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Lineare Netzteile

In der Welt der Elektronik sind Netzteile die Geräte, die sicherstellen, dass alles reibungslos und richtig läuft.Unter den verschiedenen verfügbaren Arten sind lineare Netzteile dafür bekannt, einen stetigen und zuverlässigen Stromstrom mit sehr geringem Geräusch bereitzustellen.In diesem Artikel wird erklärt, wie lineare Stromversorgungen funktionieren, aus welchen Teilen sie bestehen und wo sie am nützlichsten sind.Wir werden sie auch mit anderen Arten von Netzteilen vergleichen und Ihnen helfen, zu verstehen, warum sie für bestimmte Situationen noch ausgewählt werden, obwohl neuere, energieeffizientere Optionen verfügbar sind.

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Abbildung 1: Lineare Stromversorgung

Was ist eine lineare Stromversorgung?

Eine lineare Stromversorgung ist eine Art von Leistungsvorrichtung, die einen stetigen und konsistenten Spannungsausgang bietet, indem der Widerstand kontinuierlich eingestellt wird.Diese Methode vermeidet die Verwendung des schnellen Schaltens und macht es einfacher und ideal, um verschiedene elektronische Geräte sauber und zuverlässiger Strom zu liefern.

Der Prozess beginnt mit einem Rückkopplungssystem, das die Ausgangsspannung ständig überprüft.Diese Spannung wird mit einer eingestellten Referenzspannung unter Verwendung eines Differenzverstärkers verglichen, einer Schaltung, die die Genauigkeit gewährleistet.Wenn sich die Ausgangsspannung von der Referenz unterscheidet, erzeugt der Verstärker ein Signal, um die Differenz zu korrigieren.Dieses Signal steuert einen Teil, der als Passelement bezeichnet wird und ein Transistor oder ein Feldeffekttransistor (FET) sein könnte.Das Passelement funktioniert wie ein variabler Widerstand und stellt seinen Widerstand ein, um die Spannung auf der richtigen Ebene zu halten.

Wenn beispielsweise die Eingangsspannung zunimmt, erhöht das Passelement seinen Widerstand, um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung steigt.Wenn die Eingangsspannung dagegen abnimmt, senkt das Passelement seinen Widerstand, um mehr Strom zu ermöglichen, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung stabil bleibt.

Diese kontinuierliche Einstellung stellt sicher, dass die Stromversorgung eine konsistente Spannung liefert, selbst wenn sich die Eingangsspannung oder Last ändert.Die Einfachheit der linearen Stromversorgung macht es zuverlässig und erzeugt sehr wenig elektrische Rauschen, was für Geräte hilfreich ist, die eine stabile Leistung benötigen.Diese Art der Stromversorgung ist jedoch im Allgemeinen weniger effizient, da die zusätzliche Energie als Wärme freigesetzt wird, was bedeutet, dass möglicherweise größere Kühlsysteme erforderlich sind und mehr Strom verbrauchen.

Komponenten einer linearen Stromversorgung

Abbildung 2: Komponenten einer linearen Stromversorgung

Stromversorgungseingangstransformator

In einer linearen Stromversorgung ist der Transformator die erste Komponente, die mit der Wechselstromleistung aus dem Netz interagiert.Seine Hauptaufgabe ist zu Ändern Sie die Spannung Auf ein Level, das für das Gerät geeignet ist, entweder durch Senkung (häufiger) oder erhöht es, abhängig von den Anforderungen des Geräts.Der Transformator bietet auch Schutz, indem die Stromversorgung vom Netz getrennt wird, wodurch das Risiko von elektrischen Gefahren verringert wird.Bei höheren Stromversorgungsanwendungen kann der Transformator ziemlich groß sein, was die Gesamtgröße und das Gewicht der Stromversorgung erhöht.Je nachdem, wie das Netzteil entwickelt wird, kann der Transformator haben eine oder mehrere sekundäre Wicklungen verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen.

Gleichrichter

Sobald der Transformator die Spannung eingestellt hat, muss die Wechselstromleistung in DC -Leistung umgewandelt werden, was vom Gleichrichter durchgeführt wird.Der Gleichrichter ist ein entscheidender Bestandteil der Stromversorgung und ist in verschiedenen Setups geliefert. Halbwelligkeitsberechnung Verwendet eine einzelne Diode, um nur die Hälfte des Wechselstromzyklus in DC umzuwandeln, wodurch er weniger effizient ist und mehr Schwankungen des Ausgangs erzeugt, die schwieriger zu glätten sind. Vollwellenberechnung ist effizienter und verwendet beide Hälften des Wechselstromzyklus.Dies kann mit einem Mitteltransformator und zwei Dioden oder einem Brückengleichrichter mit vier Dioden erfolgen.Der Brückengleichrichter wird häufiger in modernen Designs eingesetzt, da er effizienter ist.Moderne Gleichrichter verwenden normalerweise Halbleiterdioden Wie PN -Junction -Dioden oder Schottky -Dioden.Schottky -Dioden werden oft ausgewählt, weil sie weniger Spannung verlieren, wenn der Strom durch sie führt, was sie effizienter macht, obwohl sie möglicherweise einen Strom auslaufen lassen und eine niedrigere Spannungsschwelle haben, bevor sie zusammenbrechen.

Kondensator glätten

Nachdem der Gleichrichter den Wechselstrom in DC umgewandelt hat, ist der Ausgang nicht perfekt glatt und enthält Schwankungen der Spannung, die für die meisten elektronischen Schaltungen nicht wünschenswert sind.Der Glättungskondensator hilft dazu Auch diese Schwankungen Durch das Aufladen während der Höhepunkte der behobenen Wellenform und das Freisetzung der Ladung, wenn die Wellenform fällt.Das hilft Halten Sie die Gleichstromspannung beständiger.Obwohl der Kondensator die Schwankungen stark reduziert, wird sie nicht vollständig entfernt.Die Fähigkeit des Kondensators, diese Schwankungen zu reduzieren, hängt von seiner Größe und der Strommenge ab, die die Last benötigt.

Spannungsregler

Der Spannungsregler ist die Hauptkomponente einer linearen Stromversorgung und stellt sicher, dass die Ausgangsspannung auch dann konstant bleibt, wenn sich die Eingangsspannung oder die Last ändert.Es gibt zwei Haupttypen linearer Regulatoren: Shunt -Regler und Serienregler.

Der Shunt -Regler ist seltener und arbeitet durch die Platzierung einer variablen Komponente über die Last, die zusätzlichen Strom absorbiert, um die Ausgangsspannung stabil zu halten.Diese Art von Regler wird verwendet, wenn eine präzise Steuerung der Spannung benötigt wird, obwohl sie möglicherweise nicht sehr effizient ist.Aufgrund seiner geringeren Effizienz wird es normalerweise nur in bestimmten Situationen verwendet.

Der Serienregler ist der am häufigsten verwendete Typ des linearen Reglers.In diesem Setup wird ein variabler Widerstand in Reihe mit der Last platziert, und der Steuerkreis passt den Widerstand an, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.Die Einfachheit und Effektivität des Serienreglers macht es zu einer beliebten Wahl für viele lineare Stromversorgungsdesigns.Es bietet eine gute Spannungsregelung mit einem relativ einfachen Design, was es für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten geeignet ist.

Vor- und Nachteile der linearen Stromversorgung

Vorteile

Lineare Stromversorgungen haben mehrere Vorteile, insbesondere in Situationen, in denen Stabilität und ruhiger Betrieb erforderlich sind.Einer der Hauptvorteile ist, dass sie schaffen Sehr wenig Lärm.Im Gegensatz zu Schaltungsversorgungen, die den Strom schnell ein- und ausschalten, halten lineare Stromversorgungen den Strom stetig fließend.Bei diesem Mangel an schnellem Umschalten werden sie nicht viel elektromagnetische Störungen erzeugen, was sie zu einer guten Wahl für empfindliche elektronische Geräte wie Audiosysteme, medizinische Geräte und Instrumente macht, die genaue Messungen benötigen.

Ein weiterer Vorteil ist ihr zuverlässige Leistung.Lineare Stromversorgungen gibt es schon lange und ihre Technologie ist bekannt und zuverlässig.Weil sie seit so vielen Jahren verwendet werden, ist ihre Leistung konsequent und gut verstanden.Ingenieure und Designer können sich darauf verlassen, dass diese Vorräte konsequent arbeiten, was in Situationen, in denen die Zuverlässigkeit ein Muss ist, sehr hilfreich ist.

Nachteile

Lineare Stromversorgungen haben jedoch einige Nachteile, hauptsächlich wenn es darum geht, wie gut sie Energie und ihre Größe nutzen.Einer der größten Nachteile sind ihre geringe Effizienz.Diese Vorräte verwenden normalerweise nur etwa 50% der Eingangsenergie effektiv, wobei die andere Hälfte normalerweise als Wärme verschwendet wird.Diese geringe Effizienz tritt auf, da die Versorgung die Spannung kontrolliert, indem sie zusätzliche Energie beseitigt, was viel Energie verschwendet.

Diese verschwendete Energie führt zu einem weiteren Problem: Wärmeerzeugung .Die nicht verwendete Energie erzeugt Wärme, die es geschafft werden muss, die Stromversorgung zu verhindern, und verbundene Geräte daran, beschädigt zu werden.Dies bedeutet oft, zusätzliche Teile wie Kühlkörper oder Kühlventilatoren hinzuzufügen, was das Design komplizierter gestalten und die Kosten erhöhen kann.

Schließlich sind lineare Netzteile Größer und schwerer als Stromversorgungen.Sie benötigen große Transformatoren, um die Spannung und zusätzliche Teile zu reduzieren, um die Wärme zu verwalten, wodurch diese Netzteile sperrig sind.Dies kann ein großer Nachteil in Situationen sein, in denen Raum und Gewicht wichtig sind, z. B. in tragbaren oder kompakten Geräten.

Anwendungen linearer Netzteile

Abbildung 3: Anwendungen linearer Stromversorgungen

Lineare Stromversorgungen werden zwar nicht so energieeffizient wie ihre Schaltkollegen, werden häufig für bestimmte Situationen ausgewählt, in denen eine stetige und rauschfreie Leistung erforderlich ist.Diese Netzteile sind besonders nützlich in Umgebungen, in denen stabile und saubere Leistung ohne die Störungen erforderlich sind, die mit dem Wechsel der Stromversorgung geliefert werden können.

Bei audiovisuellen Geräten sind lineare Stromversorgungen für hochwertige Audioverstärker und empfindliche Audiogeräte sehr nützlich.Sie bieten einen glatten und stetigen Spannungsausgang, der wichtig ist, um die Klangqualität intakt zu halten.Das Schalten von Netzteilen kann manchmal Geräusche und Spikes einführen, die Audiosignale beeinträchtigen können, was zu einer soliden Verzerrung oder unerwünschten Störungen führt.Aus diesem Grund werden lineare Stromversorgungen in High-End-Audiosystemen bevorzugt, in denen es wichtig ist, die Klangqualität rein und klar zu halten.

In Laborgeräten ist eine konsistente und genaue Leistung sehr wichtig.Geräte wie Labor -Stromversorgungen, die zur Bereitstellung von stetigen und präzisen Spannungsausgängen verwendet werden, stützen sich häufig auf die lineare Regulierung.Die von linearen Stromversorgung angebotene Stabilität stellt sicher, dass die Spannung konsistent bleibt, was in experimentellen und Testumgebungen sehr wichtig ist, in denen selbst kleine Änderungen zu falschen Ergebnissen führen können.Diese Netzteile sind so konzipiert, dass sie saubere, rauschfreie Leistung liefern, die für empfindliche Messungen und Experimente benötigt wird, die ein hohes Maß an Genauigkeit erfordern.

Lineare Netzteile sind so konzipiert, dass sie eine konsistente Spannung mit minimalem Rauschen liefern, was sie perfekt für Situationen macht, in denen die Qualität der Leistung direkt beeinflusst, wie gut ein Gerät funktioniert.Während sie möglicherweise nicht so energieeffizient sind wie das Umschalten von Netzteilen, macht sie ihre Fähigkeit, eine stabile und saubere Leistung zu liefern, sie in spezifischen, rauschempfindlichen Anwendungen besonders nützlich.Ihre Verwendung in Audio-visuellem und Laborgeräten zeigt, wie die Stromqualität eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Leistung und Genauigkeit in diesen Umgebungen spielt.

Vergleich mit anderen Stromversorgungsarten

Lineare Netzteile werden verwendet, um die elektrische Energie von einer Form in eine andere zu ändern, wobei normalerweise abwechselnden Strom (AC) in Gleichstrom (DC) verwandelt wird.Es gibt verschiedene Arten von Netzteilen mit eigenen Eigenschaften:

Abbildung 4: Unregulierte lineare Netzteileversorgungen

Unregulierte lineare Netzteile sind der grundlegendste Typ.Sie wandeln Wechselstrom in DC um, haben aber keine zusätzlichen Funktionen, um die Spannung ruhig zu halten.Dies bedeutet, dass sich die Ausgangsspannung ändern kann, wenn sich die Eingangsspannung ändert oder wenn sich die verwendete Leistung (die Last) ändert.Wenn die Eingangsspannung steigt, steigt auch die Ausgangsspannung, und wenn die Last zunimmt, kann die Ausgangsspannung sinken.Aus diesem Grund sind diese Netzteile nicht ideal für Geräte, die eine stabile Spannung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Abbildung 5: Ferroresonant Netzteil

Ferroresonante Netzteile verwenden eine spezielle Technik mit Magnetfeldern, um die Ausgangsspannung stabil zu halten.Sie tun dies mit einer Kombination aus einem Transformator und einem Resonanzkreis.Die magnetischen Eigenschaften des Transformators tragen dazu bei, eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, auch wenn sich die Eingangsspannung oder Last ändert.Diese Netzteile haben auch einen integrierten Schutz vor plötzlichen Stromspitzen, was sie an Orten zuverlässig macht, an denen die Stromversorgung nicht stabil ist.Sie sind jedoch in der Regel groß und schwer, was in Situationen, in denen Größe und Gewichtsmaterial wichtig sind, ein Nachteil sein kann.

Abbildung 6: Stromversorgung des Switch -Modus (SMPS)

Switch -Modus -Netzteile (SMPs) sind so ausgelegt, dass sie effizienter sind als lineare Netzteile.Sie arbeiten, indem sie die Eingangsleistung schnell mit elektronischen Schalter wie Transistoren ein- und ausschalten.Diese Methode ermöglicht es ihnen, Strom effizienter umzuwandeln, was bedeutet, dass sie weniger Wärme erzeugen und kleiner und leichter werden können.Aufgrund des Hochgeschwindigkeitsumschusses können SMPs jedoch elektrische Rauschen erzeugen, was andere elektronische Geräte in der Nähe beeinträchtigen kann.SMPs sind auch komplizierter im Design und können schwieriger zu beheben sein, wenn etwas schief geht.

Abschluss

Lineare Netzteile sind in Situationen, in denen eine stetige und lärmfreie Stromversorgung sehr wichtig ist, immer noch eine Auswahl.Ihr einfaches Design und ihre zuverlässige Leistung machen sie zu einem Favoriten in Bereichen wie Audioausrüstung und Labortests.Sie haben jedoch Kompromisse in Bezug auf Energieeffizienz und -größe. Daher ist es wichtig, darüber nachzudenken, wofür Sie sie verwenden.Wenn wir lineare Stromversorgungen mit anderen Typen vergleichen, wird klar, dass sie zwar nicht immer die energiesparende Option sind, ihre Fähigkeit, saubere und konsistente Stromversorgung zu liefern, in der heutigen Tech-Welt immer noch nützlich sind.Wenn Sie diese Unterschiede verstehen, können Sie bei der Auswahl des richtigen Stromversorgung für Ihre spezifischen Anforderungen bessere Entscheidungen treffen.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wo werden lineare Netzteile verwendet?

Lineare Stromversorgungen werden üblicherweise in Umgebungen verwendet, in denen stabile und geringe Leistung sehr erforderlich ist.Dies umfasst qualitativ hochwertige Audiogeräte, Medizinprodukte, Laborinstrumente und Präzisionsmesswerkzeuge, bei denen selbst kleines elektrisches Geräusch den Betrieb oder die Genauigkeit der Geräte beeinträchtigen kann.

2. Was ist die Effizienz der linearen Stromversorgung?

Die Effizienz einer linearen Stromversorgung ist im Allgemeinen niedrig, oft etwa 50% oder weniger.Dies liegt daran, dass die Stromversorgung die Spannung reguliert, indem sie überschüssige Energie als Wärme abgeleitet wird, was zu einem signifikanten Energieverlust führt.

3. Was sind die Vor- und Nachteile einer linearen Stromversorgung?

Der Hauptvorteil einer linearen Stromversorgung ist die Fähigkeit, saubere, stabile und geringe Leistung zu liefern, die ideal für empfindliche Elektronik ist.Die Nachteile umfassen eine geringe Effizienz, eine große Größe, da die Wärmeableitung erforderlich ist, und die als Wärme verschwendete zusätzliche Energie.

4. Was sind die Nachteile des linearen Spannungsreglers?

Die Nachteile eines linearen Spannungsreglers umfassen eine geringe Effizienz, da es viel Leistung als Wärme verschwendet, und deren Unfähigkeit, die Spannung zu steigern, bedeutet, dass es die Spannung nur vom Eingangsniveau verringern kann.Darüber hinaus können sie große Kühlkörper oder Kühlsysteme erfordern, um die erzeugte Wärme zu verwalten, wodurch sie sperrig sind.

5. Was ist die effizienteste Art von Stromversorgung?

Der effizienteste Stromversorgungsart ist die Switch-Mode Netzteil (SMPS).Es verwendet Hochfrequenzwechsel, um die Leistung mit minimalem Energieverlust zu konvertieren, was zu einer viel höheren Effizienz im Vergleich zu linearen Stromversorgungen führt.