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当前位置：首页>>资讯中心>>行业动态 » 《变频器世界》小孙学变频 | 小孙学变频之开关电源原理和优点
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小孙按照张老师的嘱咐，在家里对直流稳压电源进行了复习。所以，又到张老师家去时，就主动地向张老师讲述自己对稳压电源的了解，以便求得张老师的指正。他首先拿出了如图7－4（a）所示的稳压管稳压电路。然后说：
最简单的直流稳压电路莫过于由稳压管构成的稳压电路了。
稳压管VS实际上是二极管处于反向击穿状态的特殊应用，其电流－电压特性如图7－4（b）所示。特点是，电压只有很微小的变化ΔUD，可导致电流从IVS1上升至IVS2
，变化幅度很大。
稳压电路的最终目的，便是保持输出电压UD2的稳定。导致UD2发生变化的原因有两个方面：一是电源电压变化；二是负载电阻变化。分别说明如下：
（1）电源侧电压变化
以 电压升高为例，当输入电压UD1升高，引起输出电压UD2也升高时，稳压管吸收的电流IVS迅速增大，使流过电阻RS的电流IS增大，RS上的压降ΔU增加，从而阻止了UD2的升高，实现了稳压。
（2）负载侧电阻变化
以负载电阻RL减小为例，当RL减小时，电流IL和IS都增大，压降US也增大，导致输出电压UD2下降，稳压管吸收的电流IVS迅速减小，使流过电阻RS的电流IS减小，RS上的压降ΔU也减小，阻止了UD2的下降，实现了稳压。”
小孙说完，抬头望了望张老师，意思是，有没有需要补充的？张老师点了点头，但却说：“这里，需要补充两件事情：
第一件，你方才的解释，着眼于得到稳定的直流电源，说得很好，但它还有另外的用途。”
“稳压管只能起稳压作用，还能有什么用途呢？”小孙感到新奇。
“从你方才的说明中，可以看出，当电压UD2发生变化时，流过稳压管的电流将发生显著的变化。因此，当需要控制某处的电压时，把被控制的电压作为输入信号，而把稳压管电路内的电流作为输出信号，则该稳压管将是一个十分灵敏的捕捉电压变化的器件。后面我们将看到，在变频器里，常有这样的用法。
第二件，有一种集成稳压器件，其特点如图7－5（a）中之PC所示，它有三个接线端：正极K、负极A和控制极C。
当通过电位器改变C极的电位uC时， K、A间输出的稳定电压可以在（2.5～36）V之间进行调节，如图7－5（b）所示。当电位器的滑动端滑动到最上端，使C极和K极等电位时，输出电压稳定在2.5V。降低C
极电位，将使输出电压升高。
如果输入电压UD1不变，则：
uC↓→IPC↓→IS↓
→ΔU↓→UD2↑
可见，改变C极电位uC的大小，也就改变了稳压管吸收电流IS的大小。uC越低， IS越小。这个特点，变频器中也是常用的。我补充完了，你接着说吧。”
线性稳压电源和三端集成稳压器小孙又拿出了图7－6，然后说：“图（a
）所示，是晶体管串联稳压电源的电路，其原理是：
直流电压UD1通过晶体管VT调整后得到稳定的输出电压UD2
。其稳压过程是：
当输出电压UD2减小时，运算放大器A的反相端电位下降，输出电位上升，晶体管VT的基极电流IB增加，VT的管压降减小，使输出电压UD2得以稳定。
图（b）所示，是三端集成稳压器的电路，它的使用方法比较简单，稳压效果也较好。”
“说得很好，下面，我们就言归正传，看看开关电源是怎么回事。”
开关电源的原理与优点张老师拿出了图7－7，然后说：“把线性稳压电源里的晶体管VT从放大状态改变成开关状态，由一个脉宽调制（PWM）电路进行控制。脉冲的频率可以从10kHz到100kHz，甚至更高。要改变其输出电压，不是靠改变VT的管压降来得到，而是使VT处于开关状态，由脉冲系列控制VT的导通和截止，并且靠改变脉冲的占空比D来调节其输出电压，如图7－7（a
）的所示：
当输出电压偏低时，加大占空比；而当输出电压偏高时，则减小占空比。
在这里，占空比的定义是： D＝（7－1
）
式中，D—脉冲的占空比；
tP—脉冲宽度，s；
tC—脉冲周期，s。
这样做有什么好处呢？
首先说变压器T。根据变压器的设计原理，与铁心截面积有关的因素是： A＝K
（7－2）
式中，A—铁心的截面积，mm2；
K—系数；
P—变压器的输出功率，kW；
f—频率，Hz；
Bm—最大磁通密度，Wb／mm2。
由式（7－2）可知，频率越高，变压器的体积越小，重量也越轻。
其次，要比较一下电路和功耗，你来分析一下。”
小孙思考了一会儿，画出了图7－8，然后说：“在线性稳压电源里，输入电压必须比输出电压略高，如图7－8（a）所示：UD2＝UD1－ΔU （7－2
）
式中，UD2—稳压电源的输出电压，V
；
UD1—稳压电源的输入电压，V；
ΔU—稳压电源的电压降，V。
晶体管VT1处于放大状态，存在着较大的功率损耗：ΔP＝ ΔUIL （7－3
）
式中，ΔP—稳压器件的功耗，W；
IL—负载电流，A。
在开关电源里，晶体管VT2工作在开关状态，是截止状态和饱和导通状态不断交替的工作状态，如图7－8（b）所示。在截止状态，功耗几乎为0，而在饱和导通状态，功耗也很小。所以，开关电源的功耗较小，这是开关电源的又一个优点。对不对？”
张老师微笑着点了点头，说：“分析得很好，但既然说是电源的功耗，就还需要补充一点。低频变压器的铁心用的是硅钢片，其涡流损失和磁滞损失相对较大，而高频变压器的铁心主要采用软磁铁氧体，其涡流损失和磁滞损失较小。”
小孙的手机来短信了，张老师风趣地说：“下课铃响了，下一次我们将正式讨论开关电源的工况，你先准备一下吧。”小 孙 的 笔 记
1．稳压管稳压和晶体管线性稳压都是依靠调节电压降来保持输出电压的稳定的。它们存在着两大缺点：一是体积大，重量重；二是稳压过程中功率损耗大。
2．开关电源是通过改变脉冲的占空比来保持输出电压的稳定的。因为采用了高频脉冲控制，故变压器的体积和重量都大为减小，又因为晶体管工作在开关状态，运行过程中的功耗也小。
3．脉冲变压器的一次电压是单极性的脉冲波，但它的二次电压却是交变的。
4．脉冲变压器的一次绕组是一个大电感，当电路断开时，也必须有续流电路。但它的续流电流应该按指数规律下降，以便二次绕组得到负的方波。当在一次回路中串联电流的采样电阻时，采样电压的波形是锯齿波。
5．高频交变脉冲只需半波整流和电容器滤波，就足以得到十分平稳的直流电压了。这是因为：充电时，电路内并无阻碍电流上升的电感元件，放电时，又因为脉冲间的时间间隔太短而来不及衰减。
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