AC交流電壓轉(zhuǎn)換成DC直流電壓的基本方法 |
為何必需AC/DC轉(zhuǎn)換?讓我先回到原點(diǎn)。
眾所周知,日本的家庭或大樓的主要供電是AC100V或200V然而,大多數(shù)電器通過(guò)其中的電子電路操作,幾乎都是利用5V和3.3VDC電壓工作。其中雖然有電機(jī)設(shè)備和白熾燈等,直接以AC電壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)備,但近電機(jī)和開(kāi)關(guān)等較為單純的設(shè)備,幾乎無(wú)可防止地,都會(huì)配備電子控制電路,且全部的電子控制電路都以DC電壓驅(qū)動(dòng)。此外,市場(chǎng)也逐漸將白熾燈換成LED只是如同大家所知般,LED基本上仍是以DC驅(qū)動(dòng)的也就是說(shuō),從送電網(wǎng)傳送過(guò)來(lái)的AC但因?yàn)橄喈?dāng)于電子產(chǎn)品心臟的電子電路,以DC驅(qū)動(dòng)的因此如果不將AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓,將無(wú)法啟動(dòng)電子產(chǎn)品”以上是回答。相信大家會(huì)覺(jué)得“這樣的話,一開(kāi)始傳送DC電源不就好了但其實(shí)傳送AC電源,有其歷史背景因素和理由的
各位應(yīng)該知道愛(ài)迪生在1881年時(shí),發(fā)明了裝置白熾燈泡的電燈。其實(shí)在當(dāng)時(shí)的美國(guó)境內(nèi),以供應(yīng)DC電源適配器為標(biāo)準(zhǔn),愛(ài)迪生為了推廣白熾燈泡,開(kāi)始投入推行DC110V送電網(wǎng)的事業(yè)。然而,傳送DC電源時(shí),會(huì)造成電壓大幅度下降,因此傳送范圍無(wú)法超越1.5km導(dǎo)致發(fā)電廠必須建造在街道的中。這話現(xiàn)在難以置信。尼古拉?特斯拉考察AC發(fā)電、送電、使用方法,和愛(ài)迪生之間開(kāi)始了電流戰(zhàn)爭(zhēng)。后特斯拉方以能夠輕易變壓,且即使電線又細(xì)又長(zhǎng),傳送電力時(shí)也不會(huì)造成太大損耗的AC系統(tǒng)獲得勝利,而該結(jié)果也一直延續(xù)到現(xiàn)在
一 A C優(yōu)點(diǎn) AC電源只要使用變壓器,就能輕松轉(zhuǎn)換電壓(升壓、降壓) 傳送電力時(shí)能堅(jiān)持高電壓/低電流,減輕電壓下降的現(xiàn)象(I2R損耗) 能輕易將AC電源轉(zhuǎn)換成DC電源,易于供應(yīng)電力DC驅(qū)動(dòng)設(shè)備。 其實(shí)發(fā)電廠送出數(shù)千至2萬(wàn)VAC高電壓后,傳送到一般住戶前,再通過(guò)電線桿上的變壓器,降壓至100V和200V
這是題外話,現(xiàn)階段住宅內(nèi)的插座供應(yīng)AC電源,所以各設(shè)備必需自行裝置AC/DC轉(zhuǎn)換電路才行。對(duì)于該部分,從節(jié)能化和小型化的觀點(diǎn)來(lái)看,不得不說(shuō)多此一舉,近各地測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)和研究的智慧家居構(gòu)想中,也曾考慮從住宅內(nèi)的插座,直接供應(yīng)DC電源適配器的系統(tǒng)。雖然如此,但不代表電力送電網(wǎng)的設(shè)施能急速轉(zhuǎn)變成DC或者不用AC/DC轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)內(nèi),供應(yīng)DC電源的家庭供電裝置,仍須設(shè)定高功率和效率的大功率AC/DC轉(zhuǎn)換器,以及在附近裝置中功率的AC/DC轉(zhuǎn)換器。
那么,再來(lái)談?wù)摿硪粋€(gè)基本知識(shí)。前述內(nèi)容中提到能輕易從AC轉(zhuǎn)變成DC但這屬于“整流”作用,為AC/DC轉(zhuǎn)換的根本,因此必需先了解其架構(gòu)。
圖2為屬于整流基本種類的全波整流,以及半波整流的作用。無(wú)論哪方,都是將輸入的AC電壓和二極管相接,抓到負(fù)向波的振幅。半波整流只使用1個(gè)二極管,來(lái)抓到負(fù)向波的振幅,因此負(fù)向波消失,只剩下一半的波形,故稱半波。全波整流使用了由4個(gè)二極管組成的橋式二極管,能旋轉(zhuǎn)負(fù)向波,讓它呈現(xiàn)在正向波區(qū)域內(nèi),而能顯示全波形的就是DC
DC化之后,利用電容器讓波形平滑。但即使波形平滑仍會(huì)殘存紋波(Rippl脈流)其振幅紋波電壓會(huì)因?yàn)殡娙萜鞯娜葜岛拓?fù)載而出現(xiàn)變化。當(dāng)電容器的容值和負(fù)載相同時(shí),全波整流和半波整流相比,反而是全波整流的紋波電壓會(huì)變小。
作為AC/DC轉(zhuǎn)換的方法之一,也就是裝置變壓器,以變壓器為主的方法。圖3采用變壓器方式的一般構(gòu)造。
此以輸入電壓100VA C為例。通過(guò)變壓器,將100VA C降壓(變壓)至可獲得所需DC電壓的AC電壓值。這一部分稱為AC/A C轉(zhuǎn)換。利用調(diào)整變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的線圈,來(lái)設(shè)定變壓值(發(fā)生在變壓器二次側(cè)的降壓值)
如果,輸入輸出間必需絕緣時(shí),可利用變壓器絕緣。
而且,利用二極管橋式整流器將已經(jīng)降壓的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC接著用電容器加以平滑,終轉(zhuǎn)換成紋波較小的DC電壓。整流后的DC電壓是指AC峰值電壓(AC√2減去二極管的正向電壓后的數(shù)值。
當(dāng)不用確保輸出穩(wěn)定時(shí),就可以將DC電壓作為輸出電壓。電壓的初期值取決于變壓器的匝數(shù)比,負(fù)載電流越增加,電壓越降低。必需確保輸出穩(wěn)定時(shí),使用穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓。此時(shí),將變壓器二次側(cè)的電壓,設(shè)定成適合利用穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換的電壓。例如后設(shè)定12VDC整流后的電壓為18VDC就能抑制電壓損耗,不會(huì)因?yàn)楣ぷ鞫兊?,但也不?huì)因此變高。 一 變壓器方式使用部件 使用變壓器方式的AC/DC轉(zhuǎn)換實(shí)際的部件示例。 雖然是轉(zhuǎn)換AC/A C變壓器,但AC頻率為50/60Hz因此必需使用低頻變壓器。設(shè)計(jì)電源用變壓器,稱為電源變壓器或商用頻率用變壓器(商用變壓器)等。請(qǐng)將變壓器的大小(體積)考慮成和電源輸出功率量成正比。身邊常見(jiàn)到例子就是AC適配器,電流容量的越大,也越大越重。變壓器的基本構(gòu)造是指被稱為Core鐵芯和一次及二次的線圈所組成。鐵芯一般以硅鋼片制造而成。
二極管橋式整流器是連接4個(gè)整流用二極管,并一體化封裝。形狀除了照片所示范例外,還有SIP和DIP方形封裝。此外,也可以使用4個(gè)整流二極管組裝成橋式二極管。二極管也有隨容許電流增大尺寸增大的傾向。
至于電容器,基本上使用電解電容器。所需電容值會(huì)因負(fù)載或可容許紋波而變化,但大致上約數(shù)百~數(shù)千μF電源輸出功率愈大,電容器的體積就會(huì)愈大。 發(fā)生一般電子電路電源電壓的電路中,只有變壓器能處置高電壓。其他部件選擇符合所制作dDC電壓的額定值產(chǎn)品。
此變壓器方式是指以往常使用的方式。
開(kāi)關(guān)方式為一開(kāi)始先用橋式二極器,整流100VA C變壓器方式,會(huì)先利用變壓器降低AC/A C電壓,但開(kāi)關(guān)方式卻是直接整流高AC電壓。因此,橋式二極管必需能夠接受高電壓。100VA C峰值約140V左右。
再以電容器使其平滑。這部分同樣使用高電壓規(guī)格品。接著,通過(guò)開(kāi)關(guān)元件ON/OFF斬波(切分)高DC電壓,并經(jīng)由高頻變壓器,將電能傳送至二次側(cè)。此時(shí)的ON/OFF頻率,也就是開(kāi)關(guān)頻率,使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數(shù)十kHz然后再轉(zhuǎn)換成呈現(xiàn)如圖5般方波的AC
利用二次側(cè)的整流二極管,整流該高頻率AC電壓,接著以電容器使其平滑后,再轉(zhuǎn)換成設(shè)定的DC輸出電壓。圖片中省略了高頻率AC電壓的整流波形,但它使用1個(gè)二極管的半波整流,因此請(qǐng)各位參照?qǐng)D2此外,轉(zhuǎn)換成需要的DC電壓時(shí),必需設(shè)定如圖5般的開(kāi)關(guān)元件控制電路。此電路構(gòu)造為反激式的范例。反激式留待后述。切分高DC電壓轉(zhuǎn)換成AC之后再通過(guò)整流-平滑,轉(zhuǎn)換成低DC電壓的方法,和一般采用開(kāi)關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC相同。此進(jìn)一步細(xì)分采用開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換的過(guò)程,就是先從DC開(kāi)關(guān)成AC后,再開(kāi)關(guān)至DC另外,使用3引腳的線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換DC/DC時(shí),就只是單純將DC轉(zhuǎn)換成DC而已。 一 整流-平滑后以開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換原理 先說(shuō)明整流AC后再轉(zhuǎn)換成DC原理,并在之后約略解說(shuō)一下采用開(kāi)關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC原理。 圖6利用代表性的控制方式PWMPulsWidthModulation:脈沖寬度調(diào)制)方式加以降壓的原理。PWM指讓周期(頻率)堅(jiān)持恒定,調(diào)整ON和OFF時(shí)間比,也就是占空比來(lái)進(jìn)行控制的方法,能運(yùn)用在多種應(yīng)用上。采用PWM時(shí),經(jīng)由開(kāi)關(guān)將DC電壓轉(zhuǎn)換成達(dá)到必要占空比的AC后,接著再進(jìn)行整流回到DC以取得想要的DC電壓。例如經(jīng)由開(kāi)關(guān)將100VDC轉(zhuǎn)換成周期25%ON剩下OFF25:75AC接著,整流-平滑該AC也即將其均勻化后轉(zhuǎn)換成DC電壓就會(huì)轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于25%25VDC事實(shí)上,DC/DC轉(zhuǎn)換屬于功率轉(zhuǎn)換,必需提升轉(zhuǎn)換效率,雖然不用如圖片般配置,但仍須遵照其原理。此外,負(fù)載電流如果增加,電壓就會(huì)下降,反之,必需增加控制電路的脈沖寬度,并將電壓返回到設(shè)定值,進(jìn)行反饋控制,因此脈沖寬度無(wú)法堅(jiān)持恒定。
總而言之,AC/DC轉(zhuǎn)換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑后,轉(zhuǎn)換成DC再將該DC轉(zhuǎn)換成高頻率的AC接著重復(fù)整流-平滑方法,轉(zhuǎn)換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比,必需重復(fù)AC/DC轉(zhuǎn)換2次,讓人覺(jué)得非常復(fù)雜。確是有些復(fù)雜,但優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn),因此近年來(lái)采用開(kāi)關(guān)方式的AC/DC轉(zhuǎn)換器日漸增加。至于有哪些優(yōu)點(diǎn)則留待后述。 一 開(kāi)關(guān)方式使用部件和安裝例 是采用開(kāi)關(guān)方式的AC/DC轉(zhuǎn)換所必需部件和電路裝置例?;緲?gòu)造和圖5相同,將輸出電壓反饋至PWM控制電路上,借此穩(wěn)定控制。 部件和前述的變壓器方式相似,但橋式二極管、一次側(cè)的電解電容器、開(kāi)關(guān)元件(晶體管)全部采用可支持高電壓的規(guī)格品。
必需以數(shù)十kHz高頻率才能工作的變壓器,稱為高頻變壓器或開(kāi)關(guān)式變壓器。開(kāi)關(guān)式變壓器的鐵芯,一般都是使用鐵氧體。開(kāi)關(guān)元件基本上使用晶體管。有功率晶體管或開(kāi)關(guān)晶體管等多種名稱,但則以開(kāi)關(guān)電源用的高功率MOSFET為普遍。開(kāi)關(guān)晶體管必需配合輸出功率選擇適合的規(guī)格,但當(dāng)輸出功率不太時(shí),就能夠使用內(nèi)置開(kāi)關(guān)晶體管的控制IC減少部件數(shù)量。
至于穩(wěn)定輸出電壓的控制電路,可以使用晶體管和運(yùn)算放大器等單獨(dú)的元件組成電路。近除了正確、穩(wěn)定控制外,也開(kāi)始提供各種維護(hù)功能,因此愈來(lái)愈多裝置采用AC/DC轉(zhuǎn)換用IC特別是電路基板上安裝AC/DC電源時(shí),設(shè)計(jì)電路上以AC/DC轉(zhuǎn)換器用IC為中心會(huì)較為實(shí)際。另外,該電路的控制IC裝置在基板反面下方正中央旁邊。雖然SOP8非常小的封裝,但除了控制功能外,還具備了多種保護(hù)功能。
前文已針對(duì)采用變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式AC/DC轉(zhuǎn)換,概略說(shuō)明一下工作狀況和電路,此則是比擬兩者,并整理各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
如果比擬電路構(gòu)造,會(huì)發(fā)現(xiàn)因轉(zhuǎn)換方式不同,構(gòu)造有些差別,但仍以采用開(kāi)關(guān)方式的電路較為復(fù)雜。此外,開(kāi)關(guān)方式必需使用控制電路(基本上使用IC
兩者使用部件非常類似,但開(kāi)關(guān)方式大多為高耐壓部件。部件的規(guī)格也會(huì)影響到制造本錢。
不過(guò),兩者大差異在于效率,而體積/重量也是開(kāi)關(guān)方式較占優(yōu)勢(shì)。
舉例來(lái)說(shuō),近特別是便攜設(shè)備的充電用AC適配器變得既小又輕?圖11??吹紸C適配器,但左邊采用變壓器方式,右邊則是開(kāi)關(guān)方式。兩者規(guī)格相互比擬之下,右邊明顯偏小,但輸出卻可達(dá)1W以上,反而較大。
對(duì)此,開(kāi)關(guān)方式是將先將AC輸入(50/60HzDC化再轉(zhuǎn)換成高頻的AC因此能使用較小的變壓器和輸出電容器,大幅度縮小外形尺寸?;竟ぷ鞣绞胶拖惹罢f(shuō)明的開(kāi)關(guān)方式為將AC輸入整流-平滑后,其余方法則和DC/DC轉(zhuǎn)換器相同”完全一樣。效率方面的情況也是如此,采用開(kāi)關(guān)方式時(shí),由于只須扣除必要的功率,因此能提升效率,如此一來(lái)自然可以抑制發(fā)熱。
至于設(shè)計(jì),必需配合效率、尺寸和成本,但如果能先理解方式不同造成的差別,以及各方式的優(yōu)缺點(diǎn),就可以選出優(yōu)化的方式。近年來(lái),AC適配器面臨到待機(jī)功率的問(wèn)題,但只要采用開(kāi)關(guān)方式,就有望順利解決該問(wèn)題。
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| 發(fā)布時(shí)間:2017.03.27 來(lái)源: |
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