È probabile che utilizzi quotidianamente uno smartphone, un laptop o un personal computer. Questi dispositivi elettronici utilizzano la corrente continua (DC) per funzionare. Tuttavia, poiché le famiglie sono normalmente alimentate da correnti alternate ad alta tensione (CA), avrai bisogno di per abbassare la tensione e convertire CA in CC utilizzando un alimentatore come il power brick o il caricabatterie.
Gli alimentatori più comuni utilizzati oggi sono l'alimentatore lineare e switching. Sapere quale utilizzare per applicazioni specifiche manterrà la tua elettronica al sicuro e funzionerà in modo ottimale.
Continua a leggere di seguito per un confronto tra alimentatori lineari e switching.
Cosa sono gli alimentatori lineari e a commutazione?
Gli alimentatori lineari e switching sono dispositivi elettrici utilizzati per alimentare e caricare dispositivi elettronici CC. Questi dispositivi hanno il compito di fare due cose: abbassare la tensione e convertire CA in CC. Sebbene entrambi i dispositivi abbassino e rettifichino la potenza, la differenza nel modo in cui svolgono questi compiti li rende più adatti a determinate applicazioni.
Un alimentatore lineare è un dispositivo utilizzato in operazioni a basso rumore e di precisione. L'uso di pesanti trasformatori e filtri analogici consente a questo alimentatore di produrre tensioni pulite a scapito di bassa efficienza, peso maggiore e dimensioni maggiori. Gli alimentatori lineari sono utilizzati al meglio nelle apparecchiature di registrazione, strumenti musicali elettrici, apparecchiature mediche e strumenti di misurazione di laboratorio ad alta precisione.
Un alimentatore switching o switching mode (SMPS) viene utilizzato per operazioni ad alta efficienza e ad alta corrente. A differenza degli alimentatori lineari, gli alimentatori a commutazione utilizzano componenti a stato solido per modulare e regolare le tensioni in ingresso. Questi alimentatori si basano sulla commutazione ad alta frequenza tramite transistor di potenza, il che li rende rumorosi ma altamente efficienti dal punto di vista energetico, leggeri e compatti. Gli alimentatori a commutazione sono spesso utilizzati in computer, caricabatterie per telefoni, apparecchiature di produzione e molti dispositivi elettronici a bassa tensione.
Come funziona un alimentatore lineare
Utilizzando componenti puramente analogici disponibili negli anni '50, gli alimentatori lineari dovevano fare affidamento su pesanti trasformatori di potenza e ingombranti condensatori elettrolitici per abbassare e rettificare le tensioni. Sebbene allora i transistor fossero già prodotti in serie, le alte tensioni CA producevano semplicemente troppo calore per essere gestite dai transistor.
Ecco uno schema di un alimentatore lineare:
Un alimentatore lineare funziona in tre fasi:
Passo 1: Ridurre l'alta tensione CA in ingresso attraverso l'uso di un trasformatore.
Passo 2: La tensione ridotta passa quindi attraverso un raddrizzatore a ponte intero, che rettifica la tensione CA in tensioni CC pulsanti.
Passaggio 3: I segnali di tensione CC pulsanti passano attraverso un filtro composto da induttori e condensatori. Questo filtro levigante rimuove le fluttuazioni del segnale di una tensione CC pulsante, rendendole utilizzabili per dispositivi elettronici delicati.
Come funziona un alimentatore switching
Gli alimentatori a commutazione sono dispositivi complessi che utilizzano componenti a stato solido per eseguire la commutazione dell'alimentazione ad alta frequenza e un trasformatore con nucleo in ferrite più piccolo. Questi tipi di alimentatori possono aumentare e diminuire le tensioni utilizzando un circuito di retroazione CC per controllare le tensioni di uscita.
Ecco come funzionano:
Passo 1: L'alta tensione CA entra nell'alimentatore attraverso un modulo di protezione del circuito composto da un fusibile e un filtro EMC. Il fusibile è per la protezione da sovratensione e il filtro EMC protegge il circuito dalle ondulazioni del segnale provenienti dall'AC non filtrato.
Passo 2: Dopo aver verificato che il circuito sia ben protetto, l'alta tensione CA viene quindi fatta passare attraverso il secondo modulo composto da un raddrizzatore a ponte intero e un condensatore di livellamento. Il raddrizzatore a ponte intero converte la corrente alternata in corrente continua pulsante, che viene poi livellata da un condensatore.
Passaggio 3: La CC ad alta tensione viene quindi inviata attraverso un driver PWM, che riceve il feedback e controlla un MOSFET di potenza che regola la tensione attraverso la commutazione ad alta frequenza. La commutazione trasforma anche la corrente continua continua in un'onda quadra.
Passaggio 4: L'onda quadra CC ora entra in un trasformatore con nucleo di ferrite, trasformando i segnali in onde quadrate CA.
Passaggio 5: Le onde quadre CA passano attraverso un raddrizzatore a ponte, convertendo il segnale in CC pulsante e quindi facendolo passare attraverso un filtro livellatore. L'uscita finale viene quindi utilizzata per inviare segnali al driver PWM, che crea un circuito di feedback che regola le tensioni di uscita.
Lineare vs. Alimentatori a commutazione
Ci sono diversi motivi per cui si sceglie un alimentatore da utilizzare su applicazioni specifiche. Questi includono spesso efficienza, rumore, affidabilità e riparabilità, dimensioni, peso e costo. Ora che hai un'idea generale di come funzionano, ecco come il loro modo di elaborare l'energia influisce sulle loro prestazioni e usabilità in determinate applicazioni.
Efficienza
Poiché l'elettricità deve passare attraverso una serie di componenti elettrici ed elettronici, il processo di rettifica e regolazione delle tensioni presenterà sempre delle inefficienze. Ma quanto?
A seconda di come sono classificati, gli alimentatori a commutazione possono avere un'efficienza dell'80-92%. Ciò significa che il tuo dispositivo può emettere l'80 - 92% dell'energia che ci hai messo. La sua efficienza deriva dall'utilizzo di componenti più piccoli ma efficienti che regolano le tensioni attraverso la commutazione a bassa tensione ad alta frequenza.
Al contrario, un alimentatore lineare può essere efficiente solo dal 50 al 60% a causa del suo utilizzo di componenti più grandi e meno efficienti.
Rumore e ondulazione del segnale
Sebbene inefficienti, gli alimentatori lineari compensano le loro inefficienze attraverso le loro uscite di segnale stabili, pulite e a basso rumore. L'uso di componenti analogici da parte di un alimentatore lineare consente loro di elaborare l'elettricità in modo fluido e senza commutazione, il che rende la loro uscita a basso ripple o basso rumore.
D'altra parte, gli alimentatori a commutazione si basano sulla commutazione ad alta frequenza di basse tensioni per ridurre il calore, avere migliori efficienze e produrre molto rumore! La quantità di rumore del segnale dipende dal design e dalla qualità dello specifico alimentatore switching.
Dimensioni e peso
Le dimensioni e il peso di un alimentatore possono influire pesantemente sulla sua applicazione su dispositivi elettronici più piccoli. Poiché gli alimentatori lineari utilizzano componenti pesanti e ingombranti, il loro utilizzo su dispositivi elettronici discreti è impossibile a meno che non si utilizzi l'alimentatore come caricabatterie.
Per quanto riguarda gli alimentatori switching, poiché utilizzano componenti piccoli e leggeri, possono essere progettati per essere abbastanza piccoli da integrarsi in dispositivi già più piccoli. Il peso ridotto e le dimensioni ridotte di un alimentatore switching, combinati con la sua efficienza energetica, sono ciò che lo rende applicabile alla maggior parte dei dispositivi elettronici portatili.
Affidabilità e riparabilità
Con parti minori che potrebbero rompersi durante il funzionamento, gli alimentatori lineari offrono uscite coerenti e affidabili. La semplicità nella progettazione e nell'uso dei componenti elettronici più comuni rende più facile per le persone procurarsi parti e riparare forniture lineari.
Avendo componenti più delicati in modo significativo, è più probabile che gli alimentatori a commutazione si rompano prima di un alimentatore lineare. Tuttavia, una buona progettazione e l'uso di componenti di qualità possono rendere gli alimentatori a commutazione molto affidabili, forse anche affidabili quanto gli alimentatori lineari. Il vero problema con gli alimentatori a commutazione è che sono sempre più difficili da riparare quanto più complesso è il loro design.
Efficacia dei costi
In passato, gli alimentatori lineari erano il dispositivo più economico grazie al loro design semplice e all'uso di componenti minori. Inoltre, non ha aiutato il fatto che la produzione di componenti a semiconduttore fosse costosa. Tuttavia, con i semiconduttori sono più richiesti, i produttori sono stati in grado di ridimensionare e rendere i componenti a stato solido esponenzialmente più economici di prima. Ciò, a sua volta, rende molti progetti di alimentatori a commutazione più convenienti rispetto agli alimentatori lineari.
Utilizzo dell'alimentazione appropriata
Quindi questo è tutto ciò che devi sapere sugli alimentatori lineari e switching. Per assicurarti che i tuoi dispositivi elettronici siano al sicuro, utilizza sempre i caricabatterie originali forniti con il dispositivo, ma se non sono disponibili, puoi sempre acquistare un alimentatore.
Prima di acquistare, ricorda che gli alimentatori lineari sono ideali per l'elettronica utilizzata per applicazioni di precisione come strumenti musicali elettrici, radio e strumenti medici, mentre gli alimentatori a commutazione sono utilizzati per situazioni ad alta efficienza come alimentatori per computer, caricabatterie e illuminazione.
