為什么AC/DC線性電源的體積大?
出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2023-05-15 15:55:01
電源按照轉(zhuǎn)換原理分類,可分為線性電源和開關(guān)電源。線性電源和開關(guān)電源的特點如下:
1、線性電源的調(diào)整管工作在放大狀態(tài),因而發(fā)熱量大,效率低(與壓降多少有關(guān)),需要加體積龐大的散熱片。實現(xiàn)交流/直流轉(zhuǎn)換時,還需要同樣也是大體積的工頻變壓器,當要制作多組電壓輸出時變壓器會更龐大。
2、開關(guān)電源通過不同的拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn),降壓、升壓、升降壓。而線性電源只能實現(xiàn)降壓。
我們早期大約上世紀90年代,用的一些小功率的家用電器,都是用外置電源適配器來供電的,但是那時候的電源適配器“傻大黑粗”。拿在手上沉甸甸的,供電的時候非常發(fā)燙。
在家偷玩小霸王游戲機的同學,家長回家時會不會摸摸電源適配器的溫度?
AC/DC開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止狀態(tài),因而發(fā)熱量小,效率高。AC/DC開關(guān)電源省掉了大體積的工頻變壓器。但開關(guān)電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波,在輸出端并接穩(wěn)壓二極管有可能可以改善,另外由于開關(guān)管工作時會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾,也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對而言線性電源的紋波可以做得很小。
AC/DC電源分為線性電源和開關(guān)電源。早期很多電源適配器都比較重,用的是工頻變壓器。
工頻變壓器也稱作低頻變壓器,以示與開關(guān)電源用高頻變壓器有區(qū)別,工頻變壓器在過去傳統(tǒng)的電源中大量使用,而這些電源的穩(wěn)定方式又是采用線性調(diào)節(jié)的,所以那些傳統(tǒng)的電源又被稱為線性電源。工頻一般指市電的頻率,在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的。
AC/DC線性電源實現(xiàn)交流轉(zhuǎn)換成直流,是先用變壓器把交流電壓進行降壓,這種直接在市電的頻率進行降壓的變壓器,我們稱為工頻變壓器。工頻變壓器也稱作低頻變壓器,以示與開關(guān)電源用高頻變壓器有區(qū)別,工頻變壓器在過去傳統(tǒng)的電源中大量使用,工頻一般指市電的頻率,在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的。而可以改變這個頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。工頻變壓器相對于高頻變壓器,一般體積比較大。所以有工頻變壓器實現(xiàn)的交流/直流的線性電源體積也就比較大。
上圖為典型的線性電源電路圖,實現(xiàn)交流/直流的轉(zhuǎn)換,市電220V經(jīng)過變壓器、鎮(zhèn)流器、電容濾波,由線性穩(wěn)壓管實現(xiàn)需要的輸出電壓。
步,線性電源是先經(jīng)過變壓器,利用工頻的頻率,直接利用變壓器的匝數(shù)比,實現(xiàn)變壓。工頻變壓器輸出一個工頻的低壓交流電。
第二步,在通過整流橋整流成一個略高于所需要輸出電源的電壓,經(jīng)過電容濾波之后形成一個接近直流的電源。
第三步,經(jīng)過穩(wěn)壓電路
線性電源用工頻變壓器、開關(guān)電源用高頻變壓器
上世紀60年代開始,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了高反壓的晶體管,從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入,不再需要工頻變壓器降壓了,從而極大地擴大了它的應用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器,又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小,開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。下圖是一個典型的單端輸出反激式開關(guān)電源的功率部分原理圖。
交流/直流開關(guān)電源是需要先對交流電源進行整流濾波形成一個近似的直流高壓,然后再通過控制開關(guān)管,產(chǎn)生高頻的脈沖,通過變壓器進行變壓。交流/直流開關(guān)電源效率更高,體積更小。體積小的一個重要原因是高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。
1、磁性材料的差別:
工頻變壓器采用硅鋼片作為磁芯材料的;高頻變壓器是采用鐵氧體磁芯材料。
2、工作頻率的差別:
工頻變壓器的工作頻率一般是指50Hz或者60Hz的電源頻率;高頻變壓器的工作頻率一般都在1KHz以上,甚至幾十KHz或者上百KHz,應用范圍不同頻率也不一樣。
3、應用方面:
工頻變壓器一般多用于將220V或者110V工頻高壓變換成工頻低壓,供小家電的電路板供電使用(如豆?jié){機、抽油煙機、音響等等,應用范圍比較廣泛;高頻變壓器用途就廣泛了(如;手機充電器,電子鎮(zhèn)流器,開關(guān)電源,彩電電源,電腦電源,液晶驅(qū)動及電源等等許多場合都有使用)。
為什么頻率越高,變壓器體積越?。?/p>
重要的是根據(jù)麥克斯韋方程,變壓器線圈內(nèi)的感生電動勢E為
也就是磁通密度B隨時間的變化率在N個面積為Ac的線匝的積分。
對于變壓器,變壓器原邊的感生電動勢E與輸入側(cè)加的電壓U可以認為是線性關(guān)系。變壓器輸入側(cè)的U幅值不變的前提下可以認為E幅值也不變。
此外,每種磁芯的磁通密度B會有一個上限,高頻用的鐵氧體大約在零點幾特斯拉,工頻用的鐵芯大約在略大于一的水平,差距不是很大。
因此,當頻率提高后,在磁通密度B峰值變化不大的前提下,每個周期內(nèi)的磁通密度變化率dB/dt是大幅增加的,因此可以用更小的Ac或N實現(xiàn)相同的感生電動勢E。Ac減小,意味著磁芯截面面積減?。籒減小,意味著可以縮小磁芯空窗的面積,兩者都可以幫助實現(xiàn)更小的磁芯體積。高頻變壓器的橫截面積更小,線圈的匝數(shù)變少,這樣體積也就更小了。
開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止的狀態(tài),因而發(fā)熱量小,效率高。交流/直流電源省掉了大體積的變壓器。但開關(guān)電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波,另外由于開關(guān)管工作時會產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾,也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對而言線性電源就沒有以上缺陷,它的紋波可以做的很小。
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