Differenza tra SMPS e alimentazione lineare

Differenza chiave - SMPS vs Alimentazione lineare
 

La maggior parte dei dispositivi elettronici ed elettrici richiede la tensione continua per funzionare. Questi dispositivi, in particolare i dispositivi elettronici con circuiti integrati, devono essere forniti con una tensione DC affidabile e priva di distorsioni per consentire loro di funzionare senza malfunzionamenti o masterizzazione. Lo scopo di un alimentatore CC è di fornire una tensione continua pulita a questi dispositivi. Gli alimentatori CC sono classificati in modalità lineare e commutata, ovvero le topologie coinvolte per rendere l'alimentazione di rete CA in CC senza problemi. L'alimentatore lineare utilizza un trasformatore per abbassare direttamente la tensione di rete CA in un livello desiderato mentre SMPS converte CA in CC utilizzando un dispositivo di commutazione che consente di ottenere un valore medio del livello di tensione desiderato. Questa è la differenza chiave tra SMPS e alimentazione lineare.

CONTENUTO

1. Panoramica e differenza chiave
2. Cos'è l'alimentazione elettrica lineare
3. Cos'è SMPS
4. Confronto affiancato - SMPS vs Alimentazione lineare in forma tabulare
5. Sommario

Che cos'è un alimentatore lineare?

In un alimentatore lineare, la tensione CA di rete viene convertita in una tensione inferiore direttamente da un trasformatore step-down. Questo trasformatore deve gestire una grande potenza poiché funziona alla frequenza di rete CA 50 / 60Hz. Pertanto, questo trasformatore è ingombrante e di grandi dimensioni, rendendo l'alimentatore pesante e grande.

La tensione ridotta viene quindi rettificata e filtrata per ottenere la tensione CC necessaria per l'uscita. Poiché la tensione a questo livello è soggetta a variare a seconda delle distorsioni della tensione di ingresso, viene eseguita una regolazione della tensione prima dell'uscita. Il regolatore di tensione in un alimentatore lineare è un regolatore lineare, che di solito è un dispositivo a semiconduttore che funge da resistenza variabile. Il valore della resistenza di uscita cambia con il fabbisogno di potenza in uscita, rendendo costante la tensione di uscita. Pertanto, il regolatore di tensione funziona come un dispositivo di dissipazione di potenza. Il più delle volte, dissipa la potenza in eccesso per rendere costante la tensione. Pertanto, il regolatore di tensione dovrebbe avere grandi dissipatori di calore. Di conseguenza, gli alimentatori lineari diventano molto più pesanti. Inoltre, a causa della dissipazione di potenza del regolatore di tensione come calore, l'efficienza di un alimentatore lineare scende di circa il 60%.

Tuttavia, gli alimentatori lineari non producono disturbi elettrici sulla tensione di uscita. Fornisce isolamento tra l'output e l'input a causa del trasformatore. Pertanto, gli alimentatori lineari vengono utilizzati per applicazioni ad alta frequenza come dispositivi a radiofrequenza, applicazioni audio, test di laboratorio che richiedono alimentazione senza disturbi, elaborazione del segnale e amplificatori.

Figura 01: alimentatore con un regolatore di tensione lineare

Cos'è SMPS?

SMPS (alimentatore switching) funziona su un dispositivo a transistor di commutazione. Inizialmente, l'ingresso CA viene convertito in tensione continua da un raddrizzatore, senza ridurre la tensione, diversamente da un alimentatore lineare. Quindi la tensione continua subisce una commutazione ad alta frequenza, tipicamente da un transistor MOSFET. Cioè, la tensione attraverso il MOSFET viene attivata e disattivata dal segnale MOSFET Gate, di solito un segnale modulato in larghezza dell'impulso di circa 50 kHz (blocco chopper / inverter). Dopo questa operazione di triturazione, la forma d'onda diventa un segnale DC-pulsato. Successivamente, viene utilizzato un trasformatore step-down per ridurre la tensione del segnale DC pulsato ad alta frequenza al livello desiderato. Infine, un raddrizzatore di uscita e un filtro vengono utilizzati per ripristinare la tensione DC in uscita.

Figura 02: Schema a blocchi di un SMPS

La regolazione della tensione in SMPS avviene tramite un circuito di retroazione che monitora la tensione di uscita. Se il fabbisogno di potenza del carico è elevato, la tensione di uscita tende ad aumentare. Questo incremento viene rilevato dal circuito di retroazione del regolatore e viene utilizzato per controllare il rapporto on-off del segnale PWM. Pertanto, la tensione media del segnale cambia. Di conseguenza, la tensione di uscita viene controllata per mantenere costante.

Il trasformatore step-down utilizzato nel SMPS funziona ad alta frequenza; quindi, il volume e il peso del trasformatore sono molto inferiori a quelli di un alimentatore lineare. Questo diventa il motivo principale per cui un SMPS è molto più piccolo e leggero della sua controparte di tipo lineare. Inoltre, la regolazione della tensione avviene senza dissipare l'eccesso di potenza come perdita o calore di Ohmic. L'efficienza di SMPS arriva fino all'85-90%.

Allo stesso tempo, un SMPS genera rumore ad alta frequenza a causa dell'operazione di commutazione del MOSFET. Questo rumore può essere riflesso nella tensione di uscita; tuttavia, in alcuni modelli avanzati e costosi, questo rumore di uscita è in parte attenuato. Inoltre, la commutazione crea anche interferenze elettromagnetiche e di radiofrequenza. Quindi, è necessario utilizzare la schermatura RF e i filtri EMI negli SMPS. Pertanto, gli SMPS non sono adatti alle applicazioni audio e di radiofrequenza. È possibile utilizzare meno apparecchiature sensibili al rumore come caricabatterie per cellulari, motori CC, applicazioni ad alta potenza, ecc. Con gli SMPS. Il suo design più leggero e più piccolo lo rende comodo da utilizzare anche come dispositivo portatile.

Qual è la differenza tra SMPS e alimentazione lineare?

SMPS vs Alimentazione lineare
L'SMPS rettifica direttamente la rete CA senza ridurre la tensione. Quindi la CC convertita viene commutata in alta frequenza per un trasformatore più piccolo per ridurla al livello di tensione desiderato. Infine, il segnale AC ad alta frequenza viene raddrizzato alla tensione di uscita CC.	L'alimentazione lineare riduce la tensione al valore desiderato all'inizio da un trasformatore più grande. Successivamente, l'AC viene raddrizzata e filtrata per rendere la tensione DC in uscita.
Regolazione del voltaggio
La regolazione della tensione viene eseguita controllando la frequenza di commutazione. La tensione di uscita viene monitorata dal circuito di retroazione e la variazione di tensione viene utilizzata per il controllo di frequenza.	La tensione continua raddrizzata e filtrata viene sottoposta a una resistenza di uscita di un partitore di tensione per realizzare la tensione di uscita. Questa resistenza è controllabile da un circuito di retroazione che monitora la variazione della tensione di uscita.
Efficienza
La generazione di calore in SMPS è relativamente bassa poiché il transistor di commutazione opera nelle regioni di interruzione e di interruzione. Le ridotte dimensioni del trasformatore di uscita riducono anche la perdita di calore. Pertanto, l'efficienza è più elevata (85-90%).	L'eccesso di potenza viene dissipato come calore per rendere la tensione costante in un alimentatore lineare. Inoltre, il trasformatore di ingresso è molto più voluminoso; quindi, le perdite del trasformatore sono più alte. Pertanto, l'efficienza di un alimentatore lineare è pari al 60%.
Costruire
La dimensione del trasformatore di un SMPS non deve essere grande in quanto opera in alta frequenza. Pertanto, anche il peso del trasformatore sarà inferiore. Di conseguenza, le dimensioni e il peso di un SMPS sono molto inferiori a un alimentatore lineare.	Gli alimentatori lineari sono molto più voluminosi poiché il trasformatore di ingresso deve essere grande a causa della bassa frequenza su cui opera. Poiché viene generato più calore in un regolatore di tensione, anche i dissipatori di calore dovrebbero essere usati.
Distorsioni di rumore e tensione
SMPS genera un rumore ad alta frequenza a causa della commutazione. Questo passa alla tensione di uscita, oltre che alla rete di alimentazione a volte. La distorsione armonica nell'alimentazione di rete potrebbe essere possibile anche negli SMPS.	Gli alimentatori lineari non producono rumore nella tensione di uscita. La distorsione armonica è molto inferiore a quella degli SMPS.
applicazioni
Gli SMPS possono essere utilizzati come dispositivi portatili a causa della piccola build. Tuttavia, poiché genera un rumore ad alta frequenza, gli SMPS non possono essere utilizzati per applicazioni sensibili al rumore come applicazioni RF e audio.	Gli alimentatori lineari sono molto più grandi e non possono essere utilizzati per dispositivi portatili. Poiché non generano rumore e anche la tensione di uscita è pulita, vengono utilizzate per la maggior parte dei test elettrici ed elettronici nei laboratori.

Riepilogo: SMPS vs Alimentazione lineare

Gli alimentatori SMPS e Linear sono due tipi di alimentatori CC in uso. La differenza fondamentale tra SMPS e alimentazione lineare è rappresentata dalle topologie utilizzate per la regolazione della tensione e l'abbassamento della tensione. Mentre l'alimentatore lineare converte la corrente alternata in bassa tensione all'inizio, SMPS dapprima rettifica e filtra la rete CA e quindi passa a una CA ad alta frequenza prima di scendere. Poiché il peso e le dimensioni del trasformatore aumentano al diminuire della frequenza operativa, il trasformatore di ingresso degli alimentatori lineari è molto più pesante e più grande a differenza degli SMPS. Inoltre, poiché la regolazione della tensione viene eseguita con dissipazione del calore attraverso le resistenze, gli alimentatori lineari dovrebbero avere dissipatori di calore che li rendono ancora più pesanti. Il regolatore di SMPS controlla la frequenza di commutazione per controllare la tensione di uscita. Pertanto, gli SMPS sono di dimensioni più piccole e di peso inferiore. Poiché la generazione di calore negli SMPS è inferiore, anche la loro efficienza è maggiore.

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Riferimento:

1. "Alimentatori lineari e regolatori". Riparazioni elettroniche e notizie tecnologiche. N., n. web. Disponibile qui. 14 giugno 2017.
2. "Alimentatore switching". Wikipedia. Wikimedia Foundation, 17 maggio 2017. Web. Disponibile qui. 14 giugno 2017.

Cortesia dell'immagine:

1. "Alimentazione con regolatore di tensione lineare" tramite CLI - Opera propria, dominio pubblico) tramite Commons Wikimedia
2. "Schema a blocchi SMPS" di IE su Wikipedia in inglese - Trasferito da en.wikipedia a Commons da Dcirovic., Public Domain) via Commons Wikimedia