了解交流/直流电源

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什么是电源?

电源是一种电气设备,它将来自电源(如市电)的电流转换为为负载(如电机或电子设备)供电所需的电压和电流值。

电源的目的是用适当的电压和电流给负载供电。电流必须以一种可控的方式和精确的电压提供给大范围的负载,有时是同时提供,所有这些都不能让输入电压或其他连接设备的变化影响输出。

电源可以是外部的,通常出现在笔记本电脑和手机充电器等设备中,也可以是内部的,如台式电脑等较大的设备中。

电源既可以调节,也可以不调节。在稳压电源中,输入电压的变化不影响输出。另一方面,在不受监管的电源中,输出取决于输入的任何变化。

所有电源都有一个共同点,那就是它们从输入端的电源获取电能,以某种方式将其转换,然后将其输送到输出端的负载。

输入和输出的电源可以是交流电(AC)或直流电(DC):

  • 直流(DC)发生时,电流流动在一个恒定的方向。它通常来自电池、太阳能电池或AC/DC转换器。直流是电子设备的首选电源类型。
  • 交流电(AC)发生时,电流周期性地逆转其方向。交流电是一种通过输电线向家庭和企业输送电力的方法

因此,如果交流是送到你家的电源,而直流是给手机充电的电源,那么你就需要一个AC/DC电源,以便将从电网输入的交流电压转换为给手机电池充电所需的直流电压。

了解交流电

电源设计的第一步是确定输入电流。在大多数情况下,电网的输入电压源是交流电压。

交流电的典型波形是正弦波(见图1).`

交流波形及基本参数

图1:交流波形和基本参数

在使用交流电源工作时,有几个指标必须加以考虑:

  • 峰值电压/电流:波能达到的最大幅值
  • 频率:波每秒完成的循环数。完成一个循环所需的时间称为周期。
  • 平均电压/电流:电压在一个周期内所有点的平均值。在没有叠加直流电压的纯交流波中,这个值将为零,因为正负一半相互抵消了。
  • 电压/电流的均方根:它被定义为瞬时电压的平方在一个周期内的平均值的平方根。在纯交流正弦波中,它的值可以用方程(1)
  • $$V_{PEAK} \over \sqrt 2 $$
  • 它也可以定义为产生相同加热效果所需的等效直流功率。尽管它的定义很复杂,但它在电气工程中被广泛使用,因为它可以让你找到交流电压或电流的有效值。正因为如此,它有时被表示为V交流
  • 相位差:两个波之间的角度差。一个完整的正弦波周期分为360°,从0°开始,有90°(正峰)和270°(负峰)的峰值,两次穿过起点,分别是180°和360°。如果将两波画在一起,其中一波达到正峰值,另一波达到负峰值,则第一波为90°,第二波为270°;这意味着相位差是180°。这些波被认为是反相的,因为它们的值总是有相反的符号。如果相位差是0°,那么我们说这两个波是相的。

交流电(AC)是电力从发电设施传输到最终用户的方式。它用于电力运输,因为在运输过程中需要多次转换电力。

发电机产生的电压约为40000伏特或40kV。然后这个电压被提升到150kV到800kV之间的任何地方,以减少长距离传输电流时的功率损失。一旦到达目的地,电压就会下降到4kV到35kV之间。最后,在电流到达个别用户之前,根据位置的不同,它被降低到120V或240V。

所有这些电压的变化要么是复杂的,要么是用直流电(DC)来处理的效率非常低,因为线性变压器依靠电压波动来传递和转换电能,所以它们只能在交流电(AC)下工作。

线性和开关交流/直流电源

线性交流/直流电源

线性交流/直流电源设计简单。

通过使用变压器,交流电(AC)输入电压降低到更适合于预期应用的值。然后,对降低的交流电压进行整流并转换为直流电压,然后对直流电压进行滤波,以进一步提高波形质量(图2)

线性交流/直流电源框图

图2:线性交流/直流电源框图

传统的线性AC/DC电源设计经过多年的发展,在效率、功率范围和尺寸方面不断改进,但这种设计有一些显著的缺陷,限制了其集成。

线性交流/直流电源的一个巨大限制是变压器的尺寸。因为输入电压在输入处转换,所以所需的变压器必须非常大,因此非常重。

在低频率(例如50Hz),大的电感值是必要的,以转移大量的功率从初级到次级线圈。这需要较大的变压器铁芯,这使得这些电源的小型化实际上是不可能的。

线性交流/直流电源的另一个限制是高功率电压调节。

线性交流/直流电源使用线性稳压器在输出处保持恒定电压。这些线性调节器以热的形式消散任何额外的能量。对于低功率,不会造成太大问题。然而,对于高功率,稳压器必须消散的热量来保持恒定的输出电压是非常高的,并将需要添加非常大的散热器。

交流/直流电源开关

新的设计方法已经开发出来,以解决与线性或传统交流/直流电源设计相关的许多问题,包括变压器尺寸和电压调节。

由于半导体技术的发展,特别是大功率MOSFET晶体管的发明,开关电源现在成为可能,它可以非常快速和有效地开关,即使存在较大的电压和电流。

交流/直流电源开关使更有效的电源转换器的创建,这不再耗散多余的电力。

使用开关电源转换器设计的交流/直流电源称为开关模式电源。交流/直流开关电源将交流电源转换为直流电源的方法稍微复杂一些。

在开关交流电源时,输入电压不再降低;相反,它在输入端被整流和过滤。然后直流电压通过斩波器,斩波器将电压转换为高频脉冲序列。最后,波通过另一个整流器和滤波器,将其转换为直流电(DC),并消除在到达输出前可能存在的任何剩余交流电(AC)成分(见图3)

当在高频率下工作时,变压器的电感器能够传输更多的功率而不达到饱和,这意味着磁芯可以变得越来越小。因此,用于切换AC/DC电源以将电压幅值降低到预期值的变压器可以是线性AC/DC电源所需变压器的一小部分。

交流/直流开关电源框图

图3:交流/直流开关电源框图

正如预期的那样,这种新的设计方法确实有一些缺点。

交流/直流电源转换器的开关会在系统中产生大量的噪声,必须对其进行处理,以确保输出中不存在噪声。这就需要更复杂的控制电路,这反过来又增加了设计的复杂性。然而,这些滤波器是由可以很容易集成的组件组成的,所以它不会显著影响电源的大小。

更小的变压器和提高电压调整效率的开关AC / DC电源这就是为什么我们现在可以通过手掌大小的电源转换器将220V交流电压转换为5V直流电压的原因。

表1总结了交流/直流线性电源和开关电源的区别。

线性交流/直流电源 交流/直流电源开关
尺寸和重量 大型变压器是必要的,增加了实质性的尺寸和重量 如果需要,更高的频率允许更小的变压器。
效率 如果不受管制,变压器损耗是造成效率损失的唯一重要原因。如果规范,高功率应用将对效率产生关键影响。188比分直播吧 晶体管的开关损耗很小,因为它们的电阻很小。这使高效大功率应用程序188比分直播吧
噪音 不规范的电源可能会有电压纹波引起的显著噪声,但是线性稳压交流直流电源具有极低的噪声。这就是为什么它们被用于医学传感应用。188比分直播吧 当晶体管开关非常快时,就会在电路中产生噪声。然而,这可以被过滤掉,或者开关频率可以非常高,超过人类听觉的极限,用于音频应用188比分直播吧
复杂性 与开关交流/直流电源相比,线性交流/直流电源往往有更少的组件和更简单的电路。 由变压器产生的附加噪声迫使添加大型、复杂的滤波器,以及转换器的控制和调节电路。


表1:线性电源与开关电源

单相与三相电源

交流电(AC)电源可以是单相或三相:

  • 三相电源由三根称为导线的导体组成,每根导线都携带频率和电压幅值相同的交流电(AC),但相位差为120°,或一个周期的三分之一(见图4).这些系统在输送大量电力时效率最高,因此被用于将电力从发电设施输送到世界各地的家庭和企业。
  • 单相电源是为个人家庭或办公室提供电流的首选方法,以便在线路之间均匀分配负载。在这种情况下,电流从电源线流过负载,然后通过零线返回。除了大型工业或商业建筑外,大多数装置都采用这种供电方式。单相系统不能向负载传输那么多的电力,更容易发生停电,但单相电源也允许使用更简单的网络和设备。
三相电源交流波形

图4:三相电源交流波形

通过三相电源传输功率有两种配置:delta $(\ delta)$和wye (Y)配置,也分别称为三角形和星形配置。

这两种配置的主要区别是能够添加零线(见图5)

Delta连接提供了更高的可靠性,但Y连接可以提供两种不同的电压:相电压,即提供给家庭的单相电压,和线电压,用于为更大的负载供电。Y型中相电压(或相电流)和线电压(或线电流)之间的关系是线电压(或电流)幅值大于相幅值的√3倍。

因为标准的配电系统必须同时向三相和单相系统供电,大多数配电网络都有三条线路和一个中性点。这样,家庭和工业机械都可以用同一条传输线供电。因此,Y型配置最常用于配电,而三角型配置通常用于为三相负载供电,如大型电机。

Y和Delta三相配置

图5:Y和Delta三相配置

根据地理位置的不同,电网向用户输送单相电力的电压有不同的值。这就是为什么在购买或使用电源之前,检查电源的输入电压范围是非常重要的,以确保它在你国家的电网中工作。否则,可能损坏电源或连接的设备。

表2比较世界各地不同地区的电网电压。

RMS (AC)电压 峰值电压 频率 地区
230 v 310 v 50赫兹 欧洲、非洲、亚洲、澳大利亚、新西兰和南美洲
120 v 170 v 60赫兹 北美
100 v 141 v 50 hz / 60赫兹 日本*


*日本的国家电网有两个频率,因为日本的电气化始于19世纪末。在西部城市大阪,电力供应商从美国购买了60赫兹的发电机,而在日本东部的东京,他们从德国购买了50赫兹的发电机。双方都拒绝改变频率,直到今天日本仍然有两个频率:东部50Hz,西部60Hz。

如前所述,三相电源不仅用于运输,也用于为大负荷供电,如电力汽车或者给大电池充电。这是因为在三相系统中,由于三相的重叠,电力的并行应用可以将更多的能量转移到负载上,而且可以更均匀地转移(参见图6)

单相(左)和三相(右)系统的电力传输

图6:单相(左)和三相(右)系统的功率传输

例如,给电动汽车(EV)充电时,你可以向电池传输的电量决定了它充电的速度。

单相充电器插入交流电(AC)电源,并通过汽车内部的AC/DC电源转换器(也称为车载充电器)转换为直流电(DC)。这些充电器的功率受到电网和交流插座的限制。

限制因国家而异,但通常32A插座小于7kW(欧盟为220 x 32A = 7kW)。另一方面,三相电源从外部将交流电转换为直流电,可向电池传输超过120kW的功率,实现超快充电。

总结

AC / DC电源到处都是。交流/直流电源的主要工作是将交流电(AC)转化为稳定的直流电(DC)电压,然后可用于为不同的电气设备供电。

交流电被用来在整个电网中传输电力,从发电机到最终用户。交流(AC)电路可以配置为单相或三相系统。单相系统更简单,可以提供足够的电力供应整个房子,但三相系统可以以更稳定的方式提供更多的电力,这就是为什么它们经常被用于工业应用供电。188比分直播吧

设计一个高效的AC/DC电源不是一件容易的事情,因为目前的市场需要高功率,非常高效,微小的电源,能够在很大的负载范围内保持效率。

随着时间的推移,设计交流/直流电源的方法发生了变化。线性AC/DC电源在尺寸和效率上受到限制,因为它们工作在低频率下,通过以热的形式驱散多余的能量来调节输出温度。相比之下,开关电源已经变得非常流行,因为它们使用开关稳压器将交流电源转换为直流电源。开关电源的工作频率更高,转换电能的效率比以前的设计要高得多,这使得手掌大小的大功率AC/DC电源成为可能。

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