منابع تغذیه خطی در مقابل سوئیچینگ

هر دو منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ جریان مستقیم ثابتی را ارائه می دهند (همچنین به اختصار “direct current” یا “DC” نیز گفته می شود).
DC در مدارهای اکثر دستگاه های الکترونیکی مانند گوشی های هوشمند، کامپیوترها، تهویه مطبوع و روبات های کارخانه ای استفاده می شود. از آنجا که هر نوع دستگاه و مدار داخلی چنین تجهیزات الکترونیکی به ولتاژهای متفاوتی نیاز دارد، منبع جریان مستقیم مناسب برای هر ولتاژ ضروری است.
منبع تغذیه خطی که ابتدا اختراع شدند به عنوان منبع تغذیه سری نیز شناخته می شود. در منبع تغذیه خطی، ترانسفورماتور متشکل از یک هسته آهنی و سیم پیچ برای کاهش ولتاژ به جریان متناوب ورودی (AC) استفاده می شود. سپس ولتاژ توسط یک دیود در مدار یکسو کننده یکسو می شود و توسط یک خازن در مدار صاف کننده صاف می شود تا یک ولتاژ پایدار ایجاد کند.
ولتاژ خروجی از مدار یکسو کننده مجموعه ای از پیک های مثبت یک موج سینوسی است که جریان پایدار مناسبی نیست. بنابراین، ولتاژ با استفاده از یک مدار صاف کننده متشکل از یک خازن، و یک مدار تثبیت کننده (مدار کنترل) تراز می شود. دو نوع مدار کنترل وجود دارد: مدارهای شنت و مدارهای سری. هر دو روش برای حفظ یک مقدار ثابت، ولتاژ DC خروجی را نظارت و کنترل می کنند. تفاوت بین ولتاژ ورودی و خروجی باعث تولید گرما می شود. بنابراین، یک هیت سینک بزرگ مورد نیاز است.
یک منبع تغذیه خطی به یک ترانسفورماتور AC اختصاصی بر اساس ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی و توان نیاز دارد. بنابراین، هر دستگاه ظرفیت ثابتی داشت و برای هر کاربرد به یک منبع تغذیه با یک ترانسفورماتور اختصاصی نیاز داشت.

.

در مقابل، منابع تغذیه سوئیچینگ، دارای یکسوسازی و صاف کردن قبل از تنظیم ولتاژ هستند. در این منابع از یک چاپر برای تبدیل ولتاژ ورودی به یک قطار پالس فرکانس بالا استفاده می شود. با روشن و خاموش کردن کلید با سرعت بالا، جریان یکسو شده به عنوان یک جریان متناوب شبه (AC) با یک موج پالس در نظر گرفته می شود و ولتاژ با استفاده از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا تنظیم می شود.

.

مقایسه منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ

تفاوت عمده بین منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ، میزان نویز و اندازه منبع تغذیه است. همانطور که در بالا ذکر شد منبع تغذیه سوئیچینگ بارها سوئیچ را با سرعت بالا روشن و خاموش می کند. این امر باعث ایجاد نویز در اثر سوئیچینگ می شود. منابع تغذیه خطی نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ صدای کمتری تولید می کنند.
همانطور که در بالا ذکر شد منبع تغذیه سوئیچینگ بارها سوئیچ را با سرعت بالا روشن و خاموش می کند. این باعث ایجاد نویز در اثر سوئیچینگ می شود. از نظر نویز، منابع تغذیه خطی صدای کمتری نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ تولید می کنند.
به عبارت دیگر، نویز ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ ده برابر بیشتر و نویز جریان پنج برابر بیشتر از منبع تغذیه خطی است.
مرحله بعدی تعیین اندازه منبع تغذیه بود. منبع تغذیه خطی کوچک بود. با این حال، منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر بود. این به دلیل اندازه ترانسفورماتور است. اگر ولتاژ به همان مقدار تغییر کند، ترانسفورماتور در فرکانس های بالاتر کوچکتر خواهد بود.
در منبع تغذیه خطی، فرکانس ورودی از یک خروجی یا منبع دیگر مستقیماً به ترانسفورماتور وارد می شود، در حالی که در منبع تغذیه سوئیچینگ، جریان پس از یکسوسازی به عنوان یک پالس فرکانس بالا به ترانسفورماتور ارسال می شود. بنابراین، ترانسفورماتور کوچک است.
به عنوان مثال، منبع تغذیه ای که می تواند ولتاژ DC 18 ولت را تولید کند، منبع تغذیه خطی (R4G18-2) دارای ابعاد ۱۲۴ × ۸۴ × ۳۲۵ میلی متر (H × W × D) و وزن تقریباً ۳ کیلوگرم است. در مقابل، منبع تغذیه سوئیچینگ (R4K18-2) دارای ابعاد ۱۲۴ × ۳۵ × ۱۲۸ میلی متر (H × W × D) و وزن تقریباً ۵۰۰ گرم است.
هر دو دارای ارتفاع یکسانی هستند، اما منبع تغذیه خطی ۲٫۴ برابر عریض تر، ۲٫۵ برابر عمیق تر و وزن آن ۶ برابر بیشتر از منبع تغذیه سوئیچینگ است. این به این دلیل است که ترانسفورماتورها از یک هسته آهنی استفاده می کنند و اندازه ترانسفورماتور بر وزن آن تأثیر می گذارد.
منابع تغذیه سوئیچینگ در حدود سال ۱۹۹۰، بسیار بعد از منابع تغذیه خطی، مورد استفاده عمومی قرار گرفتند. آداپتورهای AC قدیمی بسیار بزرگ و سنگین هستند زیرا از منابع تغذیه خطی استفاده می کنند.
در سال های اخیر، منابع تغذیه نیترید گالیوم (GaN) با تلفات انرژی کم تجاری شده است.
منابع تغذیه GaN نیمه هادی هایی هستند که از نیترید گالیوم ساخته شده اند که شبیه به نیمه هادی های معمولی مبتنی بر سیلیکون است. ترانزیستورهایی که از GaN استفاده می کنند نسبت به ترانزیستورهای معمولی تلفات توان کمتری دارند.
توسعه این فناوری های جدید منجر به ایجاد منابع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر و قدرتمندتر شده است.

بین منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ علاوه بر نویز و بزرگی تفاوت های دیگری نیز وجود دارد که در ادامه توضیح داده شده است.

● منابع تغذیه سوئیچینگ تلفات تبدیل انرژی کمتری دارند.

ناسا در ابتدا منبع تغذیه سوئیچینگ را برای کاربردهای فضایی توسعه داد. بنابراین، آنها برای ارائه بازده انرژی بالا طراحی شدند. منبع تغذیه سوئیچینگ کارآمدتر است زیرا منابع تغذیه خطی انرژی بیشتری را به عنوان گرما از دست می دهند. منبع تغذیه خطی سریعتر به نوسانات بار پاسخ می دهد خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ توسط مدار کنترل کنترل می شد. در مقابل، منابع تغذیه خطی توسط پاسخ مدار تنظیم کننده کنترل می شوند. بنابراین منبع تغذیه خطی پاسخ سریع تری به نوسانات بار نشان می دهد.

●اگر توان خروجی کم باشد، منبع تغذیه خطی را می توان با هزینه کمتری تولید کرد و اگر زیاد باشد، منبع تغذیه سوئیچینگ به گزینه ارزان تری تبدیل می شود.

منابع تغذیه خطی به دلیل ساختار ساده‌ترشان ارزان‌تر هستند. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، منابع تغذیه خطی نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ بازده کمتری دارند و گرمای بیشتری تولید می کنند. بنابراین، هنگامی که مصرف برق افزایش می یابد، باید برای توان مصرفی خود منبع تغذیه خطی و گرمای منتشر شده از آن اقداماتی انجام شود. بنابراین، با افزایش مصرف برق، هزینه کل منبع تغذیه سوئیچینگ کمتر از منبع تغذیه خطی می شود. به عنوان یک راهنمای تقریبی، اگر توان کمتر از ۴۰۰ وات باشد، منابع تغذیه خطی را می توان با هزینه کمتری راه اندازی کرد.

تفاوت بین منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ در جدول زیر خلاصه شده است.