Différence clé - SMPS vs alimentation linéaire
La plupart des appareils électroniques et électriques nécessitent une tension continue pour fonctionner. Ces appareils, en particulier les appareils électroniques à circuits intégrés, doivent être alimentés par une tension continue fiable et sans distorsion pour qu'ils fonctionnent sans dysfonctionnement ni brûlure. Le but d'une alimentation CC est de fournir une tension continue propre à ces appareils. Les alimentations CC sont classées en mode linéaire et en mode commuté, qui sont les topologies impliquées pour transformer l'alimentation secteur CA en CC lisse. L'alimentation linéaire utilise un transformateur pour abaisser directement la tension secteur CA à un niveau souhaité, tandis que SMPS convertit le CA en CC à l'aide d'un dispositif de commutation qui permet d'obtenir une valeur moyenne du niveau de tension souhaité. C'est la principale différence entre SMPS et alimentation linéaire.
Qu'est-ce qu'une alimentation linéaire ?
Dans une alimentation linéaire, la tension alternative du secteur est convertie en une tension inférieure directement par un transformateur abaisseur. Ce transformateur doit gérer une grande puissance puisqu'il fonctionne à la fréquence du secteur AC 50/60Hz. Par conséquent, ce transformateur est encombrant et volumineux, ce qui rend l'alimentation lourde et volumineuse.
La tension abaissée est ensuite redressée et filtrée pour obtenir la tension continue requise pour la sortie. Etant donné que la tension à ce niveau est soumise à des variations en fonction des distorsions de la tension d'entrée, une régulation de tension est effectuée avant la sortie. Le régulateur de tension dans une alimentation linéaire est un régulateur linéaire, qui est généralement un dispositif à semi-conducteur qui agit comme une résistance variable. La valeur de la résistance de sortie change avec la puissance de sortie requise, ce qui rend la tension de sortie constante. Ainsi, le régulateur de tension fonctionne comme un dispositif de dissipation de puissance. La plupart du temps, il dissipe l'excès de puissance pour rendre la tension constante. Par conséquent, le régulateur de tension doit avoir de grands dissipateurs thermiques. En conséquence, les alimentations linéaires deviennent beaucoup plus lourdes. De plus, en raison de la dissipation de puissance par le régulateur de tension sous forme de chaleur, l'efficacité d'une alimentation linéaire chute d'environ 60 %.
Cependant, les alimentations linéaires ne produisent pas de bruit électrique sur la tension de sortie. Il fournit une isolation entre la sortie et l'entrée grâce au transformateur. Par conséquent, les alimentations linéaires sont utilisées pour les applications haute fréquence telles que les appareils à radiofréquence, les applications audio, les tests de laboratoire qui nécessitent une alimentation sans bruit, le traitement du signal et les amplificateurs.
Figure 01: Alimentation avec un régulateur de tension linéaire
Qu'est-ce que le SMPS ?
SMPS (alimentation à découpage) fonctionne sur un dispositif à transistor de commutation. Dans un premier temps, l'entrée AC est convertie en tension continue par un redresseur, sans réduire la tension, contrairement à une alimentation linéaire. Puis la tension continue subit une commutation haute fréquence, typiquement par un transistor MOSFET. C'est-à-dire que la tension à travers le MOSFET est activée et désactivée par le signal MOSFET Gate, généralement un signal modulé en largeur d'impulsion d'environ 50 kHz (bloc hacheur / onduleur). Après cette opération de hachage, la forme d'onde devient un signal continu pulsé. Après cela, un transformateur abaisseur est utilisé pour réduire la tension du signal CC pulsé haute fréquence au niveau souhaité. Enfin, un redresseur de sortie et un filtre sont utilisés pour rétablir la tension continue de sortie.
Figure 02: Schéma fonctionnel d'un SMPS
La régulation de tension dans SMPS se fait via un circuit de rétroaction qui surveille la tension de sortie. Si la puissance requise de la charge est élevée, la tension de sortie a tendance à augmenter. Cet incrément est détecté par le circuit de rétroaction du régulateur et est utilisé pour contrôler le rapport marche/arrêt du signal PWM. Ainsi, la tension moyenne du signal change. En conséquence, la tension de sortie est contrôlée pour rester constante.
Le transformateur abaisseur utilisé dans le SMPS fonctionne à haute fréquence; ainsi, le volume et le poids du transformateur sont bien inférieurs à ceux d'une alimentation linéaire. Cela devient une des principales raisons pour lesquelles un SMPS est beaucoup plus petit et plus léger que son homologue de type linéaire. De plus, la régulation de la tension se fait sans dissiper l'excès de puissance sous forme de perte ohmique ou de chaleur. L'efficacité du SMPS atteint 85 à 90 %.
Dans le même temps, un SMPS génère un bruit haute fréquence en raison de l'opération de commutation du MOSFET. Ce bruit peut se refléter dans la tension de sortie; cependant, dans certains modèles avancés et coûteux, ce bruit de sortie est atténué dans une certaine mesure. De plus, la commutation crée également des interférences électromagnétiques et radiofréquences. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser un blindage RF et des filtres EMI dans les SMPS. Par conséquent, les SMPS ne conviennent pas aux applications audio et radiofréquence. Les équipements moins sensibles au bruit tels que les chargeurs de téléphones portables, les moteurs à courant continu, les applications à haute puissance, etc. peuvent être utilisés avec les SMPS. Sa conception plus légère et plus petite le rend également pratique à utiliser comme appareils portables.
Quelle est la différence entre le SMPS et l'alimentation linéaire ?
SMPS vs alimentation linéaire |
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| SMPS redresse directement le secteur AC sans réduire la tension. Ensuite, le courant continu converti est commuté en haute fréquence pour un transformateur plus petit afin de le réduire au niveau de tension souhaité. Enfin, le signal CA haute fréquence est redressé en tension de sortie CC. | L'alimentation linéaire réduit la tension à la valeur souhaitée au début par un transformateur plus gros. Après cela, le courant alternatif est redressé et filtré pour créer la tension continue de sortie. |
| Régulation de tension | |
| La régulation de la tension se fait en contrôlant la fréquence de découpage. La tension de sortie est surveillée par le circuit de rétroaction et la variation de tension est utilisée pour le contrôle de la fréquence. | La tension continue redressée et filtrée est soumise à une résistance de sortie d'un diviseur de tension pour créer la tension de sortie. Cette résistance est contrôlable par un circuit de rétroaction qui surveille la variation de tension de sortie. |
| Efficacité | |
| La génération de chaleur dans le SMPS est relativement faible puisque le transistor de commutation fonctionne dans les régions de coupure et de famine. La petite taille du transformateur de sortie réduit également la perte de chaleur. Par conséquent, l'efficacité est plus élevée (85-90%). | L'excès de puissance est dissipé sous forme de chaleur pour rendre la tension constante dans une alimentation linéaire. De plus, le transformateur d'entrée est beaucoup plus volumineux; ainsi, les pertes du transformateur sont plus élevées. Par conséquent, l'efficacité d'une alimentation linéaire est aussi faible que 60 %. |
| Construire | |
| La taille du transformateur d'un SMPS n'a pas besoin d'être grande car il fonctionne en haute fréquence. Par conséquent, le poids du transformateur sera également inférieur. En conséquence, la taille ainsi que le poids d'un SMPS sont bien inférieurs à ceux d'une alimentation linéaire. | Les alimentations linéaires sont beaucoup plus volumineuses car le transformateur d'entrée doit être volumineux en raison de la basse fréquence sur laquelle il fonctionne. Comme plus de chaleur est générée dans un régulateur de tension, des dissipateurs de chaleur doivent également être utilisés. |
| Distorsions de bruit et de tension | |
| SMPS génère un bruit haute fréquence dû à la commutation. Cela passe dans la tension de sortie, ainsi que dans le secteur d'entrée parfois. Une distorsion harmonique dans l'alimentation secteur pourrait également être possible dans les SMPS. | Les alimentations linéaires ne produisent pas de bruit dans la tension de sortie. La distorsion harmonique est bien inférieure à celle des SMPS. |
| Applications | |
| SMPS peut être utilisé comme appareil portable en raison de sa petite taille. Mais comme il génère un bruit à haute fréquence, les SMPS ne peuvent pas être utilisés pour des applications sensibles au bruit telles que les applications RF et audio. | Les alimentations linéaires sont beaucoup plus grandes et ne peuvent pas être utilisées pour les appareils portables. Comme ils ne génèrent pas de bruit et que la tension de sortie est également propre, ils sont utilisés pour la plupart des tests électriques et électroniques en laboratoire. |
Résumé – SMPS vs alimentation linéaire
SMPS et les alimentations linéaires sont deux types d'alimentations CC utilisées. La principale différence entre SMPS et l'alimentation linéaire réside dans les topologies utilisées pour la régulation de la tension et l'abaissement de la tension. Alors que l'alimentation linéaire convertit le courant alternatif en basse tension au début, SMPS redresse et filtre d'abord le courant alternatif du secteur, puis passe à un courant alternatif haute fréquence avant de descendre. Étant donné que le poids et la taille du transformateur augmentent à mesure que la fréquence de fonctionnement diminue, le transformateur d'entrée des alimentations linéaires est beaucoup plus lourd et plus gros contrairement au SMPS. De plus, comme la régulation de tension se fait avec dissipation de la chaleur par des résistances, les alimentations linéaires doivent avoir des dissipateurs thermiques qui les alourdissent encore. Le régulateur des SMPS contrôle la fréquence de commutation pour contrôler la tension de sortie. Par conséquent, les SMPS sont plus petits et plus légers. Comme la génération de chaleur dans les SMPS est plus faible, leur efficacité est également plus élevée.
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