[入门教程]电源电路基础(1) 精华

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[入门教程] 电源电路基础(1)

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本帖最后由 皮皮的Lab 于 2019-11-13 00:41 编辑

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电源可谓是所有电路的基础,无论是我们的DIY项目还是商品的应用,都需要用到各种各样的电源。例如手机充电器,电脑电源适配器,智能家电,LED灯等等,这些设备中都含有给它们供给能源的电源电路,而这些所有能量的来源,实际上都来自每个家庭都有的220V交流电。
通过一系列诸如变压、整流、滤波等手段之后,220V正弦交流电就可以被变化成各种不同的电压大小。完成这一系列的电路,就称其为电源电路。
现在我就会从最初的220V50Hz正弦交流电开始,一步一步讲解如何将其处理成我们需要的


交流与直流(DC and AC)
家里插座中的输出的电电压为220V交流电,频率为50Hz。其中频率代表了家用市电每秒改变方向50*2=100次,因为正弦函数每个周期内改变方向2次,下面是一张50Hz220V正弦交流电的图像:
timg_看图王.jpg
可能有人会问为什么这里函数顶端值是220√2而不是220,这是因为平常我们说多少伏的交流电说的都是他的有效值,而不是交流电的最大值(峰值)。至于为什么一个有效值为220V的正弦交流电它的峰值是220*√2,这里面涉及到一些数学计算,我在这里不多讲解,各位记住这个关系就好。
各种家电以及电源适配器都需要输出直流电源,而直流电有着不变的电压方向,所以我们需要一系列手段来将其变化成直流。
首先,对于一个峰值近220*√2=311V的交流电来说,如何 将他变化到我们想要的电压,是我需要解决的第一个问题。


变压器(transformer)
变压器是一种变化设备,他可以将峰值近311V的家用交流电变化到一个适合我们使用的电压大小。它的原理其实比较简单,利用电磁感应的原理,不断变化方向的电压以及电流在铁芯里面引起变化的磁通量,然后通过控制线圈的匝数来控制输出端的电压大小。 o4YBAF2gPdyAfnQvAAAcsEsano8908.png
那么使用了变压器之后,我就得到了有效值较低的交流电。那么问题来了,既然是交流电,它的大小、电压、电流方向都是不断变化。但是我们期望的直流电电压方向是不变的,所以我需要一个东西将交流电的方向固定下来,成为方向不变的。


整流桥(bridge rectifier)
说到整流桥,还得先从二极管开始说起。二极管相信大多数人听起来都不陌生,它具有独特的性质——单向导电性。如图所示,当它的阳极电压比阴极电压高出一定电压的时候,他就类似于一根普通的导线,电流可以通过。但是当反过来的时候,就相当于电路在这个位置断开了,电流也就无法通过了。
20180419032221336.jpg
利用这个特性,我就可以简单的将一个二极管链接到变压器的输出了。
2345截图20191104053601.png
那么可以想象到输出电压的函数图像如下:
2345截图20191104053802.png
可以看到,当链接二极管之后,由于单向导电性,它阻断了一部分电压。原来负半周部分被削去了,只留下了正半周部分,那么现在电压的方向恒定不变了,我成功将交流变换到了直流。
但是转念一想发现,这个电路效率存在问题,太多的能源被浪费了。整个负半周电压的能源全被浪费了,我们需要效率更高的方法。如下图所示:
2345截图20191104055108.png
那么通过这个电路,我们可以画出其电流的流动方向,当交流输入上正下负的时候
2345截图20191104055559.png
当交流输入端下正上负的时候,输出端电流流动方向依然不变
2345截图20191104055719.png
可得函数图像是这样的
2345截图20191104055240.png
和刚才只用一个二极管相比,整效的个负半周的能源也被转换到了正半周,这样我得到了效率较高的交流变直流电路。
那么这种像波浪一样的直流电,我们称之为脉动直流,与直流不同的是,他的电压大小会不断变化。那么对于一些我们常用的项目来说,这种像波浪的直流电信号,并不适合我们使用,容易对一些要求稳定电源的设备造成较大干扰。所以我们需要将其进行处理,使其变得平滑。


滤波(smoothing)
既然想要将脉动直流电变的平滑,那么我们需要在电压处于较低值的时候,主动填补这个空缺,使其平滑一些,这样一来,我们需要一个存储能量的元件,在电压处于较低值的时候输出能量,使得输出端电压尽量不变。
电容就是这么一个元件,它可以存储能量并释放出来,所以在原来的电路中的输出端并联上电容:
2345截图20191104061625.png
这样一来,通电之后,输出端电压是这样的:
2345截图20191104062157.png
电容的确起到了一些作用,在脉动电压较低的时候输出了很多能量,将输出平滑到了一个可以接受的范围。电容不断的充电与放电之间切换,如下图所示
2345截图20191104062157.jpg
当脉动电压上升的时候,他会给电容充电,电容电压随之上升,当脉动电压较低的时候,电容放电,向负载输出能量。
所以将交流电转换成直流电经过上述的几个步骤,就得到了较为平滑的直流电,总体电路图如下。
2345截图20191105020143.png
但是还是存在一些问题,当输出端接上一个较大的负载的时候(需要输出大电流),由于电容存储能量有限,在脉动直流电压很低的时候,负载很快将电容中存储的能量消耗完毕,从而导致电容上的电压会在短时间急剧下降。(在不同负载下,电脑仿真波形如下)
未标题-1.jpg

所以在大负载下,这个电容的滤波作用将会减弱很多,导致输出电压中的纹波变多,导致输出平均电压有所下降,可以由电脑仿真结果看出:
2345截图20191106194248.png 2345截图20191106194231.png


这个例子说明我的电路不适合日常使用,对于不同负载下不能很好的稳定输出电压,而日常使用的时候负载大多数是变化的,所以我们需要稳定电压来保证用电器的稳定工作。




线性稳压(linear regulator)
在上述的电路中,可以看到输出的电压还是有一些纹波的,特别是在大负载的时候。尤其对于一些动态负载的应用环境,输出电流可能变化很大,所以使用我上面绘制的电路会造成整体系统在大电流工作的时候不稳定。因此我们需要不论在何种大小的负载下,都可以输出稳定不变、完美平滑波形的电源电路。
线性稳压便可以解决这个问题,下面给出线性稳压器的结构图
2345截图20191105052639.png
可以看到从滤波器往右便是线性稳压器的主要结构,主要有4部分组成。鉴于刚才我设计的电路在大负载下存在不平滑的现象,线性稳压器引入一个取样电路,这样一来,如果电路检测到负载上的电压有下降的情况的时候,那么整体电路会自动的提高输出电压以弥补负载上缺少的电压,这种反馈使得负载端得到了更加稳定的输出电压。
2345截图20191105054645.png
在取样电路取得当前负载端的电压之后,将会把这个电压送到比较电路中,比较电路将会把取样电路取得的电压和设定(期望)的电压进行比较,如果少了就增加输出电压,多了就减少输出电压。
2345截图20191105053942.png
大家可以发现线性稳压器是连接在整流桥之后的,所以它的输入是直流电,输出仍然是直流电。它起着一个调节电压的作用,对于变化的负载,它可以保证输出电压不随着负载的变化而变化以及最大化减少输出电压的波动。
线性稳压器内部的电路较为复杂,我不详细说明,只是提及一下线性稳压器电压调节电路中较为核心的调节管的功用:

可以看到图片中调整管的类型是三极管,它串联在由输入端(左侧)和输出端(右侧)之间,因此输出端电压和输入端电压之间的电压差就会全部来自于调整管,通过改变调整管上的电压,便可以改变输出电压。因此工作在线性区的三极管可以很方便的通过改变其自身的电压,来达到调整输出端电压的目的。
因此线性稳压是一种降压的手段,将直流电降压并且可以稳定的输出。下面我使用电脑仿真结果来给大家展示线性稳压的功用:
2345截图20191106200424.png 2345截图20191106200443.png


其中TL431是一个精密的稳压源,它提供了如前面线性稳压的结构图中参考电压以及比较放大电路的功用,通过输出端输入的反馈信号,可以改变通过它(TL431)电流的大小,从而控制三极管。可以看到即使电阻由2k欧姆下降到500欧姆,输出电压仍然不会存在太多变化,说明这个电源的输出能力较强,即使是不同负载下,它依然可以维持输出电压的稳定。同样的输出波形也变的很平滑。
2345截图20191106192526.png
那么,是否线性稳压就是我们需要的理想稳压器呢?再次考虑到线性稳压器的结构图,之前我提到过线性稳压器中调整管是工作在线性区的,根据三极管特性曲线
2345截图20191106195057.png
工作在放大区的三极管,集电极和发射极上会存在一个不可忽视的压降Uce,如图中横坐标所示。所以我们可以测量一下三极管上的压降
2345截图20191106201952.png


可以看到三极管上有一定的压降,根据此时输出电压约为5V计算,输出电流为5V/500Ω=10mA,输出功率为10mA*5V=50mW。反观三极管上的电压为2.344V,通过三极管电流为10.252mA来看,三极管上耗费的功率有2.344V*10.252mA=24mW
接着我再次测量了这个线性稳压电路的输入电压与电流
2345截图20191106202441.png
依据这个数据,我们可以计算出线性稳压器的总输入功率7.343V*11.841mA=86.95mW,那么我们可以大概算出这个稳压电路的效率如何:
未标题-2.jpg
可以看到我精心设计的电路效率居然如此之低,造成这个电路效率低下的罪魁祸首就是这只三极管上耗费了近24mW的功率。这些功率并没有输出给负载,而是全部消耗在三极管上,发热并且导致效率较低。
那么,如果我提高输入电压,又会发生什么呢?
2345截图20191106205403.png
注意我改变了变压器线圈匝数比,将输入电压提高至12V左右,此时的输入功率:
12.131V*16.637mA=201.8mW,而输出功率仍然不变,因此稳压器效率变为:
未标题-3.jpg
真令人惊叹,现在效率居然只有24.8%了!其实仔细想想原理其实很简单,增加输入电压并不会改变输出电压大小,所以增加的电压全部被加在三极管上,这就导致了三极管上消耗的功率更大了,导致效率更低了!所以这里总结出一个常识:
未标题-4.jpg


所以在使用线性稳压器的时候,一定要尽量缩小输入电压与输出电压的差,但是不可小于稳压器数据手册中推荐的最小值,当输入输出电压差小于一定值的时候,调整管将无法工作在线性区,也就不具备调整输出电压的功能。
因此,为了实现更低的输入输出压降,人们改进传统线性稳压器,开发出了低压差线性稳压器(LDO)。这种稳压器的特点就是可以在输入输出电压差极小的情况下工作,也有更好的效率以及更少的发热。
2345截图20191106235813.png
普通线性稳压器的弊端是发热以及效率问题,因此常见的线性稳压器都推荐加装散热片使用,如78系列的线性稳压,可以看见网上售卖的这种线性稳压模块都会装配散热片。
2345截图20191107000311.png
线性稳压的优点(Advantage of linear regulator)
的确,发热和效率较低确实是线性稳压器的不足。但是线性稳压器也有它的好处,就是输出纹波小,非常平稳,从上面的电脑仿真结果也可以看出来。并且得益于半导体工业的发展,现在线性稳压器可以集成到很小的一块芯片里面,并且富有许多保护措施例如:过压过流保护,短路保护,过热保护等等。再加之如今LDO低压差稳压器的广泛使用,线性稳压器越来越多的被应用在微电子电路中,给一系列微控制器等元件提供平稳的电压输出。


这篇文章我讲解了一种常见的交流变直流的转换电路,并且详细的分析了各个电路元件的功能以及他们对电路的影响。最后提到了可以稳定输出的线性稳压器电路以及它的优缺点。当然这并不能代表电源电路众多的种类,下一个文章我会讲解另一种效率更高的电源方案。感谢阅读我的文章,关于这篇文章您有什么问题或者建议,可以QQ2877137721来联系我。

gada888  版主

发表于 2019-11-21 18:32:03

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