Lineární vs. spínané napájecí zdroje: Jaký je mezi nimi rozdíl?

Je pravděpodobné, že každý den používáte chytrý telefon, notebook nebo osobní počítač. Tato elektronická zařízení používají k provozu stejnosměrný proud (DC). Protože jsou však domácnosti obvykle napájeny střídavým proudem (AC) vysokého napětí, budete muset snížit napětí a převést AC na DC pomocí zdroje energie, jako je napájecí zdroj nebo nabíječka.

Nejběžnějšími napájecími zdroji používanými v současnosti jsou lineární a spínané zdroje. Vědět, který z nich použít pro konkrétní aplikace, zajistí bezpečnost a optimální výkon vaší elektroniky.

Pokračujte ve čtení níže, kde najdete srovnání lineárních a spínaných napájecích zdrojů.

Co jsou lineární a spínané napájecí zdroje?

Lineární a spínané napájecí zdroje jsou elektrická zařízení používaná k napájení a nabíjení elektronických zařízení stejnosměrného proudu. Tato zařízení mají za úkol dělat dva věci: snižovat napětí a převádět střídavý proud na stejnosměrný. I když obě zařízení snižují a usměrňují výkon, rozdíly ve způsobu, jakým tyto úkoly plní, je činí vhodnějšími pro určité aplikace.

Zdroj obrázku: Stefan Ridgeway/Flickr

Lineární napájecí zdroj je zařízení používané v tichých a přesných operacích. Použití těžkých transformátorů a analogových filtrů umožňuje tomuto zdroji dodávat čisté napětí na úkor nízké účinnosti, větší hmotnosti a větších rozměrů. Lineární napájecí zdroje se nejlépe používají v záznamových zařízeních, elektrických hudebních nástrojích, lékařských zařízeních a vysoce přesných laboratorních měřicích přístrojích.

Obrazový kredit: Faculteitsbibliotheek Letteren & Wijsbegeerte/ Flickr

Spínaný zdroj neboli SMPS se používá pro vysoce účinný provoz s vysokým proudem. Na rozdíl od lineárních zdrojů používají spínané zdroje polovodičové součástky k modulaci a regulaci vstupního napětí. Tyto zdroje se spoléhají na vysokofrekvenční spínání pomocí výkonových tranzistorů, díky čemuž jsou hlučné, ale zároveň velmi energeticky účinné, lehké a kompaktní. Spínané zdroje se často používají v počítačích, nabíječkách telefonů, výrobních zařízeních a mnoha nízkonapěťových elektronických zařízeních.

Jak funguje lineární napájecí zdroj

Lineární napájecí zdroje, které byly dostupné v 50. letech XNUMX. století a využívaly čistě analogové součástky, musely spoléhat na těžké výkonové transformátory a objemné elektrolytické kondenzátory pro snižování a usměrňování napětí. Ačkoli se tranzistory v té době již hromadně vyráběly, vysoké střídavé napětí jednoduše generovalo příliš mnoho tepla, které tranzistory nezvládaly.

Zde je schéma lineárního napájecího zdroje:

Lineární napájecí zdroj pracuje ve třech fázích:

Krok 1: Snižte vstupní vysoké střídavé napětí pomocí transformátoru.

Krok 2: Snížené napětí poté prochází můstkovým usměrňovačem, který usměrňuje střídavé napětí na pulzující stejnosměrné napětí.

Krok 3: Pulzující stejnosměrné signály procházejí filtrem sestávajícím z induktorů a kondenzátorů. Tento vyhlazovací filtr eliminuje fluktuace pulzujícího stejnosměrného signálu, což je činí vhodnými pro použití v citlivých elektronických zařízeních.

Jak funguje spínaný napájecí zdroj?

Spínané napájecí zdroje jsou složitá zařízení, která používají polovodičové součástky k přepínání výkonu při vysokých frekvencích a menší transformátor s feritovým jádrem. Tyto typy napájecích zdrojů mohou zvyšovat a snižovat napětí pomocí stejnosměrné zpětnovazební smyčky pro řízení výstupního napětí.

Zde je návod, jak fungují:

Krok 1Vysokonapěťový střídavý proud vstupuje do napájecího zdroje přes ochranný modul obvodu, který se skládá z pojistky a EMC filtru. Pojistka je navržena tak, aby chránila před přepětím, a EMC filtr chrání obvod před pulzacemi signálu pocházejícími z nefiltrovaného střídavého proudu.

Krok 2: Jakmile je obvod dobře chráněn, prochází vysokonapěťový střídavý proud druhým modulem, který se skládá z můstkového usměrňovače a vyhlazovacího kondenzátoru. Můstkový usměrňovač převádí střídavý proud na pulzující stejnosměrný proud, který je následně vyhlazován kondenzátorem.

Krok 3: Vysokonapěťový stejnosměrný proud je poté odeslán přes PWM ovladač, který na základě zpětné vazby řídí výkonový MOSFET, jenž reguluje napětí pomocí vysokofrekvenčního přepínání. Toto přepínání také převádí stejnosměrný proud na obdélníkový.

Krok 4: Stejnosměrný obdélníkový signál nyní vstupuje do feritového transformátoru, který převádí signály zpět na obdélníkové vlny střídavého proudu.

Krok 5Obdélníkové střídavé vlny procházejí můstkovým usměrňovačem, který převádí signál na pulzující stejnosměrný proud a poté jej prochází vyhlazovacím filtrem. Konečný výstup se poté používá k odeslání signálů do PWM budiče, který tvoří zpětnovazební smyčku regulující výstupní napětí.

Lineární vs. spínané napájecí zdroje

Existuje několik důvodů, proč se zdroj napájení volí pro použití v konkrétní aplikaci. Mezi ně často patří účinnost, hlučnost, spolehlivost a opravitelnost, velikost a hmotnost a cena. Nyní, když máte základní představu o tom, jak fungují, se podíváme, jak způsob, jakým nakládají s energií, ovlivňuje jejich výkon a použitelnost v konkrétních aplikacích.

Účinnost

Protože elektřina musí procházet řadou elektrických a elektronických součástek, proces usměrňování a regulace napětí bude vždy neefektivní. Ale do jaké míry?

V závislosti na jmenovitém výkonu mohou mít spínané napájecí zdroje účinnost 80–92 %. To znamená, že vaše zařízení dokáže dodat 80–92 % výkonu, který do něj vložíte. Jejich účinnost je dána použitím menších a účinnějších součástek, které regulují napětí přepínáním nízkého napětí na vysokou frekvenci.

Naproti tomu lineární napájecí zdroj může být energeticky účinný pouze z 50–60 % kvůli použití větších a méně účinných komponent.

Šum a pulzace signálu

Navzdory své neefektivitě lineární napájecí zdroje vynahrazují svou neefektivitu tím, že produkují stabilní, čistý a nízkošumový výstupní signál. Použití analogových součástek v lineárních napájecích zdrojích jim umožňuje plynule a bez přepínání zpracovávat elektřinu, což má za následek nízké zvlnění nebo šum na výstupu.

Na druhou stranu, spínané zdroje se spoléhají na vysokofrekvenční spínání s nízkým napětím, aby se snížilo zahřívání, zvýšila účinnost a vytvořilo se velké množství šumu! Množství šumového signálu závisí na konstrukci a kvalitě konkrétního spínaného zdroje.

Velikost a hmotnost

Velikost a hmotnost napájecího zdroje může výrazně ovlivnit jeho použití v malých elektronických zařízeních. Vzhledem k tomu, že lineární napájecí zdroje používají těžké a objemné součástky, je jejich použití v nenápadných elektronických zařízeních nemožné, pokud nepoužíváte zdroj jako nabíječku.

Pokud jde o spínané zdroje, protože používají malé a lehké součástky, mohou být navrženy tak, aby byly dostatečně kompaktní pro integraci do menších zařízení. Nízká hmotnost a malé rozměry spínaného zdroje v kombinaci s jeho energetickou účinností jej činí vhodným pro drtivou většinu přenosných elektronických zařízení.

Spolehlivost a udržovatelnost

Díky menšímu počtu součástek, které se mohou během provozu rozbít, poskytují lineární napájecí zdroje stabilní a spolehlivý výstupní výkon. Jednoduchost konstrukce a použití běžnějších elektronických součástek usnadňují vyhledávání dílů a opravy lineárních zdrojů.

Díky výrazně citlivějším součástkám je u spínaných napájecích zdrojů větší pravděpodobnost, že selžou dříve než u lineárních napájecích zdrojů. Dobrý návrh a použití kvalitních součástek však mohou učinit spínané napájecí zdroje velmi spolehlivými, možná dokonce stejně spolehlivými jako lineární napájecí zdroje. Skutečným problémem spínaných napájecích zdrojů je, že čím složitější je jejich konstrukce, tím obtížnější je jejich oprava.

Cenově efektivní

V minulosti byly lineární napájecí zdroje ekonomičtějšími zařízeními díky své jednoduché konstrukci a použití menšího počtu součástek. Nepomohlo ani to, že výroba polovodičových součástek byla drahá. Vzhledem k vysoké poptávce po polovodičích však byli výrobci schopni zvětšit výrobu a exponenciálně zlevnit polovodičové součástky než dříve. Díky tomu je mnoho konstrukcí spínaných napájecích zdrojů ekonomičtějších než lineární napájecí zdroje.

Použití vhodného zdroje napájení

To je vše, co potřebujete vědět o lineárních a spínaných napájecích zdrojích. Abyste ochránili svá elektronická zařízení, vždy používejte originální nabíječky, které byly dodány s vaším zařízením, ale pokud žádnou nemáte, můžete si vždy koupit napájecí adaptér.

Před nákupem nezapomeňte, že lineární napájecí zdroje jsou ideální pro elektroniku používanou v přesných aplikacích, jako jsou elektrické hudební nástroje, rádia a lékařské přístroje, zatímco spínané zdroje se používají pro vysoce účinné situace, jako jsou napájecí zdroje počítačů, nabíječky baterií a svítidla.