nyckelskillnad – SMPS vs linjär strömförsörjning
De flesta elektroniska och elektriska enheter kräver DC-spänning för att fungera. Dessa enheter, särskilt elektroniska enheter med integrerade kretsar, bör förses med en tillförlitlig, distorsionsfri DC-spänning för att de ska fungera utan att fungera fel eller brinna. Syftet med en DC-strömförsörjning är att leverera ren DC-spänning till dessa enheter. DC-strömförsörjningar är kategoriserade i linjärt och switchat läge, vilket är de topologier som är involverade för att göra AC-nätförsörjningen till jämn DC. Linjär strömförsörjning använder en transformator för att direkt stega ner AC-nätspänningen till en önskad nivå medan SMPS omvandlar AC till DC med hjälp av en omkopplingsenhet som hjälper till att erhålla ett medelvärde av den önskade spänningsnivån. Detta är den viktigaste skillnaden mellan SMPS och linjär strömförsörjning.
Vad är en linjär strömförsörjning?
I en linjär strömförsörjning omvandlas nätspänningen till en lägre spänning direkt av en transformator. Denna transformator måste klara en stor effekt eftersom den arbetar på AC-nätfrekvensen 50/60Hz. Därför är denna transformator skrymmande och stor, vilket gör strömförsörjningen tung och stor.
Nedtrappad spänning likriktas sedan och filtreras för att få den DC-spänning som krävs för utgången. Eftersom spänningen på denna nivå utsätts för att variera beroende på distorsionen av inspänningen görs en spänningsreglering före utgången. Spänningsregulatorn i en linjär strömkälla är en linjär regulator, som vanligtvis är en halvledarenhet som fungerar som ett variabelt motstånd. Utgångsresistansvärdet ändras med utgångseffektbehovet, vilket gör utspänningen konstant. Sålunda fungerar spänningsregulatorn som en effektavledningsanordning. För det mesta avleder den överskottseffekt för att göra spänningen konstant. Därför bör spänningsregulatorn ha stora kylflänsar. Som ett resultat blir de linjära nätaggregaten mycket tyngre. Dessutom, som ett resultat av effektförlust av spänningsregulatorn som värme, sjunker effektiviteten hos en linjär strömförsörjning så mycket som cirka 60%.
Linjär strömförsörjning producerar dock inte elektriskt brus på utspänningen. Det ger isolering mellan utgång och ingång på grund av transformatorn. Därför används linjär strömförsörjning för högfrekventa applikationer som radiofrekvensenheter, ljudapplikationer, laboratorietester som kräver brusfri tillförsel, signalbehandling och förstärkare.
Figur 01: Strömförsörjning med linjär spänningsregulator
Vad är SMPS?
SMPS (strömförsörjning med switchat läge) fungerar på en switchande transistorenhet. Till en början omvandlas AC-ingången till DC-spänning av en likriktare, utan att spänningen reduceras, till skillnad från i en linjär strömförsörjning. Sedan genomgår DC-spänningen en högfrekvensomkoppling, typiskt av en MOSFET-transistor. Dvs spänningen genom MOSFET slås på och av av MOSFET-portsignal, vanligtvis en pulsbreddsmodulerad signal på cirka 50 kHz (chopper/växelriktarblock). Efter denna hackningsoperation blir vågformen en pulserad DC-signal. Därefter används en nedtrappningstransformator för att minska spänningen på den högfrekventa pulserade DC-signalen till önskad nivå. Slutligen används en utgångslikriktare och ett filter för att återställa den utgående likspänningen.
Figur 02: Blockdiagram för en SMPS
Spänningsregleringen i SMPS görs via en återkopplingskrets som övervakar utspänningen. Om effektbehovet för lasten är högt tenderar utspänningen att öka. Detta inkrement detekteras av regulatorns återkopplingskrets och används för att styra på-till-av-förhållandet för PWM-signalen. Således ändras medelsignalspänningen. Som ett resultat styrs utspänningen så att den hålls konstant.
Den nedtrappande transformatorn som används i SMPS arbetar med en hög frekvens; sålunda är transformatorns volym och vikt mycket mindre än för en linjär strömkälla. Detta blir en viktig anledning till att en SMPS är mycket mindre och lättare än sin motsvarighet av linjär typ. Dessutom görs spänningsregleringen utan att avleda överskottseffekt som ohmsk förlust eller värme. Effektiviteten för SMPS blir så hög som 85-90%.
Samtidigt genererar en SMPS högfrekvent brus på grund av växlingsoperationen av MOSFET. Detta brus kan reflekteras i utspänningen; I vissa avancerade och dyra modeller dämpas dock detta utgående brus till viss del. Dessutom skapar omkopplingen även elektromagnetisk och radiofrekvent störning. Därför är det nödvändigt att använda RF-skärmning och EMI-filter i SMPS. Därför är SMPS inte lämpliga ljud- och radiofrekvensapplikationer. Mindre bruskänslig utrustning som mobiltelefonladdare, DC-motorer, högeffektapplikationer etc. kan användas med SMPS. Den är lättare och mindre design gör den bekväm att även användas som bärbara enheter.
Vad är skillnaden mellan SMPS och linjär strömförsörjning?
SMPS vs linjär strömförsörjning |
|
| SMPS likriktar växelström direkt utan att minska spänningen. Därefter kopplas den konverterade DC in högfrekvent för en mindre transformator för att minska den till önskad spänningsnivå. Slutligen likriktas den högfrekventa AC-signalen till DC-utgångsspänningen. | Linjär strömförsörjning minskar spänningen till önskat värde i början med en större transformator. Därefter likriktas växelströmmen och filtreras för att göra utgående likspänning. |
| Voltage Regulation | |
| Spänningsreglering görs genom att styra omkopplingsfrekvensen. Utspänningen övervakas av återkopplingskretsen och spänningsvariationen används för frekvensstyrningen. | Den likriktade och filtrerade DC-spänningen utsätts för ett utgångsmotstånd från en spänningsdelare för att skapa utspänningen. Detta motstånd kan styras av en återkopplingskrets som övervakar utgångsspänningsvariationen. |
| Effektivitet | |
| Värmegenereringen i SMPS är jämförelsevis låg eftersom omkopplingstransistorn arbetar i avstängnings- och svältområdena. Den lilla storleken på utgångstransformatorn gör också att värmeförlusten är liten. Därför är effektiviteten högre (85-90%). | Överskottseffekten avleds som värme för att göra spänningen konstant i en linjär strömkälla. Dessutom är ingångstransformatorn mycket skrymmande; sålunda är transformatorförlusterna högre. Därför är effektiviteten för en linjär strömförsörjning så låg som 60%. |
| Build | |
| Transformatorstorleken på en SMPS behöver inte vara stor eftersom den arbetar med hög frekvens. Därför blir vikten på transformatorn också mindre. Som ett resultat är storleken och vikten av en SMPS mycket lägre än en linjär strömkälla. | Linjära nätaggregat är mycket skrymmande eftersom ingångstransformatorn måste vara stor på grund av den låga frekvensen den arbetar på. Eftersom mer värme genereras i en spänningsregulator, bör även kylflänsar användas. |
| Brus och spänningsförvrängningar | |
| SMPS genererar ett högfrekvent brus på grund av omkoppling. Detta går över till utgångsspänningen, såväl som till ingångsnätet ibland. Övertonsförvrängning i nätström kan också vara möjlig i SMPS. | Linjära nätaggregat producerar inte brus i utspänningen. Harmonisk distorsion är mycket mindre än för SMPS. |
| Applications | |
| SMPS kan användas som bärbara enheter på grund av den lilla konstruktionen. Men eftersom det genererar ett högfrekvent brus, kan SMPS:er inte användas för bruskänsliga applikationer som RF- och ljudapplikationer. | Linjära nätaggregat är mycket större och kan inte användas för bärbara enheter. Eftersom de inte genererar brus och utgångsspänningen också är ren, används de för de flesta elektriska och elektroniska tester i laboratorier. |
Sammanfattning – SMPS vs linjär strömförsörjning
SMPS och linjära nätaggregat är två typer av likströmsaggregat som används. Den viktigaste skillnaden mellan SMPS och linjär strömförsörjning är topologierna som används för spänningsreglering och spänningsavtrappning. Medan den linjära strömförsörjningen omvandlar växelström till lågspänning i början, likriktar och filtrerar SMPS först växelströmmen och växlar sedan till högfrekvent växelström innan den går ner. Eftersom transformatorns vikt och storlek ökar när driftsfrekvensen minskar, är de linjära nätaggregatens ingångstransformator mycket tyngre och större till skillnad från SMPS. Dessutom, eftersom spänningsregleringen sker med värmeavledning genom resistanser, bör linjära nätaggregat ha kylflänsar som gör dem ännu tyngre. Regulatorn för SMPSs styr växlingsfrekvensen för att styra utspänningen. Därför är SMPS mindre i storlek och lättare i vikt. Eftersom värmegenereringen i SMPS är lägre är deras effektivitet också högre.
Ladda ner PDF-version av SMPS vs linjär strömförsörjning
Du kan ladda ner PDF-versionen av den här artikeln och använda den för offlineändamål enligt citat. Ladda ner PDF-versionen här Skillnaden mellan SMPS och linjär strömförsörjning.
