U gebruikt waarschijnlijk dagelijks een smartphone, laptop of pc. Deze elektronische apparaten gebruiken gelijkstroom (DC) om te werken. Aangezien huishoudens echter normaal gesproken worden gevoed door hoogspanningswisselstromen (AC), heeft u deze nodig om de spanning te verlagen en AC naar DC om te zetten met behulp van een voeding zoals uw power brick of oplader.
De meest gebruikte voedingen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn de lineaire en schakelende voedingen. Als u weet welke u voor specifieke toepassingen moet gebruiken, blijft uw elektronica veilig en blijft deze optimaal werken.
Lees hieronder verder voor een vergelijking tussen lineaire en schakelende voedingen.
Wat zijn lineaire en schakelende voedingen?
Lineaire en schakelende voedingen zijn elektrische apparaten die worden gebruikt voor het voeden en opladen van elektronische DC-apparaten. Deze apparaten hebben de taak om twee dingen te doen: de spanning verlagen en wisselstroom omzetten in gelijkstroom. Hoewel beide apparaten het vermogen verlagen en corrigeren, maakt het verschil in hoe ze deze taken uitvoeren, ze beter geschikt voor bepaalde toepassingen.
Een lineaire voeding is een apparaat dat wordt gebruikt bij geluidsarme en nauwkeurige bewerkingen. Door het gebruik van zware transformatoren en analoge filters kan deze voeding zuivere spanningen leveren ten koste van een laag rendement, zwaarder gewicht en grotere afmetingen. Lineaire voedingen worden het best gebruikt in opnameapparatuur, elektrische muziekinstrumenten, medische apparatuur en uiterst nauwkeurige laboratoriummeetinstrumenten.
Een geschakelde of schakelende voeding (SMPS) wordt gebruikt voor zeer efficiënte en hogestroombewerkingen. In tegenstelling tot lineaire voedingen, maken schakelende voedingen gebruik van solid-state componenten om binnenkomende spanningen te moduleren en te regelen. Deze voedingen zijn afhankelijk van hoogfrequente schakeling met behulp van vermogenstransistors, waardoor ze lawaaierig maar zeer energiezuinig, lichtgewicht en compact zijn. Schakelende voedingen worden vaak gebruikt in computers, telefoonopladers, productieapparatuur en veel elektronische laagspanningsapparaten.
Hoe een lineaire voeding werkt
Met behulp van puur analoge componenten die beschikbaar waren in de jaren 50, moesten lineaire voedingen vertrouwen op zware stroomtransformatoren en omvangrijke elektrolytische condensatoren om spanningen te verlagen en gelijk te maken. Hoewel transistors toen al in massa werden geproduceerd, produceerden hoge wisselspanningen simpelweg te veel warmte voor transistors.
Hier is een schema van een lineaire voeding:
Een lineaire voeding werkt in drie stappen:
Stap 1: Verlaag de inkomende hoge wisselspanning door het gebruik van een transformator.
Stap 2: De verlaagde spanning gaat vervolgens door een volledige bruggelijkrichter, die wisselspanning gelijkricht naar pulserende gelijkspanningen.
Stap 3: De pulserende gelijkspanningssignalen gaan door een filter dat bestaat uit inductoren en condensatoren. Dit afvlakfilter verwijdert de signaalfluctuaties van een pulserende gelijkspanning, waardoor ze bruikbaar zijn voor delicate elektronische apparaten.
Hoe een schakelende voeding werkt
Schakelende voedingen zijn complexe apparaten die solid-state componenten gebruiken om hoogfrequente voedingen te schakelen en een kleinere ferrietkerntransformator. Dit soort voedingen kunnen spanningen verhogen en verlagen door een DC-feedbacklus te gebruiken om de uitgangsspanningen te regelen.
Hier is hoe ze werken:
Stap 1: De AC met hoog voltage komt de voeding binnen via een circuitbeveiligingsmodule die bestaat uit een zekering en een EMC-filter. De zekering is voor overspanningsbeveiliging en het EMC-filter beschermt het circuit tegen de signaalrimpels die afkomstig zijn van de ongefilterde AC.
Stap 2: Nadat ervoor is gezorgd dat het circuit goed is beschermd, wordt de hoogspanningswisselstroom door de tweede module geleid die bestaat uit een volledige bruggelijkrichter en afvlakcondensator. De volledige bruggelijkrichter zet wisselstroom om in pulserende gelijkstroom, die vervolgens wordt afgevlakt door een condensator.
Stap 3: De hoogspanningsgelijkstroom wordt vervolgens door een PWM-driver gestuurd, die feedback ontvangt en een vermogens-MOSFET bestuurt die de spanning regelt door middel van hoogfrequente schakeling. Door het schakelen wordt de rechte gelijkstroom ook een blokgolf.
Stap 4: De DC-blokgolf gaat nu een ferrietkerntransformator binnen, waardoor de signalen weer worden omgezet in AC-blokgolven.
Stap 5: De AC-blokgolven gaan door een bruggelijkrichter, zetten het signaal om in pulserende gelijkstroom en laten het vervolgens door een afvlakkingsfilter gaan. De uiteindelijke uitvoer wordt vervolgens gebruikt om signalen naar de PWM-driver te sturen, die een feedbacklus vormt die de uitgangsspanningen regelt.
Lineair versus Schakelende voedingen
Er zijn verschillende redenen waarom een voeding wordt gekozen voor gebruik bij specifieke toepassingen. Deze omvatten vaak efficiëntie, geluid, betrouwbaarheid en repareerbaarheid, grootte en gewicht, en kosten. Nu je een algemeen idee hebt van hoe ze werken, is hier hoe hun manier van energieverwerking hun prestaties en bruikbaarheid in bepaalde toepassingen beïnvloedt.
Efficiëntie
Omdat elektriciteit door een reeks elektrische en elektronische componenten moet gaan, zal het proces van het gelijkrichten en reguleren van spanningen altijd inefficiënties hebben. Maar hoeveel?
Afhankelijk van hoe ze zijn beoordeeld, kunnen schakelende voedingen een efficiëntie van 80 - 92% hebben. Dit betekent dat uw apparaat 80 - 92% van de energie kan uitvoeren die u erin hebt gestopt. De efficiëntie komt van het gebruik van kleinere maar efficiënte componenten die spanningen regelen door middel van hoogfrequente laagspanningsschakeling.
Daarentegen kan een lineaire voeding slechts 50 - 60% energiezuinig zijn vanwege het gebruik van grotere en minder efficiënte componenten.
Signaalruis en rimpel
Hoewel inefficiënt, compenseren lineaire voedingen hun inefficiëntie door hun stabiele, zuivere, ruisarme signaaluitgangen. Het gebruik van analoge componenten van een lineaire voeding stelt hen in staat om de elektriciteit op een soepele en niet-schakelende manier te verwerken, waardoor hun output laagrimpelend of geluidsarm is.
Aan de andere kant zijn schakelende voedingen afhankelijk van hoogfrequente schakeling van lage spanningen om warmte te verminderen, betere efficiëntie te hebben en veel lawaai te produceren! De hoeveelheid signaalruis hangt af van het ontwerp en de kwaliteit van de specifieke schakelende voeding.
Grootte en gewicht
De grootte en het gewicht van een voeding kunnen de toepassing ervan op kleinere elektronische apparaten sterk beïnvloeden. Aangezien lineaire voedingen gebruik maken van zware en omvangrijke componenten, is het gebruik ervan op discrete elektronische apparaten onmogelijk, tenzij u de voeding als oplader gebruikt.
Wat betreft schakelende voedingen, aangezien ze gebruik maken van kleine en lichtgewicht componenten, kunnen ze zo worden ontworpen dat ze klein genoeg zijn om te worden geïntegreerd in toch al kleinere apparaten. Het lage gewicht en het kleine formaat van een schakelende voeding in combinatie met de energie-efficiëntie maken het toepasbaar op de grote meerderheid van draagbare elektronische apparaten.
Betrouwbaarheid en herstelbaarheid
Met kleinere onderdelen die tijdens bedrijf kunnen breken, bieden lineaire voedingen consistente en betrouwbare outputs. De eenvoud in ontwerp en het gebruik van meer gebruikelijke elektronische componenten maken het voor mensen gemakkelijker om onderdelen te vinden en lineaire benodigdheden te repareren.
Omdat er meer delicate componenten zijn, is de kans groter dat schakelende voedingen kapot gaan dan een lineaire voeding. Een goed ontwerp en het gebruik van hoogwaardige componenten kunnen schakelende voedingen echter zeer betrouwbaar maken, misschien zelfs zo betrouwbaar als lineaire voedingen. Het echte probleem met schakelende voedingen is dat ze steeds moeilijker te repareren zijn naarmate hun ontwerp complexer wordt.
Kosten efficiëntie
In het verleden waren lineaire voedingen het meest kosteneffectieve apparaat vanwege hun eenvoudige ontwerp en het gebruik van kleinere componenten. Het hielp ook niet dat het vervaardigen van halfgeleidercomponenten duur was. Echter met er is meer vraag naar halfgeleiderskonden fabrikanten opschalen en solid-state componenten exponentieel goedkoper maken dan voorheen. Dit maakt op zijn beurt veel ontwerpen voor schakelende voedingen kosteneffectiever dan lineaire voedingen.
Gebruik van de juiste voeding
Dat is dus ongeveer alles wat u moet weten over lineaire en schakelende voedingen. Om ervoor te zorgen dat uw elektronische apparaten veilig zijn, gebruikt u altijd de originele opladers die bij het apparaat zijn geleverd. Als deze niet beschikbaar zijn, kunt u altijd een voedingsadapter kopen.
Denk er vóór aankoop aan dat lineaire voedingen ideaal zijn voor elektronica die wordt gebruikt voor precisietoepassingen zoals elektrische muziekinstrumenten, radio's en medische hulpmiddelen, terwijl schakelende voedingen worden gebruikt voor situaties met een hoog rendement, zoals computervoedingen, opladers en verlichting.
