Differenza chiave: SMPS e alimentatore lineare
La maggior parte dei dispositivi elettronici ed elettrici richiede una tensione CC per funzionare. Questi dispositivi, in particolare i dispositivi elettronici con circuiti integrati, dovrebbero essere alimentati con una tensione continua affidabile e senza distorsioni affinché funzionino senza malfunzionamenti o bruciature. Lo scopo di un alimentatore CC è fornire una tensione CC pulita a questi dispositivi. Gli alimentatori CC sono classificati in modalità lineare e commutata, che sono le topologie coinvolte per trasformare l'alimentazione di rete CA in CC regolare. L'alimentazione lineare utilizza un trasformatore per ridurre direttamente la tensione di rete CA a un livello desiderato mentre SMPS converte la CA in CC utilizzando un dispositivo di commutazione che aiuta a ottenere un valore medio del livello di tensione desiderato. Questa è la differenza fondamentale tra SMPS e alimentazione lineare.
Cos'è un alimentatore lineare?
In un alimentatore lineare, la tensione CA di rete viene convertita in una tensione inferiore direttamente da un trasformatore riduttore. Questo trasformatore deve gestire una grande potenza poiché funziona alla frequenza di rete CA 50/60Hz. Pertanto, questo trasformatore è ingombrante e grande, rendendo l'alimentatore pesante e grande.
La tensione ridotta viene quindi rettificata e filtrata per ottenere la tensione CC richiesta per l'uscita. Poiché la tensione a questo livello è soggetta a variare a seconda delle distorsioni della tensione di ingresso, viene eseguita una regolazione della tensione prima dell'uscita. Il regolatore di tensione in un alimentatore lineare è un regolatore lineare, che di solito è un dispositivo a semiconduttore che funge da resistore variabile. Il valore della resistenza in uscita cambia con il fabbisogno di potenza in uscita, rendendo costante la tensione in uscita. Pertanto, il regolatore di tensione funziona come un dispositivo di dissipazione di potenza. Il più delle volte, dissipa la potenza in eccesso per rendere costante la tensione. Pertanto, il regolatore di tensione dovrebbe avere grandi dissipatori di calore. Di conseguenza, gli alimentatori lineari diventano molto più pesanti. Inoltre, a causa della dissipazione di potenza del regolatore di tensione sotto forma di calore, l'efficienza di un alimentatore lineare scende fino a circa il 60%.
Tuttavia, gli alimentatori lineari non producono rumore elettrico sulla tensione di uscita. Fornisce isolamento tra l'uscita e l'ingresso grazie al trasformatore. Pertanto, gli alimentatori lineari vengono utilizzati per applicazioni ad alta frequenza come dispositivi a radiofrequenza, applicazioni audio, test di laboratorio che richiedono alimentazione senza rumore, elaborazione del segnale e amplificatori.
Figura 01: Alimentatore con regolatore di tensione lineare
Cos'è SMPS?
SMPS (alimentatore switching) funziona su un dispositivo a transistor di commutazione. Inizialmente, l'ingresso CA viene convertito in tensione CC da un raddrizzatore, senza ridurre la tensione, a differenza di un alimentatore lineare. Quindi la tensione CC subisce una commutazione ad alta frequenza, tipicamente da un transistor MOSFET. Cioè, la tensione attraverso il MOSFET viene attivata e disattivata dal segnale MOSFET Gate, solitamente un segnale modulato a larghezza di impulso di circa 50 kHz (chopper/blocco inverter). Dopo questa operazione di taglio, la forma d'onda diventa un segnale DC pulsato. Successivamente, viene utilizzato un trasformatore step-down per ridurre la tensione del segnale CC pulsato ad alta frequenza al livello desiderato. Infine, un raddrizzatore di uscita e un filtro vengono utilizzati per ripristinare la tensione CC in uscita.
Figura 02: Schema a blocchi di un SMPS
La regolazione della tensione in SMPS avviene tramite un circuito di feedback che monitora la tensione di uscita. Se la richiesta di potenza del carico è elevata, la tensione di uscita tende ad aumentare. Questo incremento viene rilevato dal circuito di feedback del regolatore e viene utilizzato per controllare il rapporto on-to-off del segnale PWM. Pertanto, la tensione media del segnale cambia. Di conseguenza, la tensione di uscita viene controllata per mantenersi costante.
Il trasformatore step-down utilizzato nell'SMPS funziona ad alta frequenza; quindi, il volume e il peso del trasformatore sono molto inferiori a quelli di un alimentatore lineare. Questo diventa uno dei motivi principali per cui un SMPS è molto più piccolo e leggero della sua controparte di tipo lineare. Inoltre, la regolazione della tensione avviene senza dissipare la potenza in eccesso come perdita ohmica o calore. L'efficienza dell'SMPS raggiunge l'85-90%.
Allo stesso tempo, un SMPS genera rumore ad alta frequenza dovuto all'operazione di commutazione del MOSFET. Questo rumore può riflettersi nella tensione di uscita; tuttavia, in alcuni modelli avanzati e costosi, questo rumore di uscita è mitigato in una certa misura. Inoltre, la commutazione crea anche interferenze elettromagnetiche e di radiofrequenza. Pertanto, è necessario utilizzare schermatura RF e filtri EMI negli SMPS. Pertanto, gli SMPS non sono applicazioni audio e radiofrequenza adatte. Con gli SMPS è possibile utilizzare apparecchiature meno sensibili al rumore come caricabatterie per telefoni cellulari, motori CC, applicazioni ad alta potenza, ecc. Il suo design più leggero e più piccolo lo rende comodo da usare anche come dispositivi portatili.
Qual è la differenza tra SMPS e alimentatore lineare?
SMPS vs alimentatore lineare |
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| SMPS raddrizza direttamente la rete AC senza ridurre la tensione. Quindi la CC convertita viene commutata in alta frequenza per un trasformatore più piccolo per ridurla al livello di tensione desiderato. Infine, il segnale AC ad alta frequenza viene raddrizzato alla tensione di uscita DC. | L'alimentazione lineare riduce la tensione al valore desiderato all'inizio mediante un trasformatore più grande. Successivamente, l'AC viene rettificato e filtrato per ottenere la tensione DC in uscita. |
| Regolazione della tensione | |
| La regolazione della tensione avviene controllando la frequenza di commutazione. La tensione di uscita è monitorata dal circuito di retroazione e la variazione di tensione è utilizzata per il controllo della frequenza. | La tensione CC rettificata e filtrata è soggetta a una resistenza di uscita di un partitore di tensione per creare la tensione di uscita. Questa resistenza è controllabile da un circuito di feedback che monitora la variazione della tensione di uscita. |
| Efficienza | |
| La generazione di calore in SMPS è relativamente bassa poiché il transistor di commutazione opera nelle regioni di interruzione e fame. Le dimensioni ridotte del trasformatore di uscita riducono anche la perdita di calore. Pertanto, l'efficienza è maggiore (85-90%). | La potenza in eccesso viene dissipata sotto forma di calore per rendere costante la tensione in un alimentatore lineare. Inoltre, il trasformatore di ingresso è molto più ingombrante; quindi, le perdite del trasformatore sono maggiori. Pertanto, l'efficienza di un alimentatore lineare è del 60%. |
| Costruisci | |
| Non è necessario che la dimensione del trasformatore di un SMPS sia grande poiché opera ad alta frequenza. Pertanto, anche il peso del trasformatore sarà inferiore. Di conseguenza, le dimensioni e il peso di un SMPS sono molto inferiori rispetto a un alimentatore lineare. | Gli alimentatori lineari sono molto più ingombranti poiché il trasformatore di ingresso deve essere grande a causa della bassa frequenza su cui opera. Poiché viene generato più calore in un regolatore di tensione, è necessario utilizzare anche dissipatori di calore. |
| Rumore e distorsioni di tensione | |
| SMPS genera un rumore ad alta frequenza dovuto alla commutazione. Questo passa nella tensione di uscita, così come a volte nella rete di ingresso. La distorsione armonica nell'alimentazione di rete potrebbe essere possibile anche negli SMPS. | Gli alimentatori lineari non producono rumore nella tensione di uscita. La distorsione armonica è molto inferiore a quella degli SMPS. |
| Applicazioni | |
| SMPS può essere utilizzato come dispositivi portatili grazie alla struttura piccola. Ma poiché genera un rumore ad alta frequenza, gli SMPS non possono essere utilizzati per applicazioni sensibili al rumore come applicazioni RF e audio. | Gli alimentatori lineari sono molto più grandi e non possono essere utilizzati per dispositivi portatili. Poiché non generano rumore e anche la tensione di uscita è pulita, vengono utilizzati per la maggior parte dei test elettrici ed elettronici nei laboratori. |
Riepilogo – SMPS vs alimentatore lineare
Gli alimentatori SMPS e lineari sono due tipi di alimentatori CC in uso. La differenza fondamentale tra SMPS e alimentazione lineare è la topologie utilizzate per la regolazione della tensione e la riduzione della tensione. Mentre l'alimentatore lineare converte la CA in bassa tensione all'inizio, SMPS prima rettifica e filtra la rete CA e quindi passa a una CA ad alta frequenza prima di scendere. Poiché il peso e le dimensioni del trasformatore aumentano al diminuire della frequenza operativa, il trasformatore di ingresso degli alimentatori lineari è molto più pesante e più grande a differenza dell'SMPS. Inoltre, poiché la regolazione della tensione avviene con la dissipazione del calore tramite resistenze, gli alimentatori lineari dovrebbero avere dei dissipatori di calore che li rendano ancora più pesanti. Il regolatore degli SMPS controlla la frequenza di commutazione per controllare la tensione di uscita. Pertanto, gli SMPS sono di dimensioni inferiori e più leggeri. Poiché la generazione di calore in SMPS è inferiore, anche la loro efficienza è maggiore.
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