Unterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung

Hauptunterschied - SMPS vs. lineare Stromversorgung
 

Die meisten elektronischen und elektrischen Geräte benötigen Gleichspannung, um funktionieren zu können. Diese Geräte, insbesondere elektronische Geräte mit integrierten Schaltungen, sollten mit einer zuverlässigen, verzerrungsfreien Gleichspannung versorgt werden, damit sie ohne Fehlfunktion oder Verbrennung funktionieren. Der Zweck einer Gleichstromversorgung besteht darin, diese Geräte mit sauberer Gleichspannung zu versorgen. Gleichstromversorgungen werden in Linear- und Schaltmodus unterteilt. Hierbei handelt es sich um die Topologien, die erforderlich sind, um die Wechselstromversorgung in einen glatten Gleichstrom umzuwandeln. Die lineare Stromversorgung verwendet einen Transformator, um die Netzwechselspannung direkt auf ein gewünschtes Niveau herunterzulassen während SMPS wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, indem eine Schaltvorrichtung verwendet wird, die hilft, einen Durchschnittswert des gewünschten Spannungspegels zu erhalten. Dies ist der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung.

INHALT

1. Übersicht und Schlüsseldifferenz
2. Was ist eine lineare Stromversorgung?
3. Was ist SMPS?
4. Side-by-Side-Vergleich - SMPS und lineare Stromversorgung in Tabellenform
5. Zusammenfassung

Was ist eine lineare Stromversorgung??

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

Die abgesetzte Spannung wird dann gleichgerichtet und gefiltert, um die für den Ausgang erforderliche Gleichspannung zu erhalten. Da die Spannung an 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 Linearregler, bei dem es sich normalerweise um ein Halbleiterbauelement handelt, das als variabler Widerstand wirkt. Der Ausgangswiderstandswert ändert sich mit der Ausgangsleistungsanforderung, wodurch die Ausgangsspannung konstant wird. Somit arbeitet der Spannungsregler als eine Verlustleistungsvorrichtung. Die meiste Zeit wird überschüssige Leistung abgebaut, um die Spannung konstant zu halten. Daher sollte der Spannungsregler große Kühlkörper haben. Infolgedessen werden die linearen Stromversorgungen viel schwerer. Darüber hinaus sinkt der Wirkungsgrad einer linearen Stromversorgung durch die Verlustleistung des Spannungsreglers als Wärme um etwa 60%..

Lineare Netzteile erzeugen jedoch kein elektrisches Rauschen bei der Ausgangsspannung. Durch den Transformator ist eine Trennung zwischen Ausgang und Eingang gewährleistet. Daher werden lineare Stromversorgungen für Hochfrequenzanwendungen wie Hochfrequenzgeräte, Audioanwendungen, Labortests, bei denen eine rauschfreie Versorgung erforderlich ist, Signalverarbeitung und Verstärker verwendet.

Abbildung 01: Stromversorgung mit linearem Spannungsregler

Was ist SMPS??

SMPS (Schaltnetzteil) arbeitet an einer Schalttransistorvorrichtung. Zunächst wird der AC-Eingang im Gegensatz zu einer linearen Stromversorgung durch einen Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt, ohne die Spannung zu verringern. Dann wird die Gleichspannung einem Hochfrequenzschalten unterzogen, typischerweise durch einen MOSFET-Transistor. Das heißt, die Spannung durch den MOSFET wird durch ein MOSFET-Gate-Signal ein- und ausgeschaltet, üblicherweise ein pulsbreitenmoduliertes Signal von etwa 50 kHz (Chopper / Inverter-Block). Nach dieser Zerhackungsoperation wird die Wellenform zu einem pulsierten Gleichstromsignal. Danach wird ein Abwärtstransformator verwendet, um die Spannung des gepulsten Hochfrequenz-Gleichstromsignals auf den gewünschten Pegel zu reduzieren. Schließlich werden ein Ausgangsgleichrichter und ein Filter verwendet, um die Ausgangsgleichspannung wieder herzustellen.

Abbildung 02: Blockschaltbild eines SMPS

Die Spannungsregelung in SMPS erfolgt über eine Rückkopplungsschaltung, die die Ausgangsspannung überwacht. Wenn der Leistungsbedarf der Last hoch ist, neigt die Ausgangsspannung dazu, anzusteigen. Dieses Inkrement wird von der Rückkopplungsschaltung des Reglers 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. daher sind das Volumen und das Gewicht des Transformators viel geringer als bei einer linearen Stromversorgung. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass ein SMPS viel kleiner und leichter als sein lineares Pendant ist. Darüber hinaus erfolgt die Spannungsregelung, ohne dass überschüssige Leistung als Ohm'scher Verlust oder Wärme abgeführt wird. Die Effizienz des SMPS erreicht 85-90%.

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

Was ist der Unterschied zwischen SMPS und linearem Netzteil??

SMPS gegen lineare Stromversorgung
SMPS richtet den Wechselstrom direkt aus, ohne die Spannung zu verringern. 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 Ausgangsgleichspannung 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 herzustellen.
Spannungsregulierung
Die Spannungsregelung erfolgt durch Steuerung der Schaltfrequenz. Die Ausgangsspannung wird durch die 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 ist durch eine Rückkopplungsschaltung steuerbar, die die Änderung der Ausgangsspannung überwacht.
Effizienz
Die Wärmeentwicklung in SMPS ist vergleichsweise gering, da der Schalttransistor in den Sperr- und Sperrbereichen arbeitet. Die geringe Größe des Ausgangstransformators macht auch den Wärmeverlust klein. 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 ist der Wirkungsgrad einer linearen Stromversorgung so niedrig wie 60%..
Bauen
Die Transformatorgröße eines SMPS muss nicht groß sein, da er hochfrequent arbeitet. Daher ist auch das Gewicht des Transformators geringer. Folglich ist die Größe sowie das Gewicht eines SMPS viel geringer als bei einer linearen Stromversorgung.	Lineare Stromversorgungen sind viel sperriger, da der Eingangstransformator aufgrund der niedrigen Frequenz, auf der er arbeitet, groß sein muss. Da in einem Spannungsregler mehr Wärme erzeugt wird, sollten auch Kühlkörper verwendet werden.
Geräusch- und Spannungsverzerrungen
SMPS erzeugt durch Schalten ein hochfrequentes Rauschen. Diese geht in die Ausgangsspannung über, sowie manchmal in das Netz. Eine harmonische Verzerrung der Netzspannung 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 es jedoch ein hochfrequentes Rauschen erzeugt, können SMPS nicht für geräuschempfindliche Anwendungen wie HF- und Audioanwendungen verwendet werden.	Lineare Stromversorgungen 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 Laboratorien verwendet.

Zusammenfassung - SMPS vs Linear Power Supply

SMPS- und Linear-Stromversorgungen sind zwei Arten von verwendeten Gleichstrom-Stromversorgungen. Der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearer Stromversorgung liegt in den für die Spannungsregelung und Spannungsabsenkung verwendeten Topologien. Während das lineare Netzteil zu Beginn Wechselspannung in niedrige Spannung umwandelt, richtet und filtert SMPS zunächst den Netzwechselstrom und wechselt dann zu einem Hochfrequenzwechselstrom, bevor er herunterfährt. Da das Gewicht und die Größe des Transformators mit abnehmender Betriebsfrequenz zunehmen, ist der Eingangstransformator der linearen Netzteile im Gegensatz zum SMPS viel schwerer und größer. Da die Spannungsregulierung durch Wärmeableitung durch Widerstände erfolgt, sollten lineare Stromversorgungen außerdem Kühlkörper haben, die sie noch schwerer machen. Der Regler von SMPSs steuert die Schaltfrequenz zur Steuerung der Ausgangsspannung. Daher sind SMPS kleiner und leichter. Da die Wärmeentwicklung in SMPS geringer ist, ist auch deren Wirkungsgrad höher.

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Referenz:

1. „Lineare Stromversorgungen und Regler“. Neuigkeiten aus der Elektronikreparatur und -technologie. N.p., n. D. Netz. Hier verfügbar. 14. Juni 2017.
2. „Schaltnetzteil“. Wikipedia. Wikimedia Foundation, 17. Mai 2017. Web. Hier verfügbar. 14. Juni 2017.

Bildhöflichkeit:

1. "Stromversorgung mit linearem Spannungsregler" (von CLI - Eigene Arbeit, Public Domain) über Commons Wikimedia
2. "SMPS Block Diagram" von IE in der Wikipedia auf Englisch - Übertragung von en.wikipedia auf Commons von Dcirovic., Public Domain) über Commons Wikimedia