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直流稳压电源的工作原理

发布时间:2019-10-31 18:31 来源:未知 编辑:admin

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  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。

  (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)。

  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。

  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。

  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:

  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)。

  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。

  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。

  (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。

  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。

  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。

  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)。

  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:

  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。

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