Скорее всего, вы ежедневно пользуетесь смартфоном, ноутбуком или персональным компьютером. Эти электронные устройства используют для работы постоянный ток (DC). Однако, поскольку домохозяйства обычно питаются переменным током высокого напряжения (AC), вам потребуется для снижения напряжения и преобразования переменного тока в постоянный с помощью источника питания, такого как блок питания или зарядное устройство.
Наиболее распространенными источниками питания, используемыми сегодня, являются линейные и импульсные источники питания. Знание того, какой из них использовать для конкретных приложений, обеспечит безопасность и оптимальную работу вашей электроники.
Продолжите читать ниже для сравнения между линейными и импульсными источниками питания.
Что такое линейные и импульсные источники питания?
Линейные и импульсные источники питания — это электрические устройства, используемые для питания и зарядки электронных устройств постоянного тока. Этим устройствам поручено делать две вещи: снижать напряжение и преобразовывать переменный ток в постоянный. Хотя оба устройства снижают и выпрямляют мощность, разница в том, как они решают эти задачи, делает их более подходящими для определенных приложений.
Линейный источник питания — это устройство, используемое в малошумных и точных операциях. Использование в нем тяжелых трансформаторов и аналоговых фильтров позволяет этому блоку питания выдавать чистое напряжение за счет низкой эффективности, большего веса и больших размеров. Линейные источники питания лучше всего использовать в записывающем оборудовании, электрические музыкальные инструменты, медицинское оборудование и высокоточный лабораторный измерительный инструмент.
Импульсный или импульсный источник питания (SMPS) используется для высокоэффективных и сильноточных операций. В отличие от линейных источников питания, импульсные источники питания используют полупроводниковые компоненты для модуляции и регулирования входящего напряжения. Эти блоки питания основаны на высокочастотном переключении с использованием силовых транзисторов, что делает их шумными, но очень энергоэффективными, легкими и компактными. Импульсные источники питания часто используются в компьютерах, зарядных устройствах для телефонов, производственном оборудовании и многих низковольтных электронных устройствах.
Как работает линейный источник питания
Используя чисто аналоговые компоненты, доступные в 50-х годах, линейные источники питания должны были полагаться на тяжелые силовые трансформаторы и громоздкие электролитические конденсаторы для понижения и выпрямления напряжения. Хотя в то время транзисторы уже производились серийно, высокое напряжение переменного тока просто выделяло слишком много тепла для транзисторов.
Вот схема линейного блока питания:
Линейный блок питания работает в три этапа:
Шаг 1: Снизьте входящее высокое напряжение переменного тока за счет использования трансформатора.
Шаг 2: Пониженное напряжение затем проходит через мостовой выпрямитель, который выпрямляет переменное напряжение до пульсирующего постоянного напряжения.
Шаг 3: Сигналы пульсирующего постоянного напряжения проходят через фильтр, состоящий из катушек индуктивности и конденсаторов. Этот сглаживающий фильтр устраняет колебания сигнала пульсирующего постоянного напряжения, что делает их пригодными для использования в чувствительных электронных устройствах.
Как работает импульсный источник питания
Импульсные источники питания представляют собой сложные устройства, в которых используются полупроводниковые компоненты для высокочастотного переключения мощности и трансформатор меньшего размера с ферритовым сердечником. Эти типы источников питания могут повышать и понижать напряжение, используя цепь обратной связи постоянного тока для управления выходным напряжением.
Вот как они работают:
Шаг 1: Высоковольтный переменный ток поступает в блок питания через модуль защиты цепи, состоящий из предохранителя и фильтра ЭМС. Предохранитель предназначен для защиты от перенапряжения, а фильтр ЭМС защищает цепь от пульсаций сигнала, исходящих от нефильтрованного переменного тока.
Шаг 2: Убедившись, что цепь хорошо защищена, высоковольтный переменный ток проходит через второй модуль, состоящий из мостового выпрямителя и сглаживающего конденсатора. Мостовой выпрямитель преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный, который затем сглаживается конденсатором.
Шаг 3: Затем высоковольтный постоянный ток передается через ШИМ-драйвер, который принимает обратную связь и управляет мощным полевым МОП-транзистором, который регулирует напряжение посредством высокочастотного переключения. Переключение также превращает прямой постоянный ток в прямоугольную волну.
Шаг 4: Прямоугольная волна постоянного тока теперь поступает в трансформатор с ферритовым сердечником, преобразуя сигналы обратно в прямоугольные волны переменного тока.
Шаг 5: прямоугольные волны переменного тока проходят через мостовой выпрямитель, преобразуя сигнал в пульсирующий постоянный ток, а затем пропуская его через сглаживающий фильтр. Затем конечный выход используется для отправки сигналов на ШИМ-драйвер, который образует петлю обратной связи, регулирующую выходное напряжение.
Линейный против. Импульсные источники питания
Существуют разные причины, по которым блок питания выбирают для использования в конкретных приложениях. К ним часто относятся эффективность, шум, надежность и ремонтопригодность, размер и вес, а также стоимость. Теперь, когда у вас есть общее представление о том, как они работают, вот как их способ обработки энергии влияет на их производительность и удобство использования в определенных приложениях.
Эффективность
Поскольку электричество должно проходить через ряд электрических и электронных компонентов, процесс выпрямления и регулирования напряжения всегда будет неэффективным. Но сколько?
В зависимости от номинала импульсные блоки питания могут иметь КПД 80–92 %. Это означает, что ваше устройство может выдавать 80–92% энергии, которую вы в него вложили. Его эффективность обусловлена использованием меньших, но эффективных компонентов, которые регулируют напряжение посредством высокочастотного переключения низкого напряжения.
Напротив, линейный источник питания может быть энергоэффективным только на 50–60% из-за использования в нем более крупных и менее эффективных компонентов.
Шум сигнала и пульсация
Несмотря на свою неэффективность, линейные источники питания компенсируют свою неэффективность за счет стабильного, чистого выходного сигнала с низким уровнем шума. Использование аналоговых компонентов в линейном источнике питания позволяет им обрабатывать электричество плавно и без переключений, что обеспечивает низкий уровень пульсаций или шума на выходе.
С другой стороны, импульсные источники питания основаны на высокочастотном переключении низкого напряжения для уменьшения нагрева, повышения эффективности и создания большого количества шума! Величина шумового сигнала зависит от конструкции и качества конкретного импульсного источника питания.
Размер и вес
Размер и вес блока питания могут сильно повлиять на его применение в небольших электронных устройствах. Поскольку в линейных источниках питания используются тяжелые и громоздкие компоненты, их использование в малозаметных электронных устройствах невозможно, если только вы не используете блок питания в качестве зарядного устройства.
Что касается импульсных источников питания, поскольку в них используются небольшие и легкие компоненты, их можно проектировать достаточно компактными, чтобы их можно было интегрировать в уже более мелкие устройства. Небольшой вес и малый размер импульсного источника питания в сочетании с его энергоэффективностью делают его применимым для подавляющего большинства портативных электронных устройств.
Надежность и ремонтопригодность
Благодаря меньшему количеству деталей, которые могут сломаться во время работы, линейные источники питания обеспечивают стабильную и надежную выходную мощность. Простота конструкции и использование более распространенных электронных компонентов облегчают поиск запчастей и ремонт линейных расходных материалов.
Имея значительно более чувствительные компоненты, импульсные блоки питания с большей вероятностью сломаются раньше, чем линейные блоки питания. Тем не менее, хороший дизайн и использование качественных компонентов могут сделать импульсные источники питания очень надежными, возможно, даже такими же надежными, как линейные источники питания. Настоящая проблема с импульсными блоками питания заключается в том, что чем сложнее их конструкция, тем сложнее их ремонтировать.
Экономичность
В прошлом линейные источники питания были более экономичными устройствами из-за их простой конструкции и использования меньшего количества компонентов. Не помогло и то, что производство полупроводниковых компонентов было дорогим. Однако с полупроводники пользуются большим спросом, производители смогли масштабировать и делать твердотельные компоненты экспоненциально дешевле, чем раньше. Это, в свою очередь, делает многие конструкции импульсных источников питания более экономичными, чем линейные источники питания.
Использование соответствующего источника питания
Вот и все, что вам нужно знать о линейных и импульсных источниках питания. Чтобы обеспечить безопасность ваших электронных устройств, всегда используйте оригинальные зарядные устройства, поставляемые вместе с устройством, но если их нет в наличии, вы всегда можете купить адаптер питания.
Перед покупкой помните, что линейные блоки питания идеально подходят для электроники, используемой для точных приложений, таких как электрические музыкальные инструменты, радиоприемники и медицинские инструменты, в то время как импульсные источники питания используются для высокоэффективных ситуаций, таких как компьютерные блоки питания, зарядные устройства и осветительные приборы.
