无变压器电源

飞古天外 2016-05-25

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无变压器电源

一般的直流电源都是由变压器变压经整流滤波或稳压得到的。变压器非常笨重?且制造工艺繁杂?它限制了电子设备向小型化的发展。无变压器电源电路结构简单?它的研究发展不仅使电子设备走上低成本?小型化的道路?而且还能不断向集成化?智能化的方向发展。如果负载电流不是很大?完全可采用电容进行降压。

从电子仪器的本身发展需要上说要推广无变压器电源。再者从节能方面上讲也具有推广无变压器电源的必要性?它可以节省大量变压器中用到的铜丝?铁心。在六十年代有的国外产品就采用了电容降压或电阻降压的方法来取代变压器降压。在电容降压方案中?由于要求降压电容耐压高?容量也较大?所以体积就大?价格较贵?而且在工作时电容一旦击穿短路?将使电路申较多的元器件损坏?因此这种方案也有一定的缺陷。在电阻降压方案中?由于降压电阻功耗较大?温升较高?也影响周围元器件工作?推广起来也有些困难。但是?近年来随着国内外电子工业的发展?集成电源芯片的运用也逐渐广泛?利用电源芯片来设计无变压器电源的思路也慢慢被人都采用。

1. 无变压器电源的几种降压方法

1) 电容降压

当一个正弦交流电源施加在电容电路上时?电容器两极板上的电荷?极板间的电场都是时间的函数。也就是说电容器上电压电流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。即加在电容上的电压幅值一定?频率一定时?就会流过一个稳定的正弦交流电流。容抗越小?电容值越大，?流过电容器的电流越大?在电容器上串联一个合适的负载?就能得到一个降低的电压源?可经过整流?滤波?稳压输出。 2) 电阻降压

电阻降压就是一个分压的过程?但是电阻消耗的是有功功率?功耗大?而且容易发热?因此在负载电流大于20mA时运用的比较少?得不到广泛的推广。一般情况下电阻都与电容一起设计运用?就是我们常说的电容电阻降压。电阻降压应用场合和电容降压一样。另外还有一种电感降压?电感降压原理上和电容一样?但是精确的电感不好做?相比没有电容容易得到?所以一般都不采用电感进行降压。

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3) 可控硅降压?晶闸管降压，。

可控硅是一种新型的半导体器件?它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使用方便等优点?目前交流调压器多采用可控硅调压器?可用作家用电器的调压装置?进行照明灯调光?电风扇调速、电熨斗调温等控制。可控硅用在交流调压电路中具有调压的功能?可根据需要输出调节输出的电压?这种电路一般还具有抗干扰的功能。

4) IC降压?集成电路进行降压，。

集成电路芯片现在被逐步的推广?它也正朝着小?轻?薄?单片集成化?智能化的方向。目前这类电源芯片广泛应用于办公自动化设备?仪器仪表?无线通信类设备及消费类电子产品中?构成高压隔离式AD/DC电源变化器。举例典型

它采用了导通角技术?输入端可以直接接的一款ST公司生产的电源芯片VB409

入AC 220 V输出范围为4.755.25 V。

2. 一般直流稳压电源的设计方法

直流稳压电源的设计?是根据稳压电源的输出电压U0、输出电流I0、输出纹波电压Uop-P等性能指标要求?确定出变压器?或用上面提到的几种降压方法，、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数?从而合理地选择这些器件。

稳压电源设计分三个步骤?一是根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流I0max确定稳压器的型号及电路结构形式?二是根据稳压器的输入电压Ui确定电源变压器二次绕组电压的有效值U2根据稳压电源的最大输出电流I确定流过电源变压器二次绕组的电流I2和电源变压器二次绕组的功率P2根据P2查出变压器的效率从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数?选择电源变压器。如果设计的是无变压器电源那么就要选择电容等来达到降压的目的?从而代替变压器。在下面的桥式全波整流稳压电路设计中将会叙述如何选择降压电容?三是确定整流二极管的正向平均电流IF、整流二极管承受的最大反向工作电压U和滤波电容的电容量和耐压值。根据所确定的参数选择整流二极管和滤波电容。现就直流稳压电源的组成、各部分电路结构形式的选择及元器件参数的确定介绍如下。

1) 整流电路

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整流电路的作用是将交流电压U2变换成单向脉动的直流电压U3在直流稳压电源中常采用桥式整流电路。在整流电路中?每只二极管所承受的最大反向电压为?URM=U2,流过每只二极管的平均电流为?ID=0.45U2/R,其中?R为负载电2

阻?整流二极管的最大整流电流IF必须大于实际流过二极管的平均电流ID0即IF>ID0=Um/R=0.45U2/R二极管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM即UR> URM=U2。由上述计算得到的URM和ID来选择2

整流二极管。

2) 滤波电路

经整流后的直流输出电压脉动性很大?不能直接使用。为了减少其交流成分。通常在整流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉?使其变成平滑的直流电。在小功率电路中常采用电容滤波电路?将滤波电容C直接并联在负载RL两端?就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用?使得输出直流电压波形比较平滑?脉动成分降低?输出直流电压的平均值增大。采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压?但输出电压受负载变动的影响较大?其主要用于要求负载电流较小?负载基本不变的场合。当RL=时?VL=V2当RLC的值适当?且整流电路的内阻较小时?VL=(1.12

1.2)V2。滤波电容的选择与负载RL的大小有关?确切地说是由放电回路的时间常数f来确定的。电容放电的时间常数f(f=RLC)越大?放电过程越慢?输出电压中脉动(纹波)成分越少?VL的平均值越大?滤波效果越好。一般取f(35)T/2 (T为电源交流电压的周期)。R为整流滤波电路的负载电阻?它为电容C提供放电通路?放电时间常数RC应满足?RC> (35)T/2 。其中?T=20ms是50Hz交流电压的周期。由此确定滤波电容的容量。滤波电容一般采用电解电容?使用时注意极性不能接反?电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。通常电容器的耐压取(1.52)V2。

4) 稳压电路

稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时?能使输出直流电压不受影响?从而维持稳定的输出。稳压电路的类型很多?通常采用稳压管或集成稳压器。在小功率稳压电源中?经常使用的是三端集成稳压器。

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稳压电路用的比较多的是硅稳压管稳压电路?将硅稳压管和负载电阻并联?再与调整电阻串联?并且稳压管在电路中反向连接。当负载电阻不变?交流电源电压增加时?整流滤波电路的电压随之增加?负载的电压UL也随之增加?而负载上的电压就是稳压管两端的电压。当UL稍有增加稳压管的电流就会显著的增加?因此调整电阻的压降增加?从而使增大的负载电压的数值有所减小。如果调整电阻的阻值选择适当?最终可基本上使UL保持不变。同样如果交流电压降低使整流滤波电路的电压降低?UL减小?UR减小。仍然保持负载电压UL近似不变。 3. 电容降压稳压电源

在常用的低压电源中?用电容器降压?实际是电容限流，与用变压器相比?电容降压的电源体积小、经济、可靠、效率高?缺点是不如变压器变压的电源安全。通过电容器把交流电引入负载中?对地有220V电压?人易触电?但若用在不需人体接触的电路内部电路电源中?本弱点也可克服。如冰箱电子温控器或遥控电源的开/关等电源都是用电容器降压而制作的。相对于电阻降压?对于频率较低的50Hz交流电而言?在电容器上产生的热能损耗很小?所以电容器降压更优于电阻降压。下图1是电容降压式电源的简易电路。其中C1就是一个降压电

图 1

容?D2为半波整流二极管?D3是稳压二极管?当从电源上拔下稳压电源的输入端时?往往降压电容上存有一定量的电荷?R1的作用是将这些电荷泄放掉?以免用手触摸到电源输出端时?产生“麻电”现象。D1是在电压的负半周时给C1 提供放电回路。如果需要向负载提供相对较大的电流使?一般采用图2所示的桥式整流简易电路图。

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图 2

4.一个桥式全波整流稳压电路的设计

它要求输出DC电压12VDC电流300mA输入电源220V AC/50HZ市电。电容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。如在50Hz的工频条件下?一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端?则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA但在电容器上并不产生功耗。