Belangrijk verschil - SMPS versus lineaire voeding
De meeste elektronische en elektrische apparaten hebben gelijkspanning nodig om te kunnen functioneren. Deze apparaten, met name elektronische apparaten met geïntegreerde schakelingen, moeten worden voorzien van een betrouwbare, vervormingsvrije gelijkspanning zodat ze kunnen werken zonder storing of verbranding. Het doel van een gelijkstroomvoeding is om schone gelijkspanning aan deze apparaten te leveren. Gelijkstroomvoedingen worden onderverdeeld in lineaire en geschakelde modi, wat de topologieën zijn die nodig zijn om de wisselstroomvoeding om te zetten in soepele gelijkstroom. Lineaire voeding gebruikt een transformator om de AC-netspanning direct naar een gewenst niveau te verlagen, terwijl SMPS AC naar DC omzet met behulp van een schakelapparaat dat helpt om een gemiddelde waarde van het gewenste spanningsniveau te verkrijgen. Dit is het belangrijkste verschil tussen SMPS en lineaire voeding.
Wat is een lineaire voeding?
In een lineaire voeding wordt de netwisselspanning direct omgezet naar een lagere spanning door een step-down transformator. Deze transformator moet een groot vermogen aan aangezien hij werkt op de netfrequentie 50/60Hz. Daarom is deze transformator omvangrijk en groot, waardoor de voeding zwaar en groot is.
Verlaagde spanning wordt dan gelijkgericht en gefilterd om de gelijkspanning te krijgen die nodig is voor de uitgang. Aangezien de spanning op dit niveau kan variëren afhankelijk van de vervormingen van de ingangsspanning, wordt een spanningsregeling uitgevoerd vóór de uitgang. De spanningsregelaar in een lineaire voeding is een lineaire regelaar, meestal een halfgeleiderapparaat dat fungeert als een variabele weerstand. De waarde van de uitgangsweerstand verandert met het vereiste uitgangsvermogen, waardoor de uitgangsspanning constant blijft. De spanningsregelaar werkt dus als een vermogensdissipatie-inrichting. Meestal dissipeert het overtollig vermogen om de spanning constant te maken. Daarom moet de spanningsregelaar grote koellichamen hebben. Hierdoor worden de lineaire voedingen veel zwaarder. Bovendien da alt het rendement van een lineaire voeding als gevolg van vermogensdissipatie door de spanningsregelaar als warmte tot ongeveer 60%.
Lineaire voedingen produceren echter geen elektrische ruis op de uitgangsspanning. Het zorgt voor isolatie tussen de uitgang en ingang vanwege de transformator. Daarom worden lineaire voedingen gebruikt voor hoogfrequente toepassingen zoals radiofrequentieapparaten, audiotoepassingen, laboratoriumtests die een ruisvrije voeding vereisen, signaalverwerking en versterkers.
Figuur 01: Voeding met een lineaire spanningsregelaar
Wat is SMPS?
SMPS (geschakelde voeding) werkt op een schakelend transistorapparaat. In eerste instantie wordt de AC-ingang omgezet in gelijkspanning door een gelijkrichter, zonder de spanning te verminderen, in tegenstelling tot een lineaire voeding. Vervolgens ondergaat de gelijkspanning een hoogfrequente schakeling, meestal door een MOSFET-transistor. Dat wil zeggen, de spanning door de MOSFET wordt in- en uitgeschakeld door het MOSFET Gate-signaal, meestal een pulsbreedte-gemoduleerd signaal van ongeveer 50 kHz (chopper/inverterblok). Na deze hakbewerking wordt de golfvorm een gepulseerd gelijkstroomsignaal. Daarna wordt een step-down transformator gebruikt om de spanning van het hoogfrequente gepulseerde DC-signaal tot het gewenste niveau te verlagen. Ten slotte worden een uitgangsgelijkrichter en een filter gebruikt om de uitgangsgelijkspanning te herstellen.
Figuur 02: Blokdiagram van een SMPS
De spanningsregeling in SMPS gebeurt via een feedbackcircuit dat de uitgangsspanning bewaakt. Als de vermogensbehoefte van de belasting hoog is, heeft de uitgangsspanning de neiging toe te nemen. Deze toename wordt gedetecteerd door het feedbackcircuit van de regelaar en wordt gebruikt om de aan-uit-verhouding van het PWM-signaal te regelen. De gemiddelde signaalspanning verandert dus. Als resultaat wordt de uitgangsspanning geregeld om constant te blijven.
De step-down transformator die in de SMPS wordt gebruikt, werkt met een hoge frequentie; dus het volume en het gewicht van de transformator zijn veel minder dan die van een lineaire voeding. Dit wordt een belangrijke reden voor een SMPS om veel kleiner en lichter te zijn dan zijn lineaire tegenhanger. Bovendien wordt de spanningsregeling gedaan zonder overtollig vermogen als Ohms-verlies of warmte af te voeren. De efficiëntie van de SMPS kan oplopen tot 85-90%.
Tegelijkertijd genereert een SMPS hoogfrequente ruis vanwege de schakelhandeling van de MOSFET. Deze ruis kan worden weerspiegeld in de uitgangsspanning; in sommige geavanceerde en dure modellen wordt deze uitgangsruis echter tot op zekere hoogte verzacht. Bovendien veroorzaakt het schakelen ook elektromagnetische en radiofrequentie-interferentie. Daarom is het vereist om RF-afscherming en EMI-filters te gebruiken in SMPS'en. Daarom zijn SMPS geen geschikte audio- en radiofrequentietoepassingen. Minder geluidsgevoelige apparatuur zoals opladers voor mobiele telefoons, DC-motoren, toepassingen met hoog vermogen, enz. Kunnen worden gebruikt met SMPS'en. Het lichtere en kleinere ontwerp maakt het ook handig om als draagbare apparaten te gebruiken.
Wat is het verschil tussen SMPS en lineaire voeding?
SMPS versus lineaire voeding |
|
| SMPS corrigeert rechtstreeks de netwisselstroom zonder de spanning te verminderen. Vervolgens wordt de geconverteerde DC hoogfrequent geschakeld voor een kleinere transformator om deze te verlagen tot het gewenste spanningsniveau. Ten slotte wordt het hoogfrequente AC-signaal gelijkgericht naar de DC-uitgangsspanning. | Lineaire voeding reduceert de spanning in het begin tot de gewenste waarde door een grotere transformator. Daarna wordt de AC gelijkgericht en gefilterd om de DC-uitgangsspanning te maken. |
| Spanningsregeling | |
| Spanningsregeling wordt gedaan door de schakelfrequentie te regelen. De uitgangsspanning wordt bewaakt door het feedbackcircuit en de variatie van de spanning wordt gebruikt voor de frequentieregeling. | De gelijkgerichte en gefilterde gelijkspanning wordt onderworpen aan een uitgangsweerstand van een spanningsdeler om de uitgangsspanning te maken. Deze weerstand kan worden geregeld door een feedbackcircuit dat de variatie in de uitgangsspanning bewaakt. |
| Efficiëntie | |
| De warmteontwikkeling in SMPS is relatief laag omdat de schakeltransistor werkt in de afsluit- en hongergebieden. Het kleine formaat van de uitgangstransformator maakt het warmteverlies ook klein. Daarom is de efficiëntie hoger (85-90%). | Het overtollige vermogen wordt afgevoerd als warmte om de spanning constant te maken in een lineaire voeding. Bovendien is de ingangstransformator veel omvangrijker; dus transformatorverliezen zijn hoger. Daarom is het rendement van een lineaire voeding slechts 60%. |
| Bouw | |
| De grootte van de transformator van een SMPS hoeft niet groot te zijn, aangezien deze op hoge frequentie werkt. Daarom zal het gewicht van de transformator ook lager zijn. Hierdoor is zowel het formaat als het gewicht van een SMPS veel lager dan van een lineaire voeding. | Lineaire voedingen zijn veel omvangrijker omdat de ingangstransformator groot moet zijn vanwege de lage frequentie waarop deze werkt. Aangezien er meer warmte wordt gegenereerd in een spanningsregelaar, moeten ook koellichamen worden gebruikt. |
| Ruis- en spanningsvervormingen | |
| SMPS genereert een hoogfrequent geluid als gevolg van schakelen. Dit gaat over in de uitgangsspanning en soms ook in het ingangsnet. Harmonische vervorming in het lichtnet kan ook mogelijk zijn in SMPS'en. | Lineaire voedingen produceren geen ruis in de uitgangsspanning. Harmonische vervorming is veel minder dan die van SMPS'en. |
| Toepassingen | |
| SMPS kan worden gebruikt als draagbare apparaten vanwege de kleine constructie. Maar omdat het een hoogfrequente ruis genereert, kunnen SMPS'en niet worden gebruikt voor ruisgevoelige toepassingen zoals RF- en audiotoepassingen. | Lineaire voedingen zijn veel groter en kunnen niet worden gebruikt voor draagbare apparaten. Omdat ze geen ruis genereren en de uitgangsspanning ook schoon is, worden ze gebruikt voor de meeste elektrische en elektronische tests in laboratoria. |
Samenvatting – SMPS versus lineaire voeding
SMPS en lineaire voedingen zijn twee soorten DC-voedingen die in gebruik zijn. Het belangrijkste verschil tussen SMPS en lineaire voeding zijn de topologieën die worden gebruikt voor spanningsregeling en spanningsverlaging. Terwijl de lineaire voeding in het begin wisselstroom omzet naar laagspanning, rectificeert en filtert SMPS eerst de wisselstroom van het lichtnet en schakelt vervolgens over naar een hoogfrequente wisselstroom voordat hij aftreedt. Omdat het gewicht en de grootte van de transformator toenemen naarmate de werkfrequentie afneemt, is de ingangstransformator van de lineaire voedingen veel zwaarder en groter in tegenstelling tot de SMPS. Omdat de spanningsregeling wordt gedaan met warmteafvoer door weerstanden, moeten lineaire voedingen bovendien koellichamen hebben die ze nog zwaarder maken. De regelaar van SMPS'en regelt de schakelfrequentie om de uitgangsspanning te regelen. Daarom zijn SMPS kleiner van formaat en lichter in gewicht. Omdat de warmteontwikkeling in SMPS lager is, is hun efficiëntie ook hoger.
Download PDF-versie van SMPS vs lineaire voeding
U kunt de PDF-versie van dit artikel downloaden en gebruiken voor offline doeleinden volgens de citatienotities. Download hier de PDF-versie. Verschil tussen SMPS en lineaire voeding.
