Verjetno vsakodnevno uporabljate pametni telefon, prenosnik ali osebni računalnik. Te elektronske naprave za delovanje uporabljajo enosmerni tok (DC). Ker pa gospodinjstva običajno napajajo visokonapetostni izmenični tokovi (AC), boste potrebovali za znižanje napetosti in pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni z uporabo napajalnika, kot je napajalna enota ali polnilnik.
Najpogostejši napajalniki, ki se danes uporabljajo, so linearni in stikalni napajalniki. Če veste, katerega uporabiti za določene aplikacije, bo vaša elektronika varna in optimalno delovala.
Nadaljujte z branjem spodaj za primerjavo med linearnimi in stikalnimi napajalniki.
Kaj so linearni in stikalni napajalniki?
Linearni in stikalni napajalniki so električne naprave, ki se uporabljajo za napajanje in polnjenje enosmernih elektronskih naprav. Te naprave imajo nalogo narediti dve stvari: znižati napetost in pretvoriti AC v DC. Čeprav obe napravi znižujeta in usmerjata moč, sta zaradi razlike v tem, kako dosegata te naloge, bolj primerni za nekatere aplikacije.
Linearni napajalnik je naprava, ki se uporablja pri tihih in natančnih operacijah. Njegova uporaba težkih transformatorjev in analognih filtrov omogoča temu napajalniku, da oddaja čiste napetosti za ceno nizke učinkovitosti, večje teže in večje velikosti. Linearni napajalniki se najbolje uporabljajo v snemalni opremi, električni glasbeni instrumenti, medicinske opreme in visoko natančnih laboratorijskih merilnih orodij.
Preklopni ali stikalni napajalnik (SMPS) se uporablja za visoko učinkovite in visokotokovne operacije. Za razliko od linearnih napajalnikov, stikalni napajalniki uporabljajo polprevodniške komponente za modulacijo in regulacijo vhodnih napetosti. Ti napajalniki se zanašajo na visokofrekvenčno preklapljanje z močnostnimi tranzistorji, zaradi česar so hrupni, a zelo energetsko učinkoviti, lahki in kompaktni. Stikalni napajalniki se pogosto uporabljajo v računalnikih, polnilcih telefonov, proizvodni opremi in številnih nizkonapetostnih elektronskih napravah.
Kako deluje linearni napajalnik
Z uporabo popolnoma analognih komponent, ki so bile na voljo v 50-ih, so se morali linearni napajalniki zanašati na težke močnostne transformatorje in zajetne elektrolitske kondenzatorje za znižanje in usklajevanje napetosti. Čeprav so bili tranzistorji takrat že množično proizvedeni, so visoke izmenične napetosti preprosto proizvedle preveč toplote, da bi jih tranzistorji zdržali.
Tukaj je shema linearnega napajanja:
Linearni napajalnik deluje v treh korakih:
Korak 1: Znižajte vhodno visoko AC napetost z uporabo transformatorja.
2. korak: Znižana napetost gre nato skozi mostovni usmernik, ki izmenično napetost popravi v pulzirajočo enosmerno napetost.
3. korak: Utripajoči enosmerni napetostni signali gredo skozi filter, sestavljen iz induktorjev in kondenzatorjev. Ta filter za glajenje odstrani nihanja signala pulzirajoče enosmerne napetosti, zaradi česar so uporabni za občutljive elektronske naprave.
Kako deluje stikalni napajalnik
Stikalni napajalniki so kompleksne naprave, ki uporabljajo polprevodniške komponente za visokofrekvenčno preklapljanje moči in manjši transformator s feritnim jedrom. Te vrste napajalnikov lahko dvignejo in znižajo napetost z uporabo povratne zanke enosmernega toka za nadzor izhodnih napetosti.
Evo, kako delujejo:
Korak 1: Visokonapetostni izmenični tok vstopi v napajanje prek zaščitnega modula tokokroga, sestavljenega iz varovalke in filtra EMC. Varovalka je za zaščito pred prenapetostjo, filter EMC pa ščiti vezje pred valovanjem signala, ki prihaja iz nefiltriranega AC.
2. korak: Ko se prepričate, da je tokokrog dobro zaščiten, se visokonapetostni izmenični tok prenese skozi drugi modul, sestavljen iz polnega mostičnega usmernika in gladilnega kondenzatorja. Polnomostni usmernik pretvori izmenični tok v pulzirajoči enosmerni tok, ki ga nato zgladi kondenzator.
3. korak: Visokonapetostni enosmerni tok se nato pošlje skozi gonilnik PWM, ki sprejema povratne informacije in krmili močnostni MOSFET, ki uravnava napetost z visokofrekvenčnim preklapljanjem. Preklapljanje prav tako spremeni ravni enosmerni tok v kvadratni val.
4. korak: Enosmerni kvadratni val zdaj vstopi v transformator s feritnim jedrom in pretvori signale nazaj v AC kvadratne valove.
5. korak: pravokotni valovi izmeničnega toka prehajajo skozi mostični usmernik, pretvorijo signal v pulzirajoči enosmerni in ga nato preidejo skozi filter za glajenje. Končni izhod se nato uporabi za pošiljanje signalov gonilniku PWM, ki tvori povratno zanko, ki uravnava izhodne napetosti.
Linearni vs. Stikalni napajalniki
Obstajajo različni razlogi, zakaj je napajalnik izbran za uporabo v določenih aplikacijah. Ti pogosto vključujejo učinkovitost, hrup, zanesljivost in popravljivost, velikost in težo ter stroške. Zdaj, ko imate splošno predstavo o tem, kako delujejo, si oglejte, kako njihov način obdelave energije vpliva na njihovo delovanje in uporabnost v določenih aplikacijah.
Učinkovitost
Ker mora električna energija preiti skozi vrsto električnih in elektronskih komponent, bo postopek usmerjanja in regulacije napetosti vedno imel neučinkovitost. Toda koliko?
Odvisno od njihove nazivne vrednosti imajo lahko stikalni napajalniki izkoristek 80 - 92 %. To pomeni, da lahko vaša naprava proizvede 80–92 % energije, ki ste jo vložili vanjo. Njegova učinkovitost izhaja iz uporabe manjših, a učinkovitih komponent, ki uravnavajo napetost z visokofrekvenčnim preklapljanjem nizke napetosti.
Nasprotno pa je lahko linearni napajalnik zaradi uporabe večjih in manj učinkovitih komponent energijsko učinkovit le 50–60 %.
Šum in valovanje signala
Čeprav so neučinkoviti, linearni napajalniki kompenzirajo svojo neučinkovitost s svojimi stabilnimi, čistimi in tihimi izhodnimi signali. Uporaba analognih komponent pri linearnem napajalniku omogoča obdelavo električne energije gladko in brez preklapljanja, zaradi česar je njihov izhod nizek valovitost ali hrup.
Po drugi strani pa se stikalni napajalniki zanašajo na visokofrekvenčno preklapljanje nizkih napetosti, da zmanjšajo toploto, imajo večjo učinkovitost in proizvajajo veliko hrupa! Količina signalnega šuma je odvisna od zasnove in kakovosti specifičnega preklopnega napajanja.
Velikost in teža
Velikost in teža napajalnika lahko močno vplivata na njegovo uporabo na manjših elektronskih napravah. Ker linearni napajalniki uporabljajo težke in zajetne komponente, je njihova uporaba na diskretnih elektronskih napravah nemogoča, razen če napajalnik uporabljate kot polnilnik.
Kar zadeva stikalne napajalnike, ker uporabljajo majhne in lahke komponente, jih je mogoče oblikovati tako, da so dovolj majhni, da jih je mogoče vključiti v že manjše naprave. Nizka teža in majhnost stikalnega napajalnika v kombinaciji z njegovo energetsko učinkovitostjo sta tisto, zaradi česar je uporaben za veliko večino ročnih elektronskih naprav.
Zanesljivost in popravljivost
Z manjšimi deli, ki bi se lahko zlomili med delovanjem, ponujajo linearni napajalniki dosledne in zanesljive izhode. Enostavnost oblikovanja in uporabe pogostejših elektronskih komponent ljudem olajšata pridobivanje delov in popravilo linearnih zalog.
Zaradi občutljivejših komponent je večja verjetnost, da se bodo stikalni napajalniki pokvarili pred linearnim napajalnikom. Vendar lahko z dobrim dizajnom in uporabo kakovostnih komponent postanejo stikalni napajalniki zelo zanesljivi, morda celo tako zanesljivi kot linearni napajalniki. Resnična težava stikalnih napajalnikov je, da jih je čedalje težje popraviti, čim bolj zapletena je njihova zasnova.
Stroškovna učinkovitost
V preteklosti so bili linearni napajalniki stroškovno učinkovitejša naprava zaradi preproste zasnove in uporabe manjšega števila komponent. Prav tako ni pomagalo, da je bila proizvodnja polprevodniških komponent draga. Vendar pa s polprevodniki so bolj iskani, so proizvajalci lahko razširili in naredili polprevodniške komponente eksponentno cenejše kot prej. Zaradi tega so številni modeli stikalnih napajalnikov stroškovno učinkovitejši od linearnih napajalnikov.
Uporaba ustreznega napajalnika
To je torej vse, kar boste morali vedeti o linearnih in stikalnih napajalnikih. Če želite zagotoviti, da so vaše elektronske naprave varne, vedno uporabljajte originalne polnilnike, ki ste jih dobili z napravo, če pa niso na voljo, lahko vedno kupite napajalnik.
Pred nakupom ne pozabite, da so linearni napajalniki idealni za elektroniko, ki se uporablja za natančne aplikacije, kot so električni glasbeni instrumenti, radijski sprejemniki in medicinska orodja, medtem ko se stikalni napajalniki uporabljajo za situacije z visokim izkoristkom, kot so računalniški napajalniki, polnilniki in osvetlitev.
