Unterschied Zwischen SMPS Und Linearem Netzteil

2024 Autor: Mildred Bawerman | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 08:37

Hauptunterschied - SMPS vs. lineares Netzteil

Die meisten elektronischen und elektrischen Geräte benötigen Gleichspannung, um zu funktionieren. Diese Geräte, insbesondere elektronische Geräte mit integrierten Schaltkreisen, sollten mit einer zuverlässigen, verzerrungsfreien Gleichspannung versorgt werden, damit sie ohne Fehlfunktionen oder Verbrennungen funktionieren. Der Zweck einer Gleichstromversorgung besteht darin, diese Geräte mit sauberer Gleichspannung zu versorgen. Gleichstromversorgungen werden in lineare und geschaltete Modi eingeteilt. Dies sind die Topologien, die erforderlich sind, um die Wechselstromversorgung in einen reibungslosen Gleichstrom zu verwandeln. Bei der linearen Stromversorgung wird ein Transformator verwendet, um die Netzwechselspannung direkt auf einen gewünschten Pegel zu senken, während SMPS mithilfe eines Schaltgeräts Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, um einen Durchschnittswert des gewünschten Spannungspegels zu erhalten. Dies ist der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung.

INHALT

1. Überblick und Hauptunterschied

2. Was ist ein lineares Netzteil

? 3. Was ist ein SMPS?

4. Vergleich nebeneinander - SMPS mit einem linearen Netzteil in tabellarischer Form.

5. Zusammenfassung

Was ist ein lineares Netzteil?

Bei einer linearen Stromversorgung wird die Netzwechselspannung direkt von einem Abwärtstransformator in eine niedrigere Spannung umgewandelt. Dieser Transformator muss eine große Leistung verarbeiten, da er mit der Netzfrequenz 50/60 Hz arbeitet. Daher ist dieser Transformator sperrig und groß, wodurch das Netzteil schwer und groß wird.

Die abgesenkte Spannung wird dann gleichgerichtet und gefiltert, um die für den Ausgang erforderliche Gleichspannung zu erhalten. Da die Spannung auf diesem Pegel in Abhängigkeit von den Verzerrungen der Eingangsspannung variiert, wird vor dem Ausgang eine Spannungsregelung durchgeführt. Der Spannungsregler in einer linearen Stromversorgung ist ein linearer Regler, bei dem es sich normalerweise um ein Halbleiterbauelement handelt, das als variabler Widerstand fungiert. Der Ausgangswiderstandswert ändert sich mit dem Ausgangsleistungsbedarf, wodurch die Ausgangsspannung konstant bleibt. Somit arbeitet der Spannungsregler als Verlustleistung. Meistens wird überschüssige Leistung abgeführt, um die Spannung konstant zu halten. Daher sollte der Spannungsregler große Kühlkörper haben. Infolgedessen werden die linearen Netzteile viel schwerer. Infolge der Verlustleistung durch den Spannungsregler als Wärme,Der Wirkungsgrad einer linearen Stromversorgung sinkt um bis zu 60%.

Lineare Stromversorgungen erzeugen jedoch kein elektrisches Rauschen an der Ausgangsspannung. Es bietet aufgrund des Transformators eine Isolation zwischen Ausgang und Eingang. Daher werden lineare Stromversorgungen für Hochfrequenzanwendungen wie Hochfrequenzgeräte, Audioanwendungen, Labortests, die eine rauschfreie Versorgung erfordern, Signalverarbeitung und Verstärker verwendet.

Abbildung 01: Stromversorgung mit einem linearen Spannungsregler

Was ist SMPS?

SMPS (Switched-Mode-Netzteil) arbeitet mit einem Schalttransistorgerät. Zunächst wird der Wechselstromeingang von einem Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt, ohne die Spannung zu reduzieren, anders als bei einer linearen Stromversorgung. Dann wird die Gleichspannung hochfrequent geschaltet, typischerweise durch einen MOSFET-Transistor. Das heißt, die Spannung durch den MOSFET wird durch das MOSFET-Gate-Signal ein- und ausgeschaltet, üblicherweise ein pulsbreitenmoduliertes Signal von etwa 50 kHz (Chopper / Inverter-Block). Nach diesem Zerhackungsvorgang wird die Wellenform zu einem gepulsten Gleichstromsignal. Danach wird ein Abwärtstransformator verwendet, um die Spannung des hochfrequenten gepulsten Gleichstromsignals auf den gewünschten Pegel zu reduzieren. Schließlich werden ein Ausgangsgleichrichter und ein Filter verwendet, um die Ausgangsgleichspannung wiederherzustellen.

Abbildung 02: Blockdiagramm eines SMPS

Die Spannungsregelung in SMPS erfolgt über eine Rückkopplungsschaltung, die die Ausgangsspannung überwacht. Wenn der Leistungsbedarf der Last hoch ist, steigt die Ausgangsspannung tendenziell an. Dieses Inkrement wird von der Reglerrückkopplungsschaltung erfasst und zur Steuerung des Ein-Aus-Verhältnisses des PWM-Signals verwendet. Somit ändert sich die durchschnittliche Signalspannung. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung so gesteuert, dass sie konstant bleibt.

Der im SMPS verwendete Abwärtstransformator arbeitet mit einer hohen Frequenz; Somit sind das Volumen und das Gewicht des Transformators viel geringer als die eines linearen Netzteils. Dies wird zu einem Hauptgrund dafür, dass ein SMPS viel kleiner und leichter als sein lineares Gegenstück ist. Darüber hinaus erfolgt die Spannungsregelung, ohne überschüssige Leistung als Ohmschen Verlust oder Wärme abzuleiten. Der Wirkungsgrad des SMPS liegt bei 85-90%.

Gleichzeitig erzeugt ein SMPS aufgrund des Schaltvorgangs des MOSFET ein hochfrequentes Rauschen. Dieses Rauschen kann sich in der Ausgangsspannung widerspiegeln. Bei einigen fortschrittlichen und teuren Modellen wird dieses Ausgangsrauschen jedoch in gewissem Maße gemindert. Darüber hinaus erzeugt das Schalten auch elektromagnetische und hochfrequente Störungen. Daher ist es erforderlich, HF-Abschirmung und EMI-Filter in SMPS zu verwenden. Daher sind SMPS keine geeigneten Audio- und Hochfrequenzanwendungen. Mit SMPS können weniger geräuschempfindliche Geräte wie Ladegeräte für Mobiltelefone, Gleichstrommotoren, Hochleistungsanwendungen usw. verwendet werden. Das leichtere und kleinere Design macht es bequem, auch als tragbare Geräte verwendet zu werden.

Was ist der Unterschied zwischen SMPS und linearem Netzteil?

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SMPS vs Linear Power Supply
SMPS richtet den Wechselstrom direkt gleich, ohne die Spannung zu reduzieren. Dann wird der umgewandelte Gleichstrom für einen kleineren Transformator hochfrequent geschaltet, um ihn auf den gewünschten Spannungspegel zu reduzieren. Schließlich wird das hochfrequente Wechselstromsignal auf die Gleichstromausgangsspannung gleichgerichtet.	Die lineare Stromversorgung reduziert die Spannung zu Beginn durch einen größeren Transformator auf den gewünschten Wert. Danach wird der Wechselstrom gleichgerichtet und gefiltert, um die Ausgangsgleichspannung zu erzeugen.
Spannungsregulierung
Die Spannungsregelung erfolgt durch Steuerung der Schaltfrequenz. Die Ausgangsspannung wird von der Rückkopplungsschaltung überwacht und die Spannungsänderung wird für die Frequenzsteuerung verwendet.	Die gleichgerichtete und gefilterte Gleichspannung wird einem Ausgangswiderstand eines Spannungsteilers ausgesetzt, um die Ausgangsspannung herzustellen. Dieser Widerstand kann durch eine Rückkopplungsschaltung gesteuert werden, die die Änderung der Ausgangsspannung überwacht.
Effizienz
Die Wärmeerzeugung in SMPS ist vergleichsweise gering, da der Schalttransistor im Sperr- und Hungerbereich arbeitet. Die geringe Größe des Ausgangstransformators macht auch den Wärmeverlust gering. Daher ist der Wirkungsgrad höher (85-90%).	Die überschüssige Leistung wird als Wärme abgeführt, um die Spannung in einer linearen Stromversorgung konstant zu halten. Darüber hinaus ist der Eingangstransformator viel sperriger; Somit sind die Transformatorverluste höher. Daher beträgt der Wirkungsgrad einer linearen Stromversorgung nur 60%.
Bauen
Die Transformatorgröße eines SMPS muss nicht groß sein, da es mit Hochfrequenz arbeitet. Daher ist auch das Gewicht des Transformators geringer. Infolgedessen ist die Größe sowie das Gewicht eines SMPS viel geringer als bei einem linearen Netzteil.	Lineare Stromversorgungen 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 Schaltens ein hochfrequentes Rauschen. Dies geht in die Ausgangsspannung über, manchmal auch in das Eingangsnetz. Eine harmonische Verzerrung der Netzstromversorgung könnte auch bei SMPS möglich sein.	Lineare Netzteile erzeugen kein Rauschen in der Ausgangsspannung. Die harmonische Verzerrung ist viel geringer als bei SMPS.
Anwendungen
SMPS kann aufgrund des geringen Aufbaus als tragbare Geräte verwendet werden. Da SMPS jedoch ein hochfrequentes Rauschen erzeugen, können sie 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 die Ausgangsspannung auch sauber ist, werden sie für die meisten elektrischen und elektronischen Tests in Laboratorien verwendet.

Zusammenfassung - SMPS vs Linear Power Supply

SMPS- und lineare Netzteile sind zwei Arten von verwendeten Gleichstromversorgungen. Der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung besteht in den Topologien, die für die Spannungsregelung und den Spannungsabfall verwendet werden. Während das lineare Netzteil zu Beginn Wechselstrom in Niederspannung umwandelt, korrigiert und filtert SMPS zuerst den Netzwechselstrom und schaltet dann auf Hochfrequenz-Wechselstrom um, bevor es herunterfährt. Da das Gewicht und die Größe des Transformators mit abnehmender Betriebsfrequenz zunimmt, ist der Eingangstransformator der linearen Netzteile im Gegensatz zum SMPS viel schwerer und größer. Da die Spannungsregelung mit Wärmeableitung durch Widerstände erfolgt, sollten lineare Netzteile außerdem Kühlkörper aufweisen, die sie noch schwerer machen. Der Regler von SMPS steuert die Schaltfrequenz, um die Ausgangsspannung zu steuern. Deshalb,SMPS sind kleiner und leichter. Da die Wärmeerzeugung in SMPS geringer ist, ist auch deren Wirkungsgrad höher.

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