直流稳压电源的工作原理

Question

如题所述

Answer 1

一、主电路
　　从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
　　1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
　　2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
　　3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
　　4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
二、控制电路
　　一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
三、检测电路
　　除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。
四、辅助电源
　　提供所有单一电路的不同要求电源。
第二节 开关控制稳压原理
　　开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源 E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：
　　 EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
　　由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。
　　按TRC控制原理，有三种方式：
　　一、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）
开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
　　二、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）
导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
　　三、混合调制
导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
第三节 开关型直流电源的发展和趋势
　　 1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。
　　目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

参考资料：www.diany.cn

Answer 2

一、直流稳压电源的工作原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

四个环节的工作原理如下：

(1)电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

(2)整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

(4)稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如下图，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo＝1.25（1＋R2/R1）式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。

Answer 3

为负载提供稳定的直流电力供应的电子装置。当交流电源电压或负载电阻发生变化时，稳压器的直流输出电压保持稳定。随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性方向发展，稳压直流电源对电子设备的电源提出了高要求。
环境温度、负载大小、输入电压和其他因素会改变稳压直流电源的输出电压。输入电压变化对输出电压的影响可以用电压稳定性Sv来表示。这是指当影响输出电压变化的其他参数保持不变且输出电流为额定值时，输入电压的变化在Ui额定值的±10%范围内引起的输出电压的相对变化。环境温度和负载变化的稳定性也可以用类似的方法表示。此外，纹波系数(表示额定工作条件下输出电压交变分量的大小)和响应速率(表示输入电压或负载发生重大变化时，电压恢复到正常初始值所需的时间)也是衡量直流稳压电源质量的重要指标。
开关稳压直流电源原理
通过改变控制元件(开关)的开/关比率，Ton/T，可以调节输出电压，Uoa，以达到电压稳定的目的。由于该元件在导通过程中处于饱和状态，因此功耗降低，效率可以达到85%左右。自20世纪80年代以来，开关模式电源发展迅速，具有多种特性。就工作模式而言，它们可以分为以下三类。
1、整流器控制的开关模式电源：晶闸管被用作控制开关，电源直接由交流主电源或通过变压器降压后提供。通过改变晶闸管的开启时间来调节输出电压，以获得稳定的输出电压。
2、斩波调节开关电源：其输入是一个不稳定的直流电压。通过改变开关电路的通断比，可以在输出端得到一个单向的直流链路，通过滤波得到一个不同于输入电压的稳定直流电压。
3、变频器开关模式稳压电源：不稳定的直流电压被送入变频器转换为高频交流电，经过电压转换、整流和滤波，得到一个新的直流电压。对输出电压进行采样，对逆变器频率进行反馈控制，以达到稳定输出电压的目的。
开关式稳压电源的优点是效率高、体积小、重量轻;缺点是电路相对复杂，存在一定的电磁干扰。

Answer 4

1．1 主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
(1)输入滤波器：直流电源其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
(2)整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。
(3)功率因数校正：位于整流滤波和逆变之间，为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗来提升功率因数。
(4)逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
(5)输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
1．2 控制电路
一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
1．3 检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据供值班人员观察、记录。
1．4 辅助电源
提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源(交直流各种等级的电压电源)。

2．系统的工作原理

该系统的工作原理是整流模块把交流输入变成直流输出，然后送到由汇流排并联的直流配电模块和电池熔丝模块，经配电模块内部分路开关或熔丝输出，向负载供电，同时亦对电池充电。当市电中断时，由电池向负载供电。控制模块通过RS485与告警模块及整流模块通讯。而数据测量、采集则由告警模块负责，其对象包括市电、直流配电模块、电池熔丝模块和电池等。系统工作时，控制模块监视系统的各种状态，调整其参数，自动执行预定的各项任务。系统异常时发出告警信号，经由告警模块输出并显示在控制模块上。其系统原理见图2：

3 开关电源的发展趋

在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。

4 结束语

高频开关电源是一种模块化设计的可靠性和智能化程度高的电源，其体积小，功耗低，效率高，噪音低，稳压精度高，安全可靠，使用维护方便，目前已在各微波站得到广泛应用。