Diferença chave – SMPS vs Fonte de alimentação linear
A maioria dos dispositivos eletrônicos e elétricos requer tensão CC para funcionar. Esses dispositivos, especialmente dispositivos eletrônicos com circuitos integrados, devem ser fornecidos com uma tensão CC confiável e sem distorção para que funcionem sem mau funcionamento ou queima. A finalidade de uma fonte de alimentação CC é fornecer tensão CC limpa a esses dispositivos. As fontes de alimentação CC são categorizadas em modo linear e comutado, que são as topologias envolvidas para tornar a fonte de alimentação CA em CC suave. A fonte de alimentação linear usa um transformador para reduzir diretamente a tensão da rede CA para um nível desejado, enquanto o SMPS converte CA em CC usando um dispositivo de comutação que ajuda a obter um valor médio do nível de tensão desejado. Esta é a principal diferença entre SMPS e fonte de alimentação linear.
O que é uma fonte de alimentação linear?
Em uma fonte de alimentação linear, a tensão CA da rede é convertida para uma tensão mais baixa diretamente por um transformador abaixador. Este transformador tem que lidar com uma grande potência, pois funciona na frequência da rede CA 50/60Hz. Portanto, este transformador é volumoso e grande, tornando a fonte de alimentação pesada e grande.
A tensão reduzida é então retificada e filtrada para obter a tensão CC necessária para a saída. Como a tensão neste nível está sujeita a variar dependendo das distorções da tensão de entrada, uma regulação de tensão é feita antes da saída. O regulador de tensão em uma fonte de alimentação linear é um regulador linear, que geralmente é um dispositivo semicondutor que atua como um resistor variável. O valor da resistência de saída muda com o requisito de potência de saída, tornando a tensão de saída constante. Assim, o regulador de tensão funciona como um dispositivo de dissipação de energia. Na maioria das vezes, dissipa o excesso de energia para tornar a tensão constante. Portanto, o regulador de tensão deve ter grandes dissipadores de calor. Como resultado, as fontes de alimentação lineares se tornam muito mais pesadas. Além disso, como resultado da dissipação de energia pelo regulador de tensão como calor, a eficiência de uma fonte de alimentação linear cai cerca de 60%.
No entanto, fontes de alimentação lineares não produzem ruído elétrico na tensão de saída. Ele fornece isolamento entre a saída e a entrada por causa do transformador. Portanto, as fontes de alimentação linear são usadas para aplicações de alta frequência, como dispositivos de radiofrequência, aplicações de áudio, testes de laboratório que exigem alimentação sem ruído, processamento de sinal e amplificadores.
Figura 01: Fonte de Alimentação com Regulador de Tensão Linear
O que é SMPS?
SMPS (fonte de alimentação de modo chaveado) opera em um dispositivo de transistor chaveado. A princípio, a entrada CA é convertida em tensão CC por um retificador, sem reduzir a tensão, ao contrário de uma fonte de alimentação linear. Em seguida, a tensão CC passa por uma comutação de alta frequência, normalmente por um transistor MOSFET. Ou seja, a tensão através do MOSFET é ligada e desligada pelo sinal MOSFET Gate, geralmente um sinal modulado por largura de pulso de cerca de 50 kHz (bloco chopper/inversor). Após esta operação de corte, a forma de onda torna-se um sinal DC pulsado. Depois disso, um transformador abaixador é usado para reduzir a tensão do sinal CC pulsado de alta frequência para o nível desejado. Finalmente, um retificador de saída e um filtro são usados para recuperar a tensão CC de saída.
Figura 02: Diagrama de Blocos de um SMPS
A regulação de tensão no SMPS é feita através de um circuito de realimentação que monitora a tensão de saída. Se o requisito de potência da carga for alto, a tensão de saída tende a aumentar. Este incremento é detectado pelo circuito de realimentação do regulador e é usado para controlar a relação liga-desliga do sinal PWM. Assim, a tensão média do sinal muda. Como resultado, a tensão de saída é controlada para se manter constante.
O transformador abaixador usado no SMPS opera em alta frequência; assim, o volume e o peso do transformador são muito menores do que os de uma fonte de alimentação linear. Isso se torna um dos principais motivos para um SMPS ser muito menor e mais leve do que seu equivalente do tipo linear. Além disso, a regulação da tensão é feita sem dissipar o excesso de potência como perda ôhmica ou calor. A eficiência do SMPS chega a 85-90%.
Ao mesmo tempo, um SMPS gera ruído de alta frequência devido à operação de comutação do MOSFET. Este ruído pode ser refletido na tensão de saída; no entanto, em alguns modelos avançados e caros, esse ruído de saída é mitigado até certo ponto. Além disso, a comutação também cria interferência eletromagnética e de radiofrequência. Portanto, é necessário usar blindagem de RF e filtros EMI em SMPSs. Portanto, SMPS não são aplicações de áudio e radiofrequência adequadas. Equipamentos menos sensíveis ao ruído, como carregadores de telefones celulares, motores DC, aplicações de alta potência, etc. podem ser usados com SMPSs. Seu design mais leve e menor também o torna conveniente para ser usado como dispositivos portáteis.
Qual é a diferença entre SMPS e Fonte de Alimentação Linear?
SMPS vs Fonte de Alimentação Linear |
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| SMPS retifica diretamente a rede CA sem reduzir a tensão. Em seguida, o DC convertido é comutado em alta frequência para um transformador menor para reduzi-lo ao nível de tensão desejado. Finalmente, o sinal CA de alta frequência é retificado para a tensão de saída CC. | A fonte de alimentação linear reduz a tensão para o valor desejado no início por um transformador maior. Depois disso, a CA é retificada e filtrada para fazer a tensão CC de saída. |
| Regulagem de tensão | |
| A regulação da tensão é feita controlando a frequência de comutação. A tensão de saída é monitorada pelo circuito de realimentação e a variação da tensão é utilizada para o controle de frequência. | A tensão CC retificada e filtrada é submetida a uma resistência de saída de um divisor de tensão para fazer a tensão de saída. Essa resistência é controlável por um circuito de feedback que monitora a variação da tensão de saída. |
| Eficiência | |
| A geração de calor no SMPS é comparativamente baixa, pois o transistor chaveador opera nas regiões de corte e inanição. O pequeno tamanho do transformador de saída também torna a perda de calor pequena. Portanto, a eficiência é maior (85-90%). | O excesso de potência é dissipado como calor para tornar a tensão constante em uma fonte de alimentação linear. Além disso, o transformador de entrada é muito mais volumoso; assim, as perdas do transformador são maiores. Portanto, a eficiência de uma fonte de alimentação linear é tão baixa quanto 60%. |
| Build | |
| O tamanho do transformador de um SMPS não precisa ser grande, pois opera em alta frequência. Portanto, o peso do transformador também será menor. Como resultado, o tamanho e o peso de uma SMPS são muito menores do que uma fonte de alimentação linear. | As fontes de alimentação lineares são muito mais volumosas, pois o transformador de entrada precisa ser grande devido à baixa frequência em que opera. À medida que mais calor é gerado em um regulador de tensão, dissipadores de calor também devem ser usados. |
| Distorções de ruído e tensão | |
| SMPS gera um ruído de alta frequência devido à comutação. Isso passa para a tensão de saída, bem como para a rede de entrada às vezes. A distorção harmônica na rede elétrica também pode ser possível em SMPSs. | Fontes de alimentação lineares não produzem ruído na tensão de saída. A distorção harmônica é muito menor que a dos SMPSs. |
| Aplicativos | |
| SMPS pode ser usado como dispositivos portáteis devido à sua pequena construção. Mas, como gera um ruído de alta frequência, os SMPSs não podem ser usados para aplicativos sensíveis a ruído, como aplicativos de RF e áudio. | As fontes de alimentação lineares são muito maiores e não podem ser usadas para dispositivos portáteis. Como não geram ruído e a tensão de saída também é limpa, são utilizados para a maioria dos testes elétricos e eletrônicos em laboratórios. |
Resumo – SMPS vs Fonte de Alimentação Linear
SMPS e fontes de alimentação linear são dois tipos de fontes de alimentação CC em uso. A principal diferença entre SMPS e fonte de alimentação linear são as topologias usadas para regulação de tensão e redução de tensão. Enquanto a fonte de alimentação linear converte CA para baixa tensão no início, o SMPS primeiro retifica e filtra a CA principal e depois muda para uma CA de alta frequência antes de descer. Como o peso e o tamanho do transformador aumentam à medida que a frequência de operação diminui, o transformador de entrada das fontes de alimentação linear é muito mais pesado e maior, diferentemente do SMPS. Além disso, como a regulação da tensão é feita com dissipação de calor através de resistências, as fontes lineares devem possuir dissipadores de calor que as tornem ainda mais pesadas. O regulador de SMPSs controla a frequência de comutação para controlar a tensão de saída. Portanto, os SMPS são menores em tamanho e mais leves. Como a geração de calor no SMPS é menor, sua eficiência também é maior.
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