Diferencia entre SMPS y fuente de alimentación lineal

Diferencia clave - SMPS vs fuente de alimentación lineal
 

La mayoría de los dispositivos electrónicos y eléctricos requieren voltaje de CC para funcionar. Estos dispositivos, especialmente los dispositivos electrónicos con circuitos integrados, deben suministrarse con un voltaje de CC confiable y sin distorsión para que funcionen sin funcionar mal o quemarse. El propósito de una fuente de alimentación de CC es suministrar voltaje de CC limpio a estos dispositivos. Las fuentes de alimentación de CC se clasifican en lineal y en modo conmutado, que son las topologías involucradas para hacer que la fuente de alimentación de CA sea una CC sin problemas. La fuente de alimentación lineal utiliza un transformador para reducir directamente el voltaje de la red de CA a un nivel deseado mientras SMPS convierte CA en CC mediante un dispositivo de conmutación que ayuda a obtener un valor promedio del nivel de voltaje deseado. Esta es la diferencia clave entre SMPS y la fuente de alimentación lineal..

CONTENIDO

1. Resumen y diferencia clave
2. ¿Qué es la fuente de alimentación lineal?
3. ¿Qué es SMPS?
4. Comparación lado a lado: fuente de alimentación lineal y SMPS en forma de tabla
5. Resumen

¿Qué es una fuente de alimentación lineal??

En una fuente de alimentación lineal, la tensión de CA de la red se convierte a una tensión más baja directamente mediante un transformador reductor. Este transformador tiene que manejar una gran potencia, ya que funciona a la frecuencia de la red de CA 50 / 60Hz. Por lo tanto, este transformador es voluminoso y grande, lo que hace que la fuente de alimentación sea pesada y grande..

Luego, el voltaje reducido se rectifica y se filtra para obtener el voltaje de CC requerido para la salida. Como la tensión en este nivel está sujeta a variar dependiendo de las distorsiones de la tensión de entrada, se realiza una regulación de la tensión antes de la salida. El regulador de voltaje en una fuente de alimentación lineal es un regulador lineal, que generalmente es un dispositivo semiconductor que actúa como una resistencia variable. El valor de la resistencia de salida cambia con el requisito de potencia de salida, haciendo que la tensión de salida sea constante. Por lo tanto, el regulador de voltaje funciona como un dispositivo de disipación de energía. La mayoría de las veces, disipa el exceso de energía para hacer que la tensión sea constante. Por lo tanto, el regulador de voltaje debe tener grandes disipadores de calor. Como resultado, las fuentes de alimentación lineales se vuelven mucho más pesadas. Además, como resultado de la disipación de energía por el regulador de voltaje como calor, la eficiencia de una fuente de alimentación lineal cae hasta aproximadamente un 60%..

Sin embargo, las fuentes de alimentación lineales no producen ruido eléctrico en el voltaje de salida. Proporciona aislamiento entre la salida y la entrada debido al transformador. Por lo tanto, las fuentes de alimentación lineales se utilizan para aplicaciones de alta frecuencia, como dispositivos de radiofrecuencia, aplicaciones de audio, pruebas de laboratorio que requieren alimentación sin ruido, procesamiento de señales y amplificadores..

Figura 01: Fuente de alimentación con un regulador de voltaje lineal

¿Qué es SMPS??

SMPS (fuente de alimentación conmutada) opera en un dispositivo de transistor de conmutación. Al principio, la entrada de CA se convierte a voltaje de CC mediante un rectificador, sin reducir el voltaje, a diferencia de una fuente de alimentación lineal. Luego, la tensión de CC experimenta una conmutación de alta frecuencia, generalmente mediante un transistor MOSFET. Es decir, el voltaje a través del MOSFET se activa y desactiva mediante la señal de MOSFET Gate, generalmente una señal modulada en ancho de pulso de aproximadamente 50 kHz (bloque de interruptor / inversor). Después de esta operación de corte, la forma de onda se convierte en una señal de CC pulsada. Después de eso, se usa un transformador reductor para reducir el voltaje de la señal de CC pulsada de alta frecuencia al nivel deseado. Finalmente, se utilizan un rectificador de salida y un filtro para restablecer el voltaje de CC de salida..

Figura 02: Diagrama de bloques de un SMPS

La regulación de voltaje en SMPS se realiza a través de un circuito de retroalimentación que monitorea el voltaje de salida. Si el requerimiento de potencia de la carga es alto, la tensión de salida tiende a aumentar. Este incremento es detectado por el circuito de retroalimentación del regulador y se usa para controlar la relación de encendido / apagado de la señal PWM. Por lo tanto, el voltaje de la señal promedio cambia. Como resultado, la tensión de salida se controla para mantener constante.

El transformador reductor utilizado en el SMPS funciona a una frecuencia alta; por lo tanto, el volumen y el peso del transformador son mucho menores que los de una fuente de alimentación lineal. Esto se convierte en una razón importante para que un SMPS sea mucho más pequeño y liviano que su contraparte de tipo lineal. Además, la regulación de voltaje se realiza sin disipar el exceso de potencia como pérdida óhmica o calor. La eficiencia de las SMPS alcanza un 85-90%.

Al mismo tiempo, un SMPS genera ruido de alta frecuencia debido a la operación de conmutación del MOSFET. Este ruido puede reflejarse en la tensión de salida; sin embargo, en algunos modelos avanzados y costosos, este ruido de salida se mitiga en cierta medida. Además, la conmutación crea interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia también. Por lo tanto, se requiere usar blindaje de RF y filtros EMI en SMPS. Por lo tanto, las SMPS no son adecuadas para aplicaciones de audio y radio frecuencia. Con SMPS se pueden usar equipos menos sensibles al ruido, como cargadores de teléfonos móviles, motores de CC, aplicaciones de alta potencia, etc. Su diseño más liviano y pequeño lo hace conveniente para ser usado como dispositivos portátiles también.

¿Cuál es la diferencia entre SMPS y la fuente de alimentación lineal??

SMPS vs fuente de alimentación lineal
SMPS rectifica directamente la corriente alterna sin reducir la tensión. Luego, el DC convertido se conmuta en alta frecuencia para que un transformador más pequeño lo reduzca al nivel de voltaje deseado. Finalmente, la señal de CA de alta frecuencia se rectifica a la tensión de salida de CC.	La fuente de alimentación lineal reduce la tensión al valor deseado al principio por un transformador más grande. Después de eso, la CA se rectifica y se filtra para hacer que el voltaje de CC de salida.
Regulacion de voltaje
La regulación de voltaje se realiza controlando la frecuencia de conmutación. La tensión de salida es monitoreada por el circuito de realimentación y la variación de tensión se usa para el control de frecuencia..	El voltaje de CC rectificado y filtrado se somete a una resistencia de salida de un divisor de voltaje para generar el voltaje de salida. Esta resistencia es controlable por un circuito de retroalimentación que controla la variación de voltaje de salida.
Eficiencia
La generación de calor en SMPS es comparativamente baja, ya que el transistor de conmutación opera en las regiones de corte y de inanición. El pequeño tamaño del transformador de salida también hace que la pérdida de calor sea pequeña. Por lo tanto, la eficiencia es mayor (85-90%)..	El exceso de potencia se disipa como calor para hacer que la tensión sea constante en una fuente de alimentación lineal. Además, el transformador de entrada es mucho más voluminoso; por lo tanto, las pérdidas del transformador son mayores. Por lo tanto, la eficiencia de una fuente de alimentación lineal es tan baja como 60%.
Construir
El tamaño del transformador de un SMPS no necesita ser grande, ya que funciona en alta frecuencia. Por lo tanto, el peso del transformador también será menor. Como resultado, el tamaño, así como el peso de un SMPS es mucho menor que una fuente de alimentación lineal.	Las fuentes de alimentación lineales son mucho más voluminosas ya que el transformador de entrada debe ser grande debido a la baja frecuencia con la que opera. A medida que se genera más calor en un regulador de voltaje, también se deben usar disipadores de calor..
Distorsiones de ruido y voltaje
SMPS genera un ruido de alta frecuencia debido a la conmutación. Esto pasa a la tensión de salida, así como a la red de entrada a veces. La distorsión armónica en la red eléctrica también podría ser posible en las SMPS..	Las fuentes de alimentación lineales no producen ruido en la tensión de salida. La distorsión armónica es mucho menor que la de las SMPS..
Aplicaciones
Las SMPS se pueden usar como dispositivos portátiles debido a su pequeña construcción. Pero como genera un ruido de alta frecuencia, las SMPS no pueden usarse para aplicaciones sensibles al ruido, como las aplicaciones de RF y audio..	Las fuentes de alimentación lineales son mucho más grandes y no se pueden utilizar para dispositivos portátiles. Como no generan ruido y la tensión de salida también es limpia, se utilizan para la mayoría de las pruebas eléctricas y electrónicas en laboratorios..

Resumen - SMPS vs fuente de alimentación lineal

Las fuentes de alimentación SMPS y lineal son dos tipos de fuentes de alimentación de CC en uso. La diferencia clave entre SMPS y la fuente de alimentación lineal son las topologías utilizadas para la regulación de la tensión y la reducción de la tensión. Mientras que la fuente de alimentación lineal convierte la CA en baja tensión al principio, SMPS primero rectifica y filtra la CA principal y luego cambia a una CA de alta frecuencia antes de abandonar. Como el peso y el tamaño del transformador aumentan a medida que disminuye la frecuencia de operación, el transformador de entrada de las fuentes de alimentación lineales es mucho más pesado y más grande a diferencia del SMPS. Además, como la regulación de voltaje se realiza con disipación de calor a través de resistencias, las fuentes de alimentación lineales deben tener disipadores de calor que los hagan aún más pesados. El regulador de SMPS controla la frecuencia de conmutación para controlar el voltaje de salida. Por lo tanto, las SMPS son más pequeñas en tamaño y más ligeras. Como la generación de calor en SMPS es menor, su eficiencia también es mayor.

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Referencia:

1. “Fuentes de alimentación lineales y reguladores”. Noticias de tecnología y reparación de dispositivos electrónicos. N.p., n.d. Web. Disponible aquí. 14 de junio de 2017.
2. "Fuente de alimentación de modo conmutado". Wikipedia. Fundación Wikimedia, 17 de mayo de 2017. Web. Disponible aquí. 14 de junio de 2017.

Imagen de cortesía:

1. “Fuente de alimentación con regulador de voltaje lineal” Por CLI - Trabajo propio, Dominio público) a través de Commons Wikimedia
2. “Diagrama de bloques de SMPS” Por IE en la Wikipedia en inglés - Transferido de en.wikipedia a Commons por Dcirovic., Dominio público) a través de Commons Wikimedia