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  • 什么是稳压电源?

  •  2022/8/16
  •    稳压电源是一种能够为负载提供稳定的交流或直流电源的电子设备,包括交流稳压电源和直流稳压电源。​​​​​​​

      一、发展历程

      1955年,美国科学家GH Royer首先成功研制出一种晶体管直流变换器,利用磁芯的饱和状态进行自激振荡。采用这种技术的各种形式的直流转换器不断涌现,从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械式振动器显示换向设备。由于晶体管-DC转换器中的功率晶体管工作在通断状态,由其制成的稳压电源具有输出组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻等特点,因此被广泛使用。用于航空航天和军用电子设备。因为当时的微电子设备和技术很落后,不可能制造具有高耐压、高开关速度和高功率的晶体管。因此,这一时期的直流转换器只能使用低电压输入,转换速度并不太高。

      1960年代开始,由于微电子技术的飞速发展,出现了具有高背压的晶体管。从此,直流变流器经整流滤波后可直接从市电输入,不再需要工频变压器降压,大大扩展了其应用范围。在此基础上,诞生了不带工频降压变压器的开关电源。没有工频变压器,开关电源的体积和重量大大减小,真正做到高效、小巧、轻便。

      1970年代以后,与该技术相关的高频、高背压功率晶体管、高频电容器、开关二极管、开关变压器铁芯等也不断开发生产。因此,开关稳压电源广泛应用于电子计算机、通讯、航空航天、彩电等领域。

      二、使用稳压电源的必要性

      随着社会的飞速进步,电气设备日益增多。然而,输配电设施的老化和发展滞后,以及设计不良和供电不足,导致了电压过低或过高。对于电气设备,特别是对电压要求严格的高科技精密设备,有很大的风险保险。电压不稳定会导致致命的伤害或设备故障,影响生产,导致交货延迟,质量不稳定。同时加速设备老化,影响使用寿命,甚至烧毁零件。

      三、主要功能

      稳定电压:当电网电压或负载瞬间波动时,稳压电源会以10-30ms的响应速度补偿电压幅值,使其稳定在±2%以内。

      多功能综合保护:稳压电源除了最基本的稳压功能外,还应具备过压保护(输出电压的+10%以上)、欠压保护(输出电压的-10%以下) )、缺相保护、短路和过载保护。

      尖峰抑制:电网有时会出现幅值高、脉宽窄的尖脉冲,会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的防浪涌元件可以有效抑制这种尖峰。

      防雷:稳压电源具有防雷能力。

      四、工作原理

      工频交流电经过变压器降压、整流、滤波后变成稳定的直流电。该图的其余部分是用于电压调节和稳定的控制部分。电源接入负载后,通过采样电路得到输出电压,并将输出电压与参考电压进行比较。如果输出电压小于参考电压,误差值经放大电路放大后送到稳压器的输入端。输出电压由稳压器调整,直到等于参考值;如果输出电压大于参考电压,则通过稳压器降低输出。

      稳压电源工作原理图

      稳压电路由电源电路、电压检测控制电路、过压保护电路组成,如图所示。电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组、整流二极管VD1-VD4、滤波电容C1、C2组成。电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运放集成电路IC(Nl-N3)组成。过压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。由电阻组成的自动稳压电路R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电机M、滑动触点和T绕组Wl-W3。交流稳压器的输出端接入市电后,在T的W4、W5绕组上产生感应电压。

      该电压经VDl-VD4整流,经Cl和C2滤波后,为IC和Vl、V2等提供±12V的不稳定工作电压。+l2V电压还有其他作用。Rl-R3分压和VS稳压后,分别为Nl-N3的反相输入端提供参考电压;为过压保护电路的K、V3提供工作电源;R4、RP2、R6分压后,为Nl和N2的同相输入端提供检测电压;经R7、RPl和R5分压后,为N3的同相输入端提供检测电压。

      Nl-N3将正相输出大端的检测电压与反相输出大端的参考电压进行比较,利用产生的误差电压控制自动稳压电路。

      当市电电压正常时,N1、N2输出端电压为OV,V1、V2均处于截止状态,电机M不工作。

      当市电电压低时,Nl和N2输出低电平,V2导通,Vl关断,逆时针旋转M,通过滑壁臂带动滑触头移动,接触T对应的电压抽头(Wl T的W2绕组共有21个电压抽头,每档电压调节范围为5V),通过T的W2绕组提高输出电压。当输出交流电压上升到220V时,V2截止, M 停止。当市电电压为高电平时,N1和N2均输出高电平,V1导通,V2截止,M顺时针转。滑臂带动滑触头移动,接触T.Wl绕组对应的电压抽头,降低输出电压。当输出交流电压降至220V时,Vl截止,M停止。当市电电压高于260V时,由于同相输入端电压高于反相输入端电压,N3输出低电平,使V3截止,K释放,其常闭触点导通交流电压输出电路。当市电电压为160-260V时,由于正输入端电压低于反向输入端电压,N3输出高电平,使V3导通,K闭合,其常闭触点为断开以确保负载(电器)不会被过电压损坏。

      五、特点

      1.优势

      1)低功耗,高效率。在开关稳压电源电路中,在激励信号的激励下,三极管V交替工作在通断和断通切换状态,转换速度很快,频率一般在50kHz左右。在一些技术先进的国家,可以达到几百甚至接近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗非常小,可以大大提高电源的效率,其效率可以达到80%。

      2)体积小,重量轻。没有笨重的工频变压器。稳压管V上的功耗大大降低后,就省去了更大的散热片。由于这两个原因,开关电源体积小,重量轻。

      3)宽电压调节范围。开关稳压电源的输出电压通过激励信号的占空比来调整,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来补偿。这样在工频电网电压变化较大时仍可使用。因此,开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有两种:脉冲宽度调制和频率调制。这样,开关稳压电源不仅具有稳压范围广的优点,而且实现稳压的方式也很多。

      4)滤波效率大大提高,使滤波电容的容量和体积大大减小。开关稳压电源的工作频率基本在50kHz,是线性稳压电源的1000倍,整流后的滤波效率提高了近1000倍。半波整流后加入电容滤波,效率提高500b倍。在相同纹波输出电压下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量仅为线性稳压电源中滤波电容的1/500-1/1000。

      5) 灵活的电路形式。例如,有自激和他激、宽调制和调频、单端和双端类型等。设计人员可以利用各类电路的优点来设计能满足不同应用电源。

      2.缺点

      开关稳压电源的缺点是开关干扰比较严重。在开关稳压电源中,功率调节开关晶体管V工作在开关​​状态,其产生的交流电压和电流通过电路中的其他元件产生尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰如果不采取一定的措施加以抑制、消除,就会严重影响整机的正常运行。另外,由于开关稳压电源振荡器没有与工频变压器隔离,这些干扰会连接到工频电网,对附近的其他电子仪器、设备和家用电器造成严重干扰。

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