Hauptunterschied – SMPS vs. lineare Stromversorgung
Die meisten elektronischen und elektrischen Geräte benötigen Gleichspannung, um zu funktionieren. Diese Geräte, insbesondere elektronische Geräte mit integrierten Sch altkreisen, sollten mit einer zuverlässigen, verzerrungsfreien Gleichspannung versorgt werden, damit sie ohne Fehlfunktionen oder Einbrennen funktionieren. Der Zweck einer Gleichstromversorgung besteht darin, diese Geräte mit sauberer Gleichspannung zu versorgen. Gleichstromversorgungen werden in lineare und getaktete Netzteile eingeteilt, die die Topologien sind, die erforderlich sind, um die Wechselstromversorgung in einen glatten Gleichstrom umzuwandeln. Die lineare Stromversorgung verwendet einen Transformator, um die AC-Netzspannung direkt auf einen gewünschten Pegel herunterzutransformieren, während SMPS AC in DC mithilfe einer Sch altvorrichtung umwandelt, die hilft, einen Durchschnittswert des gewünschten Spannungspegels zu erh alten. Dies ist der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung.
Was ist ein lineares Netzteil?
Bei einem linearen Netzteil wird die Netzwechselspannung direkt durch einen Abwärtstransformator in eine niedrigere Spannung umgewandelt. Dieser Transformator muss eine große Leistung handhaben, da er mit einer Wechselstromnetzfrequenz von 50/60 Hz arbeitet. Daher ist dieser Transformator sperrig und groß, wodurch das Netzteil schwer und groß wird.
Die herabgesetzte Spannung wird dann gleichgerichtet und gefiltert, um die für den Ausgang erforderliche Gleichspannung zu erh alten. Da die Spannung auf diesem Pegel in Abhängigkeit von den Verzerrungen der Eingangsspannung variieren kann, erfolgt vor dem Ausgang eine Spannungsregelung. Der Spannungsregler in einem linearen Netzteil ist ein linearer Regler, bei dem es sich normalerweise um ein Halbleiterbauelement handelt, das als variabler Widerstand fungiert. Der Ausgangswiderstandswert ändert sich mit der Ausgangsleistungsanforderung, wodurch die Ausgangsspannung konstant bleibt. Somit arbeitet der Spannungsregler als leistungsdissipierende Vorrichtung. Meistens wird überschüssige Leistung abgeführt, um die Spannung konstant zu h alten. Daher sollte der Spannungsregler große Kühlkörper haben. Dadurch werden die linearen Netzteile deutlich schwerer. Darüber hinaus sinkt der Wirkungsgrad eines linearen Netzteils aufgrund der Verlustleistung des Spannungsreglers in Form von Wärme um bis zu 60 %.
Lineare Netzteile erzeugen jedoch kein elektrisches Rauschen bei der Ausgangsspannung. Aufgrund des Transformators bietet es eine Trennung zwischen Ausgang und Eingang. Daher werden lineare Netzteile für Hochfrequenzanwendungen wie Hochfrequenzgeräte, Audioanwendungen, Labortests, die eine rauschfreie Versorgung erfordern, Signalverarbeitung und Verstärker verwendet.
Abbildung 01: Netzteil mit linearem Spannungsregler
Was ist SMPS?
SMPS (Sch altnetzteil) arbeitet mit einem Sch alttransistor. Zunächst wird der AC-Eingang von einem Gleichrichter in DC-Spannung umgewandelt, ohne die Spannung zu reduzieren, anders als bei einer linearen Stromversorgung. Dann wird die Gleichspannung hochfrequent gesch altet, typischerweise durch einen MOSFET-Transistor. Das heißt, die Spannung durch den MOSFET wird durch das MOSFET-Gate-Signal ein- und ausgesch altet, normalerweise ein pulsweitenmoduliertes Signal von etwa 50 kHz (Chopper/Inverter-Block). Nach diesem Hackvorgang wird die Wellenform zu einem gepulsten Gleichstromsignal. Danach wird ein Abwärtstransformator verwendet, um die Spannung des hochfrequenten gepulsten Gleichstromsignals auf das gewünschte Niveau zu reduzieren. Schließlich werden ein Ausgangsgleichrichter und ein Filter verwendet, um die Ausgangsgleichspannung wiederherzustellen.
Abbildung 02: Blocksch altbild eines SMPS
Die Spannungsregelung in SMPS erfolgt über eine Rückkopplungssch altung, die die Ausgangsspannung überwacht. Wenn der Leistungsbedarf der Last hoch ist, steigt die Ausgangsspannung tendenziell an. Dieses Inkrement wird von der Rückkopplungssch altung des Reglers erfasst und zur Steuerung des Ein-zu-Aus-Verhältnisses des PWM-Signals verwendet. Somit ändert sich die durchschnittliche Signalspannung. Dadurch wird die Ausgangsspannung so geregelt, dass sie konstant bleibt.
Der im SMPS verwendete Abwärtstransformator arbeitet mit hoher Frequenz; Daher sind Volumen und Gewicht des Transformators viel geringer als bei einem linearen Netzteil. Dies wird zu einem Hauptgrund dafür, dass ein SMPS viel kleiner und leichter ist als sein Gegenstück vom linearen Typ. Darüber hinaus erfolgt die Spannungsregelung, ohne dass überschüssige Leistung als ohmscher Verlust oder Wärme abgeführt wird. Der Wirkungsgrad des SMPS erreicht bis zu 85-90 %.
Gleichzeitig erzeugt ein SMPS aufgrund des Sch altvorgangs des MOSFET hochfrequentes Rauschen. Dieses Rauschen kann sich in der Ausgangsspannung widerspiegeln; Bei einigen fortschrittlichen und teuren Modellen wird dieses Ausgangsrauschen jedoch bis zu einem gewissen Grad gemildert. Darüber hinaus erzeugt das Sch alten auch elektromagnetische und hochfrequente Interferenzen. Daher ist es erforderlich, HF-Abschirmung und EMI-Filter in SMPSs zu verwenden. Daher sind SMPS keine geeigneten Audio- und Hochfrequenzanwendungen. Weniger geräuschempfindliche Geräte wie Ladegeräte für Mobiltelefone, Gleichstrommotoren, Hochleistungsanwendungen usw. können mit SMPS verwendet werden. Durch sein leichteres und kleineres Design kann es auch bequem als tragbares Gerät verwendet werden.
Was ist der Unterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung?
SMPS vs. lineares Netzteil |
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| SMPS richtet den Netzwechselstrom direkt gleich, ohne die Spannung zu verringern. Dann wird der umgewandelte Gleichstrom hochfrequent für einen kleineren Transformator gesch altet, um ihn auf das gewünschte Spannungsniveau zu reduzieren. Schließlich wird das hochfrequente AC-Signal zur DC-Ausgangsspannung gleichgerichtet. | Lineare Stromversorgung reduziert die Spannung zu Beginn durch einen größeren Trafo auf den gewünschten Wert. Danach wird der Wechselstrom gleichgerichtet und gefiltert, um die Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. |
| Spannungsregelung | |
| Die Spannungsregelung erfolgt über die Steuerung der Sch altfrequenz. Die Ausgangsspannung wird von der Rückkopplungssch altung überwacht und die Spannungsänderung wird zur Frequenzregelung verwendet. | Die gleichgerichtete und gefilterte Gleichspannung wird einem Ausgangswiderstand eines Spannungsteilers ausgesetzt, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Dieser Widerstand ist durch eine Rückkopplungssch altung steuerbar, die die Änderung der Ausgangsspannung überwacht. |
| Effizienz | |
| Die Wärmeentwicklung in SMPS ist vergleichsweise gering, da der Sch alttransistor im Sperr- und Hungerbereich arbeitet. Die kleine Größe des Ausgangstransformators macht auch den Wärmeverlust klein. Daher ist die Effizienz höher (85-90%). | Die überschüssige Leistung wird als Wärme abgeführt, um die Spannung in einem linearen Netzteil konstant zu h alten. Außerdem ist der Eingangstransformator viel sperriger; somit sind die Transformatorverluste höher. Daher beträgt der Wirkungsgrad eines linearen Netzteils nur 60 %. |
| Bauen | |
| Die Transformatorgröße eines SMPS muss nicht groß sein, da es im Hochfrequenzbereich arbeitet. Daher wird auch das Gewicht des Transformators geringer sein. Dadurch ist sowohl die Größe als auch das Gewicht eines SMPS viel geringer als bei einem linearen Netzteil. | Lineare Netzteile sind viel sperriger, da der Eingangstransformator aufgrund der niedrigen Frequenz, mit der er arbeitet, groß sein muss. Da in einem Spannungsregler mehr Wärme erzeugt wird, sollten auch Kühlkörper verwendet werden. |
| Rausch- und Spannungsverzerrungen | |
| SMPS erzeugt aufgrund des Umsch altens ein hochfrequentes Rauschen. Dies geht in die Ausgangsspannung sowie manchmal in das Eingangsnetz über. Harmonische Verzerrungen im Netz könnten auch in SMPSs möglich sein. | Lineare Netzteile erzeugen kein Rauschen in der Ausgangsspannung. Die harmonische Verzerrung ist viel geringer als bei SMPSs. |
| Bewerbungen | |
| SMPS können aufgrund der kleinen Bauweise als tragbare Geräte verwendet werden. Da es jedoch ein hochfrequentes Rauschen erzeugt, können SMPS nicht für rauschempfindliche Anwendungen wie HF- und Audioanwendungen verwendet werden. | Lineare Netzteile sind viel größer und können nicht für tragbare Geräte verwendet werden. Da sie kein Rauschen erzeugen und auch die Ausgangsspannung sauber ist, werden sie für die meisten elektrischen und elektronischen Tests in Labors verwendet. |
Zusammenfassung – SMPS vs. lineare Stromversorgung
SMPS- und Linear-Netzteile sind zwei Arten von Gleichstromnetzteilen, die verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung sind die Topologien, die für die Spannungsregelung und Spannungsabwärtswandlung verwendet werden. Während die lineare Stromversorgung zu Beginn Wechselstrom in Niederspannung umwandelt, richtet SMPS zuerst den Netzwechselstrom gleich und filtert ihn und sch altet dann auf einen hochfrequenten Wechselstrom um, bevor er heruntertransformiert. Da das Gewicht und die Größe des Transformators mit abnehmender Betriebsfrequenz zunehmen, ist der Eingangstransformator der linearen Stromversorgungen im Gegensatz zum SMPS viel schwerer und größer. Da die Spannungsregelung mit Wärmeableitung durch Widerstände erfolgt, sollten lineare Netzteile außerdem Kühlkörper haben, die sie noch schwerer machen. Der Regler von SMPSs steuert die Sch altfrequenz, um die Ausgangsspannung zu steuern. Daher sind SMPS kleiner und leichter. Da die Wärmeentwicklung in SMPS geringer ist, ist auch ihr Wirkungsgrad höher.
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