανζίστορ μεταγωγής λειτουργεί στις περιοχές αποκοπής και πείνας. Το μικρό μέγεθος του μετασχηματιστή εξόδου καθιστά επίσης μικρή την απώλεια θερμότητας. Επομένως, η απόδοση είναι υψηλότερη (85-90%). | Η υπερβολική ισχύς διαχέεται ως θερμότητα για να γίνει η τάση σταθερή σε μια γραμμική παροχή ρεύματος. Επιπλέον, ο μετασχηματιστής εισόδου είναι πολύ πιο ογκώδης. Έτσι, οι απώλειες μετασχηματιστή είναι υψηλότερες. Επομένως, η απόδοση μιας γραμμικής τροφοδοσίας είναι τόσο χαμηλή όσο 60%. |
| Κατασκευή | |
| Το μέγεθος του μετασχηματιστή ενός SMPS δεν χρειάζεται να είναι μεγάλο καθώς λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες. Επομένως, το βάρος του μετασχηματιστή θα είναι επίσης μικρότερο. Ως αποτέλεσμα, το μέγεθος, καθώς και το βάρος ενός SMPS είναι πολύ χαμηλότερο από ένα γραμμικό τροφοδοτικό. | Τα γραμμικά τροφοδοτικά είναι πολύ πιο ογκώδη αφού ο μετασχηματιστής εισόδου πρέπει να είναι μεγάλος λόγω της χαμηλής συχνότητας στην οποία λειτουργεί. Καθώς παράγεται περισσότερη θερμότητα σε έναν ρυθμιστή τάσης, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται και ψύκτρες. |
| Θόρυβος και παραμορφώσεις τάσης | |
| Το SMPS δημιουργεί θόρυβο υψηλής συχνότητας λόγω εναλλαγής. Αυτό περνά στην τάση εξόδου, καθώς και στο δίκτυο εισόδου μερικές φορές. Η αρμονική παραμόρφωση στην τροφοδοσία δικτύου θα μπορούσε επίσης να είναι δυνατή σε SMPS. | Τα γραμμικά τροφοδοτικά δεν παράγουν θόρυβο στην τάση εξόδου. Η αρμονική παραμόρφωση είναι πολύ μικρότερη από αυτή των SMPS. |
| Εφαρμογές | |
| Το SMPS μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορητές συσκευές λόγω της μικρής κατασκευής. Όμως, καθώς παράγει θόρυβο υψηλής συχνότητας, τα SMPS δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές ευαίσθητες στον θόρυβο, όπως εφαρμογές RF και ήχου. | Τα γραμμικά τροφοδοτικά είναι πολύ μεγαλύτερα και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για φορητές συσκευές. Δεδομένου ότι δεν παράγουν θόρυβο και η τάση εξόδου είναι επίσης καθαρή, χρησιμοποιούνται για τις περισσότερες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές δοκιμές στα εργαστήρια. |
Σύνοψη – SMPS vs Γραμμικό Τροφοδοτικό
Τα SMPS και τα γραμμικά τροφοδοτικά είναι δύο τύποι τροφοδοτικών συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται. Η βασική διαφορά μεταξύ SMPS και γραμμικής τροφοδοσίας είναι οι τοπολογίες που χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της τάσης και την πτώση τάσης. Ενώ το γραμμικό τροφοδοτικό μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε χαμηλή τάση στην αρχή, το SMPS πρώτα διορθώνει και φιλτράρει το εναλλασσόμενο ρεύμα και στη συνέχεια μεταβαίνει σε εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας πριν αποχωρήσει. Δεδομένου ότι το βάρος και το μέγεθος του μετασχηματιστή αυξάνονται όσο μειώνεται η συχνότητα λειτουργίας, ο μετασχηματιστής εισόδου των γραμμικών τροφοδοτικών είναι πολύ βαρύτερος και μεγαλύτερος σε αντίθεση με το SMPS. Επιπλέον, καθώς η ρύθμιση της τάσης γίνεται με απαγωγή θερμότητας μέσω αντιστάσεων, τα γραμμικά τροφοδοτικά θα πρέπει να έχουν ψύκτες θερμότητας που να τα κάνουν ακόμα πιο βαριά. Ο ρυθμιστής των SMPS ελέγχει τη συχνότητα μεταγωγής για τον έλεγχο της τάσης εξόδου. Επομένως, τα SMPS είναι μικρότερα σε μέγεθος και ελαφρύτερα σε βάρος. Καθώς η παραγωγή θερμότητας στο SMPS είναι χαμηλότερη, η απόδοσή τους είναι επίσης υψηλότερη.
Λήψη έκδοσης PDF του SMPS vs Linear Power Supply
Μπορείτε να κατεβάσετε την έκδοση PDF αυτού του άρθρου και να τη χρησιμοποιήσετε για σκοπούς εκτός σύνδεσης σύμφωνα με τις σημειώσεις παραπομπών. Κάντε λήψη της έκδοσης PDF εδώ Διαφορά μεταξύ SMPS και γραμμικής τροφοδοσίας.
