無(wú)變壓器電源
一般的直流電源都是由變壓器變壓經(jīng)整流濾波或穩(wěn)壓得到的。變壓器非常 笨重?且制造工藝繁雜?它限制了電子設(shè)備向小型化的發(fā)展。無(wú)變壓器電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?它的研究發(fā)展不僅使電子設(shè)備走上低成本?小型化的道路?而且還能不斷向集成化?智能化的方向發(fā)展。如果負(fù)載電流不是很大?完全可采用電容進(jìn)行降壓。
從電子儀器的本身發(fā)展需要上說(shuō)要推廣無(wú)變壓器電源。再者從節(jié)能方面上講也具有推廣無(wú)變壓器電源的必要性?它可以節(jié)省大量變壓器中用到的銅絲?鐵心。在六十年代有的國(guó)外產(chǎn)品就采用了電容降壓或電阻降壓的方法來(lái)取代變壓器降壓。在電容降壓方案中?由于要求降壓電容耐壓高?容量也較大?所以體積就大?價(jià)格較貴?而且在工作時(shí)電容一旦擊穿短路?將使電路申較多的元器件損壞?因此這種方案也有一定的缺陷。在電阻降壓方案中?由于降壓電阻功耗較大?溫升較高?也影響周圍元器件工作?推廣起來(lái)也有些困難。但是?近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外電子工業(yè)的發(fā)展?集成電源芯片的運(yùn)用也逐漸廣泛?利用電源芯片來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)變壓器電源的思路也慢慢被人都采用。
1. 無(wú)變壓器電源的幾種降壓方法
1) 電容降壓
當(dāng)一個(gè)正弦交流電源施加在電容電路上時(shí)?電容器兩極板上的電荷?極板間的電場(chǎng)都是時(shí)間的函數(shù)。也就是說(shuō)電容器上電壓電流的有效值和幅值同樣遵循歐姆定律。即加在電容上的電壓幅值一定?頻率一定時(shí)?就會(huì)流過(guò)一個(gè)穩(wěn)定的正弦交流電流。容抗越小?電容值越大，?流過(guò)電容器的電流越大?在電容器上串聯(lián)一個(gè)合適的負(fù)載?就能得到一個(gè)降低的電壓源?可經(jīng)過(guò)整流?濾波?穩(wěn)壓輸出。 2) 電阻降壓
電阻降壓就是一個(gè)分壓的過(guò)程?但是電阻消耗的是有功功率?功耗大?而且容易發(fā)熱?因此在負(fù)載電流大于20mA時(shí)運(yùn)用的比較少?得不到廣泛的推廣。一般情況下電阻都與電容一起設(shè)計(jì)運(yùn)用?就是我們常說(shuō)的電容電阻降壓。電阻降壓應(yīng)用場(chǎng)合和電容降壓一樣。另外還有一種電感降壓?電感降壓原理上和電容一樣?但是精確的電感不好做?相比沒(méi)有電容容易得到?所以一般都不采用電感進(jìn)行降壓。
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3) 可控硅降壓?晶閘管降壓，。
可控硅是一種新型的半導(dǎo)體器件?它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)作快以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)?目前交流調(diào)壓器多采用可控硅調(diào)壓器?可用作家用電器的調(diào)壓裝置?進(jìn)行照明燈調(diào)光?電風(fēng)扇調(diào)速、電熨斗調(diào)溫等控制。可控硅用在交流調(diào)壓電路中具有調(diào)壓的功能?可根據(jù)需要輸出調(diào)節(jié)輸出的電壓?這種電路一般還具有抗干擾的功能。
4) IC降壓?集成電路進(jìn)行降壓，。
集成電路芯片現(xiàn)在被逐步的推廣?它也正朝著小?輕?薄?單片集成化?智能化的方向。目前這類電源芯片廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化設(shè)備?儀器儀表?無(wú)線通信類設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中?構(gòu)成高壓隔離式AD/DC電源變化器。舉例典型
它采用了導(dǎo)通角技術(shù)?輸入端可以直接接的一款ST公司生產(chǎn)的電源芯片VB409
入AC 220 V輸出范圍為4.755.25 V。
2. 一般直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法
直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)?是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U0、輸出電流I0、輸出紋波電壓Uop-P等性能指標(biāo)要求?確定出變壓器?或用上面提到的幾種降壓方法，、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)?從而合理地選擇這些器件。
穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)分三個(gè)步驟?一是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、最大輸出電流I0max確定穩(wěn)壓器的型號(hào)及電路結(jié)構(gòu)形式?二是根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓Ui確定電源變壓器二次繞組電壓的有效值U2根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流I確定流過(guò)電源變壓器二次繞組的電流I2和電源變壓器二次繞組的功率P2根據(jù)P2查出變壓器的效率從而確定電源變壓器原邊的功率P1。然后根據(jù)所確定的參數(shù)?選擇電源變壓器。如果設(shè)計(jì)的是無(wú)變壓器電源那么就要選擇電容等來(lái)達(dá)到降壓的目的?從而代替變壓器。在下面的橋式全波整流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)中將會(huì)敘述如何選擇降壓電容?三是確定整流二極管的正向平均電流IF、整流二極管承受的最大反向工作電壓U和濾波電容的電容量和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)選擇整流二極管和濾波電容。現(xiàn)就直流穩(wěn)壓電源的組成、各部分電路結(jié)構(gòu)形式的選擇及元器件參數(shù)的確定介紹如下。
1) 整流電路
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整流電路的作用是將交流電壓U2變換成單向脈動(dòng)的直流電壓U3在直流穩(wěn)壓電源中常采用橋式整流電路。在整流電路中?每只二極管所承受的最大反向電壓為?URM=U2,流過(guò)每只二極管的平均電流為?ID=0.45U2/R,其中?R為負(fù)載電2
阻?整流二極管的最大整流電流IF必須大于實(shí)際流過(guò)二極管的平均電流ID0即IF>ID0=Um/R=0.45U2/R二極管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URM即UR> URM=U2。由上述計(jì)算得到的URM和ID來(lái)選擇2
整流二極管。
2) 濾波電路
經(jīng)整流后的直流輸出電壓脈動(dòng)性很大?不能直接使用。為了減少其交流成分。 通常在整流電路后接有濾波電路。濾波電路的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動(dòng)直流電壓中的紋波濾除掉?使其變成平滑的直流電。在小功率電路中常采用電容濾波電路?將濾波電容C直接并聯(lián)在負(fù)載RL兩端?就可組成電容濾波電路。由于電容的儲(chǔ)能作用?使得輸出直流電壓波形比較平滑?脈動(dòng)成分降低?輸出直流電壓的平均值增大。采用電容濾波電路可以得到脈動(dòng)性很小的直流電壓?但輸出電壓受負(fù)載變動(dòng)的影響較大?其主要用于要求負(fù)載電流較小?負(fù)載基本不變的場(chǎng)合。當(dāng)RL=時(shí)?VL=V2當(dāng)RLC的值適當(dāng)?且整流電路的內(nèi)阻較小時(shí)?VL=(1.12
1.2)V2。濾波電容的選擇與負(fù)載RL的大小有關(guān)?確切地說(shuō)是由放電回路的時(shí)間常數(shù)f來(lái)確定的。電容放電的時(shí)間常數(shù)f(f=RLC)越大?放電過(guò)程越慢?輸出電壓中脈動(dòng)(紋波)成分越少?VL的平均值越大?濾波效果越好。一般取f(35)T/2 (T為電源交流電壓的周期)。R為整流濾波電路的負(fù)載電阻?它為電容C提供放電通路?放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿足?RC> (35)T/2 。其中?T=20ms是50Hz交流電壓的周期。由此確定濾波電容的容量。濾波電容一般采用電解電容?使用時(shí)注意極性不能接反?電容器的耐壓應(yīng)大于它實(shí)際工作時(shí)所承受的最大電壓。通常電容器的耐壓取(1.52)V2。
4) 穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)外界因素(電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度)發(fā)生變化時(shí)?能使輸出直流電壓不受影響?從而維持穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)壓電路的類型很多?通常采用穩(wěn)壓管或集成穩(wěn)壓器。 在小功率穩(wěn)壓電源中?經(jīng)常使用的是三端集成穩(wěn)壓器。
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穩(wěn)壓電路用的比較多的是硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路?將硅穩(wěn)壓管和負(fù)載電阻并聯(lián)?再與調(diào)整電阻串聯(lián)?并且穩(wěn)壓管在電路中反向連接。當(dāng)負(fù)載電阻不變?交流電源電壓增加時(shí)?整流濾波電路的電壓隨之增加?負(fù)載的電壓UL也隨之增加?而負(fù)載上的電壓就是穩(wěn)壓管兩端的電壓。當(dāng)UL稍有增加穩(wěn)壓管的電流就會(huì)顯著的增加?因此調(diào)整電阻的壓降增加?從而使增大的負(fù)載電壓的數(shù)值有所減小。如果調(diào)整電阻的阻值選擇適當(dāng)?最終可基本上使UL保持不變。同樣如果交流電壓降低使整流濾波電路的電壓降低?UL減小?UR減小。仍然保持負(fù)載電壓UL近似不變。 3. 電容降壓穩(wěn)壓電源
在常用的低壓電源中?用電容器降壓?實(shí)際是電容限流，與用變壓器相比?電容降壓的電源體積小、經(jīng)濟(jì)、可靠、效率高?缺點(diǎn)是不如變壓器變壓的電源安全。通過(guò)電容器把交流電引入負(fù)載中?對(duì)地有220V電壓?人易觸電?但若用在不需人體接觸的電路內(nèi)部電路電源中?本弱點(diǎn)也可克服。如冰箱電子溫控器或遙控電源的開/關(guān)等電源都是用電容器降壓而制作的。相對(duì)于電阻降壓?對(duì)于頻率較低的50Hz交流電而言?在電容器上產(chǎn)生的熱能損耗很小?所以電容器降壓更優(yōu)于電阻降壓。下圖1是電容降壓式電源的簡(jiǎn)易電路。其中C1就是一個(gè)降壓電
圖 1
容?D2為半波整流二極管?D3是穩(wěn)壓二極管?當(dāng)從電源上拔下穩(wěn)壓電源的輸入端時(shí)?往往降壓電容上存有一定量的電荷?R1的作用是將這些電荷泄放掉?以免用手觸摸到電源輸出端時(shí)?產(chǎn)生“麻電”現(xiàn)象。D1是在電壓的負(fù)半周時(shí)給C1 提供放電回路。如果需要向負(fù)載提供相對(duì)較大的電流使?一般采用圖2所示的橋式整流簡(jiǎn)易電路圖。
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圖 2
4.一個(gè)橋式全波整流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)
它要求輸出DC電壓12VDC電流300mA輸入電源220V AC/50HZ市電。電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。如在50Hz的工頻條件下?一個(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端?則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA但在電容器上并不產(chǎn)生功耗。
圖 3
a. 降壓電容C1的選擇
降壓電容C1的選擇取決于負(fù)載電流?如果負(fù)載電流確定?C11/(2f U),式中交流電源U值計(jì)算時(shí)U=220V*1-10%，=198V,即?I=300mAf=50HZ, C1?4.82uF。在實(shí)際的取值中應(yīng)當(dāng)取大于4.82uF本設(shè)計(jì)可以取5uF.
耐壓值的選擇要考慮電源正10%的情況?C1要選擇250V AC的金屬膜電容。
耐瞬間沖擊電流的選擇要考慮金屬膜電容的內(nèi)阻是很低的?允許電容在吞吐能量時(shí)?有大的電流流過(guò)?此電流的大小取決于電容值和它的du/dt值?此值由電容的結(jié)構(gòu)?金屬膜的類型?引出線的方式?jīng)Q定的。
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