Valószínűleg napi rendszerességgel használ okostelefont, laptopot vagy személyi számítógépet. Ezek az elektronikus eszközök egyenáramot (DC) használnak a működésükhöz. Mivel azonban a háztartások általában nagyfeszültségű váltóáramról (AC) működnek, szüksége lesz rá csökkentheti a feszültséget és átalakíthatja a váltakozó áramot egyenárammá egy tápegység, például a tápegység vagy a töltő segítségével.
A manapság legelterjedtebb tápegységek a lineáris és kapcsolóüzemű tápegységek. Ha tudja, melyiket használja az adott alkalmazásokhoz, az elektronika biztonságban lesz és optimálisan működik.
Olvassa tovább az alábbiakat a lineáris és a kapcsolóüzemű tápegységek összehasonlításához.
Mik azok a lineáris és kapcsolótápegységek?
A lineáris és kapcsolóüzemű tápegységek egyenáramú elektronikus eszközök táplálására és töltésére használt elektromos eszközök. Ezeknek az eszközöknek két feladatuk van: csökkentsék a feszültséget és átalakítsák a váltakozó áramot egyenárammá. Bár mindkét eszköz csökkenti és egyenirányítja az áramellátást, a feladatok teljesítésének módjában mutatkozó különbség miatt jobban megfelelnek bizonyos alkalmazásokhoz.
A lineáris tápegység alacsony zajszintű és precíziós műveletekhez használt eszköz. A nehéz transzformátorok és analóg szűrők használata lehetővé teszi, hogy ez a tápegység tiszta feszültséget adjon ki alacsony hatásfok, nagyobb súly és nagyobb méret árán. A lineáris tápegységeket legjobban a felvevőkészülékekben lehet használni, elektromos hangszerek, orvosi berendezések és nagy pontosságú laboratóriumi mérőeszközök.
Kapcsoló vagy kapcsolóüzemű tápegységet (SMPS) használnak a nagy hatásfokú és nagyáramú műveletekhez. A lineáris tápegységekkel ellentétben a kapcsolóüzemű tápegységek szilárdtest-komponenseket használnak a bejövő feszültségek modulálására és szabályozására. Ezek a tápegységek teljesítménytranzisztorokat használó nagyfrekvenciás kapcsoláson alapulnak, így zajosak, de rendkívül energiahatékonyak, könnyűek és kompaktak. A kapcsolóüzemű tápegységeket gyakran használják számítógépekben, telefontöltőkben, gyártóberendezésekben és számos alacsony feszültségű elektronikai eszközben.
Hogyan működik a lineáris tápegység
Az 50-es években elérhető, tisztán analóg alkatrészeket használva a lineáris tápegységeknek nehéz teljesítménytranszformátorokra és terjedelmes elektrolitkondenzátorokra kellett támaszkodniuk a feszültség csökkentésére és egyenirányítására. Bár a tranzisztorokat már akkor tömegesen gyártották, a nagy váltakozó feszültség egyszerűen túl sok hőt termelt ahhoz, hogy a tranzisztorok kezelni tudják.
Itt van egy lineáris tápegység vázlata:
A lineáris tápegység három lépésben működik:
1. lépés: Csökkentse a bejövő nagy váltakozó feszültséget transzformátor használatával.
2. lépés: A csökkentett feszültség ezután egy teljes áthidaló egyenirányítón megy keresztül, amely a váltakozó feszültséget pulzáló egyenfeszültségre egyenirányítja.
3. lépés: A pulzáló DC feszültségjelek induktorokból és kondenzátorokból álló szűrőn haladnak át. Ez a kisimító szűrő eltávolítja a pulzáló egyenfeszültség jelingadozásait, így kényes elektronikai eszközökhöz is használható.
Hogyan működik a kapcsolóüzemű tápegység
A kapcsolóüzemű tápegységek olyan összetett eszközök, amelyek szilárdtest-komponenseket használnak a nagyfrekvenciás teljesítménykapcsoláshoz és egy kisebb ferritmagos transzformátort. Az ilyen típusú tápegységek egyenáramú visszacsatoló hurok használatával növelhetik és csökkenthetik a feszültséget a kimeneti feszültségek szabályozására.
Így működnek:
1. lépés: A nagyfeszültségű váltóáram egy biztosítékból és egy EMC-szűrőből álló áramkörvédelmi modulon keresztül lép be a tápegységbe. A biztosíték a túlfeszültség elleni védelemre szolgál, az EMC szűrő pedig védi az áramkört a szűretlen váltakozó áramból érkező jelhullámoktól.
2. lépés: Miután megbizonyosodott arról, hogy az áramkör jól védett, a nagyfeszültségű váltóáram áthalad a második modulon, amely egy teljes híd egyenirányítóból és simító kondenzátorból áll. A teljes híd egyenirányító a váltakozó áramot pulzáló egyenárammá alakítja, amelyet ezután egy kondenzátor simít.
3. lépés: A nagyfeszültségű egyenáramot ezután egy PWM meghajtón keresztül továbbítják, amely visszacsatolást vesz, és vezérel egy teljesítmény MOSFET-et, amely nagyfrekvenciás kapcsoláson keresztül szabályozza a feszültséget. A kapcsolás az egyenes egyenáramot is négyszöghullámmá alakítja.
4. lépés: Az egyenáramú négyszöghullám most egy ferritmagos transzformátorba lép be, és a jeleket AC négyszöghullámokká alakítja vissza.
5. lépés: Az AC négyszöghullámok áthaladnak egy híd-egyenirányítón, a jelet pulzáló egyenárammá alakítják, majd egy simítószűrőn vezetik át. A végső kimenetet ezután arra használják, hogy jeleket küldjenek a PWM meghajtónak, amely visszacsatoló hurkot hoz létre, amely szabályozza a kimeneti feszültséget.
Lineáris vs. Kapcsoló tápegységek
Különböző okok miatt választanak tápegységet bizonyos alkalmazásokhoz. Ezek gyakran a hatékonyságot, a zajt, a megbízhatóságot és a javíthatóságot, a méretet és súlyt, valamint a költségeket foglalják magukban. Most, hogy általános elképzelése van a működésükről, az alábbiakban bemutatjuk, hogyan befolyásolja teljesítményüket és használhatóságukat bizonyos alkalmazásokban az energiafeldolgozás módja.
Hatékonyság
Mivel az elektromos áramnak több elektromos és elektronikus alkatrészen kell keresztülhaladnia, a feszültségek egyenirányítási és szabályozási folyamata mindig hatástalan lesz. De mennyit?
Besorolásuktól függően a kapcsolóüzemű tápegységek hatásfoka 80-92%. Ez azt jelenti, hogy eszköze a beléjük fordított energia 80-92%-át képes leadni. Hatékonysága kisebb, de hatékony alkatrészek használatából származik, amelyek nagyfrekvenciás alacsony feszültségű kapcsolásokkal szabályozzák a feszültséget.
Ezzel szemben a lineáris tápegység csak 50-60%-os energiahatékonyságú lehet, mivel nagyobb és kevésbé hatékony alkatrészeket használ.
Jelzaj és hullámzás
Noha nem hatékonyak, a lineáris tápegységek stabil, tiszta, alacsony zajszintű jelkimeneteikkel kompenzálják hatékonyságukat. A lineáris tápegység analóg komponenseinek használata lehetővé teszi számukra, hogy zökkenőmentesen és kapcsolásmentesen dolgozzák fel az áramot, ami alacsony hullámzást vagy alacsony zajszintet eredményez.
Másrészt a kapcsolóüzemű tápegységek az alacsony feszültségek nagyfrekvenciás kapcsolására támaszkodnak, hogy csökkentsék a hőt, jobbak legyenek a hatásfok – és sok zajt produkáljanak! A jelzaj mértéke az adott kapcsolóüzemű tápegység kialakításától és minőségétől függ.
Méret és súly
A tápegység mérete és súlya nagymértékben befolyásolhatja a kisebb elektronikus eszközökön való alkalmazását. Mivel a lineáris tápegységek nehéz és terjedelmes alkatrészeket használnak, diszkrét elektronikus eszközökön történő felhasználásuk lehetetlen, hacsak nem töltőként használja a tápegységet.
Ami a kapcsolóüzemű tápegységeket illeti, mivel kisméretű és könnyű alkatrészeket használnak, elég kicsire tervezhetők ahhoz, hogy már kisebb eszközökbe is beépíthetők legyenek. A kapcsolóüzemű tápegység kis súlya és kis mérete energiahatékonyságával párosulva teszi alkalmazhatóvá a kézi elektronikus eszközök nagy többségében.
Megbízhatóság és javíthatóság
A kisebb alkatrészekkel, amelyek működés közben eltörhetnek, a lineáris tápegységek egyenletes és megbízható kimenetet kínálnak. A gyakoribb elektronikus alkatrészek tervezésének és használatának egyszerűsége megkönnyíti az alkatrészek beszerzését és a lineáris kellékanyagok javítását.
A lényegesen kényesebb alkatrészek miatt a kapcsolóüzemű tápegységek nagyobb valószínűséggel szakadnak meg, mint a lineáris tápegységek. A jó tervezés és a minőségi alkatrészek használata azonban nagyon megbízhatóvá teheti a kapcsolóüzemű tápegységeket, sőt, akár a lineáris tápegységeket is. Az igazi probléma a kapcsolóüzemű tápegységekkel az, hogy minél bonyolultabb a kialakításuk, egyre nehezebb javítani őket.
Költséghatékonyság
A múltban a lineáris tápegységek voltak a költséghatékonyabb eszközök egyszerű tervezésük és kevesebb komponens felhasználása miatt. Az sem segített, hogy a félvezető alkatrészek gyártása drága volt. Azonban azzal a félvezetőkre nagyobb a kereslet, a gyártók a korábbiaknál exponenciálisan olcsóbbá tudták tenni a szilárdtest-komponenseket. Ez viszont sok kapcsolóüzemű tápegység-konstrukciót költséghatékonyabbá tesz, mint a lineáris tápegységek.
A megfelelő tápegység használata
Tehát nagyjából ennyi, amit a lineáris és kapcsolóüzemű tápegységekről tudnia kell. Az elektronikus készülékek biztonsága érdekében mindig az eszközhöz mellékelt eredeti töltőket használja, de ha ezek nem állnak rendelkezésre, mindig vásárolhat hálózati adaptert.
Vásárlás előtt ne feledje, hogy a lineáris tápegységek ideálisak a precíziós alkalmazásokhoz használt elektronikához, például elektromos hangszerekhez, rádiók és orvosi eszközök, míg a kapcsolóüzemű tápegységeket olyan nagy hatékonyságú helyzetekben használják, mint például a számítógépes tápegységek, töltők és világítás.