Pravděpodobně denně používáte smartphone, notebook nebo osobní počítač. Tato elektronická zařízení používají k práci stejnosměrný proud (DC). Protože jsou však domácnosti běžně napájeny vysokonapěťovými střídavými proudy (AC), budete potřebovat snížit napětí a převést střídavý proud na stejnosměrný pomocí napájecího zdroje, jako je napájecí kostka nebo nabíječka.
Nejběžnější dnes používané zdroje jsou lineární a spínané zdroje. Vědět, který z nich použít pro konkrétní aplikace, zajistí, že vaše elektronika bude v bezpečí a bude fungovat optimálně.
Pokračujte ve čtení níže pro srovnání mezi lineárními a spínanými napájecími zdroji.
Co jsou lineární a spínané napájecí zdroje?
Lineární a spínané napájecí zdroje jsou elektrická zařízení používaná k napájení a nabíjení stejnosměrných elektronických zařízení. Tato zařízení mají za úkol dělat dvě věci: snížit napětí a převést střídavý proud na stejnosměrný. Přestože obě zařízení snižují a usměrňují výkon, rozdíl v tom, jak tyto úkoly dosahují, je činí vhodnějšími pro určité aplikace.
Lineární napájecí zdroj je zařízení používané v nízkošumových a přesných provozech. Jeho použití těžkých transformátorů a analogových filtrů umožňuje tomuto napájecímu zdroji vydávat čisté napětí za cenu nízké účinnosti, vyšší hmotnosti a větší velikosti. Lineární napájecí zdroje se nejlépe používají v záznamových zařízeních, elektrické hudební nástroje, lékařské vybavení a vysoce přesné laboratorní měřicí nástroje.
Spínaný nebo spínaný napájecí zdroj (SMPS) se používá pro vysoce účinné a vysokoproudé operace. Na rozdíl od lineárních napájecích zdrojů využívají spínané zdroje použití polovodičových komponent k modulaci a regulaci vstupního napětí. Tyto napájecí zdroje spoléhají na vysokofrekvenční spínání pomocí výkonových tranzistorů, díky čemuž jsou hlučné, ale vysoce výkonné, lehké a kompaktní. Spínané napájecí zdroje se často používají v počítačích, nabíječkách telefonů, výrobních zařízeních a mnoha nízkonapěťových elektronických zařízeních.
Jak funguje lineární napájecí zdroj
Při použití čistě analogových komponent dostupných v 50. letech se lineární napájecí zdroje musely spoléhat na těžké výkonové transformátory a objemné elektrolytické kondenzátory, aby snižovaly a usměrňovaly napětí. Přestože se tranzistory již tehdy masově vyráběly, vysoké střídavé napětí prostě produkovalo příliš mnoho tepla, než aby je tranzistory zvládly.
Zde je schéma lineárního napájecího zdroje:
Lineární napájecí zdroj pracuje ve třech krocích:
Krok 1: Snižte vstupní vysoké střídavé napětí pomocí transformátoru.
Krok 2: Snížené napětí pak prochází celomůstkovým usměrňovačem, který usměrňuje střídavé napětí na pulzující stejnosměrná napětí.
Krok 3: Pulzující signály stejnosměrného napětí procházejí filtrem složeným z induktorů a kondenzátorů. Tento vyhlazovací filtr odstraňuje kolísání signálu pulzujícího stejnosměrného napětí, takže je použitelný pro citlivá elektronická zařízení.
Jak funguje spínaný zdroj
Spínané napájecí zdroje jsou složitá zařízení, která využívají polovodičové komponenty k vysokofrekvenčnímu přepínání napájení a menší transformátor s feritovým jádrem. Tyto typy napájecích zdrojů mohou zvyšovat a snižovat napětí pomocí stejnosměrné zpětné vazby k řízení výstupního napětí.
Zde je návod, jak fungují:
Krok 1: Vysokonapěťový střídavý proud vstupuje do napájecího zdroje přes modul ochrany obvodu složený z pojistky a EMC filtru. Pojistka slouží k ochraně proti přepětí a EMC filtr chrání obvod před vlněním signálu přicházejícím z nefiltrovaného střídavého proudu.
Krok 2: Poté, co se ujistíte, že je obvod dobře chráněn, prochází vysokonapěťový střídavý proud přes druhý modul složený z usměrňovače s úplným můstkem a vyhlazovacího kondenzátoru. Celomůstkový usměrňovač převádí střídavý proud na pulzující stejnosměrný proud, který je následně vyhlazován kondenzátorem.
Krok 3: Vysokonapěťový stejnosměrný proud je poté odeslán přes ovladač PWM, který přijímá zpětnou vazbu a řídí výkonový MOSFET, který reguluje napětí pomocí vysokofrekvenčního přepínání. Přepínáním se také přímý stejnosměrný proud změní na obdélníkovou vlnu.
Krok 4: Stejnosměrná čtvercová vlna nyní vstupuje do transformátoru s feritovým jádrem a transformuje signály zpět na střídavé čtvercové vlny.
Krok 5: Střídavé čtvercové vlny procházejí můstkovým usměrňovačem, převádějí signál na pulzující stejnosměrný proud a poté jej procházejí vyhlazovacím filtrem. Konečný výstup se pak používá k odesílání signálů do ovladače PWM, který vytváří zpětnovazební smyčku, která reguluje výstupní napětí.
Lineární vs. Spínané napájecí zdroje
Existují různé důvody, proč je zdroj napájení zvolen pro použití v konkrétních aplikacích. Ty by často zahrnovaly účinnost, hluk, spolehlivost a opravitelnost, velikost a hmotnost a náklady. Nyní, když máte obecnou představu o tom, jak fungují, uvádíme, jak jejich způsob zpracování energie ovlivňuje jejich výkon a použitelnost v určitých aplikacích.
Účinnost
Protože elektřina musí procházet řadou elektrických a elektronických součástek, bude proces usměrňování a regulace napětí vždy neúčinný. Ale kolik?
V závislosti na tom, jak jsou dimenzovány, mohou mít spínané zdroje účinnost 80 - 92%. To znamená, že vaše zařízení dokáže vydat 80 – 92 % energie, kterou jste do něj vložili. Jeho účinnost pochází z použití menších, ale účinných součástí, které regulují napětí pomocí vysokofrekvenčního nízkonapěťového spínání.
Naproti tomu lineární napájecí zdroj může být energeticky účinný pouze z 50 - 60 % díky použití větších a méně účinných součástí.
Šum a vlnění signálu
I když jsou lineární napájecí zdroje neefektivní, kompenzují jejich neefektivitu prostřednictvím svých stabilních, čistých a nízkošumových signálových výstupů. Použití analogových komponentů lineárního napájecího zdroje jim umožňuje zpracovávat elektřinu plynulým a nepřepínatelným způsobem, díky čemuž je jejich výstup nízký zvlnění nebo nízký šum.
Na druhou stranu spínané zdroje spoléhají na vysokofrekvenční spínání nízkého napětí, aby se snížilo teplo, měly lepší účinnost a produkovaly spoustu hluku! Množství šumu signálu závisí na konstrukci a kvalitě konkrétního spínaného zdroje napájení.
Velikost a hmotnost
Velikost a hmotnost napájecího zdroje může výrazně ovlivnit jeho použití na menších elektronických zařízeních. Vzhledem k tomu, že lineární napájecí zdroje používají těžké a objemné komponenty, je jejich použití na diskrétních elektronických zařízeních nemožné, pokud zdroj nepoužíváte jako nabíječku.
Pokud jde o spínané napájecí zdroje, protože využívají malé a lehké komponenty, mohou být navrženy tak, aby byly dostatečně malé, aby se daly integrovat do již menších zařízení. Nízká hmotnost a malé rozměry spínaného zdroje v kombinaci s jeho energetickou účinností jsou tím, co jej činí použitelným pro velkou většinu ručních elektronických zařízení.
Spolehlivost a opravitelnost
S menšími částmi, které by se mohly během provozu zlomit, nabízejí lineární napájecí zdroje konzistentní a spolehlivé výstupy. Jednoduchost konstrukce a použití běžnějších elektronických součástek usnadňuje lidem získávání součástek a opravy lineárních dodávek.
Vzhledem k tomu, že spínané zdroje mají výrazně choulostivější součásti, je pravděpodobnější, že se rozbijí dříve, než by se rozbily lineární napájecí zdroje. Dobrý design a použití kvalitních komponent však může učinit spínané zdroje velmi spolehlivými, možná dokonce stejně spolehlivými jako lineární zdroje. Skutečný problém se spínanými zdroji je ten, že se čím dál tím hůře opravují, čím je jejich konstrukce složitější.
Efektivita nákladů
V minulosti byly lineární napájecí zdroje cenově výhodnějším zařízením díky jejich jednoduché konstrukci a použití menších součástí. Nepomohlo ani to, že výroba polovodičových součástek byla drahá. Nicméně, s polovodiče jsou stále žádanějšíVýrobci byli schopni škálovat a vyrábět polovodičové komponenty exponenciálně levnější než dříve. To zase činí mnoho návrhů spínaných napájecích zdrojů nákladově efektivnějšími než lineární napájecí zdroje.
Použití vhodného napájecího zdroje
To je asi vše, co potřebujete vědět o lineárních a spínaných zdrojích napájení. Abyste zajistili, že vaše elektronická zařízení budou v bezpečí, vždy používejte originální nabíječky dodané se zařízením, ale pokud nejsou k dispozici, můžete si vždy zakoupit napájecí adaptér.
Před nákupem nezapomeňte, že lineární napájecí zdroje jsou ideální pro elektroniku používanou pro přesné aplikace, jako jsou elektrické hudební nástroje, rádia a lékařské nástroje, zatímco spínané napájecí zdroje se používají pro vysoce účinné situace, jako jsou počítačové napájecí zdroje, nabíječky a osvětlení.
