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线性电源电路设计规范
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●总 述
0 Y& z; |, Q) F* [$ T7 O电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量,而且对于我们现在所面临的控制器而言,都是利用电网提供的交流电源,经过整流、滤波、稳压后,滤去其不稳定的脉动、干扰成分,来使电子电路与电子设备保持正常的工作,并且我们目前绝大部分都是使用的线性电源,即通过降压、整流、滤波、稳压后而提供给电子电路及芯片工作的。下面我们就原理及设计规范分各部分具体说明。1 M9 O0 p; m2 B! |7 l
第一部分:原理性介绍% k9 T. Y( A0 X( W8 V; C U$ ]
下面我们就线性电源的降压、整流、滤波、稳压部分分节做较为详尽的原理性介绍
( w' Q6 m# g/ v! ?' W9 ~7 N& H一、
* ^( }: v/ g0 P- R4 ?7 Y: l: W$ G线性电源电路基本上由四部分组成:变压器降压、二极管或桥堆整流、电容或电感滤波、三端稳压块稳压,他们之间的组合则可构成一个最基本的,也是最可靠的线性电源电路:$ G1 S; q M E# _ r
二、线性电源电路的降压部分即电源变压器部分
m" p# V: O' z9 |/ G- t& W1、 结构与原理
2 g; Z1 K5 [6 R3 k8 g5 w5 r# V变压器由线圈绕组、铁芯组成。一压般而言,变器还有一个外壳,用来起屏蔽和固定作用。
" g7 M3 N$ K9 G/ \8 I一般的变压器具有一个一次绕组、一个或多个二次绕组,线圈绕在铁心上。给一次绕组加上交流电,由于电磁感应的原理,在二次绕组上则有电压输出。
$ p9 x3 J- u+ z! H给一次绕组加上交流电后,在二次绕组周围则产生交变磁场,一次绕组通电后产生的磁力线绝大部分由铁心构成回路(铁心的磁阻远小于空气的磁阻)。二次绕组绕在铁心上,这样它的线圈切割磁力线而产生感应电动势,结果在二次绕组两端有电压输出。无论在铁心上绕几个二次绕组,二次线圈上都会切割磁力线而产生感应电动势。
1 R- E0 _# ~6 O Q: G2、主要特性; f( F" c8 V; ]8 v" \8 a& ^
① 电压比:
: \7 J- V9 r3 }亦称匝变比,用n表示。它是一、二次绕组匝数之比:1 `; h% `& w* \7 m# D+ y4 H
n=N2/N1=V2/V1;. w9 R( g) {+ ~0 s: U" Z) M( R
式中 : n——变压器的匝比
) T7 Y( t6 l; T5 v) g N2——二次绕组的匝数. X- B( \ b! t) x8 K
N1——一次绕组的匝比
( z4 }0 z0 Q7 F! {! c) G& | V2——二次绕组的输出电压
8 R3 W6 i5 _5 s V1——一次绕组的输出电压& H& i+ v$ c, C/ [! H
将上面的公式变换一下,得:- Q, B2 X' P, S! e9 m
V2= V1*N2/N1
0 u+ x" [( M! M( \8 {- F- Y从上式可知,
% L+ h3 o! [: j Z5 H当n>1时,V2> V1,为升压变压器;
) D* g6 _, V5 {2 q n=1时,电压未变化,称为1:1变压器(如隔离变压器);, _ ^4 o- [6 @! u% }
n<1时,V2< V1,为降压变压器,这是常用的一种变压器,也是目前我们所用的变压器。
$ S. u% a; P/ g2 w7 v② 电压与电流的关系+ }: _5 W9 X, [: _& Q" Q
为分析方便,假设变压器是无损耗的,那么一次侧输入功率等于二次侧输出功率,即 P1=P2。由P=V*I可知:8 p$ e# b/ k7 n' E2 f. q1 u# \
I1*V1=I2*V2;8 a$ ~) C' K) O* j
V1/ V2= I2/ I1;; X) b% {. L; l/ N; Q9 n
从上式可知,当V1> V2时(即n<1),有I1<I2;当V1〈 V2时(即n>1),有I1>I2;换句话说,在降压变压器中,二次侧输出小电压大电流,二次侧输出电流大于一次侧输入电流,所以这种变压器的二次绕组线径比一次绕组线径粗;在升压变压器中,二次侧输出大电压小电流,二次侧输出电流小于一次侧输入电流,所以这种变压器的二次绕组线径比一次绕组线径细。
4 e: ?( W* w! b9 G 在实际应用中,变压器是存在损耗的,但电压、电流关系仍符合以上所述的关系。
8 n( M, Z* d# Z③ 阻抗关系9 R, S2 R& C, g
变压器可以进行电压变换,在某些场合则是利用它的阻抗变换特性。- p6 i+ f5 \8 r8 k' _3 J7 K [
利用欧姆定律,上述推导公式做适当的变换,得;
9 W+ @6 l- t# q0 g) } P=V2/Z;
& R* k- D- z5 o: o P1=P2;
! C" d- t7 s8 A) T5 A V12/Z1=V22/Z2;
7 p0 D8 H2 r* l Z2/Z1=V22/V12=(V2/V1)2=(N2/N1)2=n2;/ M$ X% L' j- z' m# v% p1 j
式中: Z1——变压器一次输入阻抗" u: R. ^+ i+ a' K( K) [6 j
Z2——二次负载阻抗; A( t/ j* f+ j0 E: u
n——匝比; s! v _, O: w! I' z* G
由上式分析可知,Z1、Z2之间的关系与n2有关:% E! g+ A" G) h) J8 X8 K( G$ V
当n1=n2时,Z1=Z2,这说明变压器一次侧的输入阻抗等于二次侧的负载阻抗,此时变压器无阻抗变换作用;
' m. y, a4 g1 W4 T" w6 T" |) a当n1>n2时,Z1=Z2/ n2,这说明变压器一次侧的输入阻抗等于二次侧的负载阻抗降低n2倍;2 F8 m& @$ O# i" b. z" {) b0 Q
当n1<n2时,Z1=Z2/n2,这说明变压器一次侧的输入阻抗等于二次侧的负载阻抗提高(1/n)2;
/ m* |& G6 z- @$ x在放大器的级间耦合电路中,为了能使负载获得最大的激励阻抗,往往采用变压器(阻抗变压器)来进行阻抗的匹配。因为最佳阻抗匹配的条件是激励信号源内阻等于负载阻抗,此时能使负载获得最大功率。
' n, M" A2 f3 e④ 互感现象
/ x" o) ?- F: ?; n$ i/ ? 变压器是利用互感现象原理工作的:当一次侧绕组通以交流电时,一次绕组产生磁场,二次绕组的线圈切割磁力线而产生感生电动势,这样由交变电场生成磁场,磁场通过闭合的铁芯耦合到次级绕组,从而在次级线圈中生成感应电动势V01。; F" @/ G: {% q/ O8 g/ g0 [! w
⑤ 屏蔽作用 F) K6 ]; y# i* [/ F$ r1 `
在给变压器的一次绕组通以交流电时,绕组周围会产生磁场,尽管有铁心给绝大部分磁力线构成磁路,但仍有一些磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。这些磁力线会对附近的电路形成一定的磁干扰,所以一般要给变压器加上屏蔽壳。屏蔽壳不仅可防止变压器干扰其他的电路,同时亦可防止其他杂散磁场干扰他的正常工作。
0 o% g% C# ]' z. A. `0 F7 i3、 主要参数
5 q( y6 `3 C1 h& v/ B% [" C% l. s: M8 ]①、 额定功率
8 J1 I" o {9 y, A) R& I" `* b 在额定的频率与电压下,变压器长期工作而不超过规定的允许温升的最大输出功率,单位为VA。
: D* h8 H( R, Z# b②、 变比
% s& t0 i6 z! t; s 即电压比,它反应了变压器的电压变换能力。一般用二次侧输出电压表示。
" ^4 s! x) ^0 F3 n" j9 N& h③、 温升" |, `. n' j1 u ^
它指在变压器工作下,温度达到稳定值时,变压器比环境温度高出的部分。要求变压器温升愈低愈好。: ]/ d# x! {5 ?+ M# w
④、 效率5 x0 a- Z5 X3 O* S
效率=输出功率/输入功率。) @8 y: D- i6 Q' T# B
效率越高,变压器的损耗越小。
3 }$ b# m! s+ d9 c5 T. k4 Z1 [& X1 l6 w⑤、 绝缘电阻
7 A; T8 U3 n' c2 b9 {# M绝缘电阻不仅关系到变压器的性能,而且关系到变压器使用时的安全问题。6 A6 M- ^0 c7 J$ \; G
绝缘电阻=施加电压/产生的漏电流7 M2 S# L1 h P4 C w& u2 O! ?
一般可用仪器测量,应在10MΩ以上。 |
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