小孫學(xué)變頻2

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

小孫按照張老師的囑咐，在家里對(duì)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了復(fù)習(xí)。所以，又到張老師家去時(shí)，就主動(dòng)地向張老師講述自己對(duì)穩(wěn)壓電源的了解，以便求得張老師的指正。他首先拿出了如圖7－4（a）所示的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。然后說(shuō)：

最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電路莫過(guò)于由穩(wěn)壓管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路了。

穩(wěn)壓管VS實(shí)際上是二極管處于反向擊穿狀態(tài)的特殊應(yīng)用，其電流－電壓特性如圖7－4（b）所示。特點(diǎn)是，電壓只有很微小的變化ΔUD，可導(dǎo)致電流從IVS1上升至IVS2，變化幅度很大。

穩(wěn)壓電路的最終目的，便是保持輸出電壓UD2的穩(wěn)定。導(dǎo)致UD2發(fā)生變化的原因有兩個(gè)方面：一是電源電壓變化；二是負(fù)載電阻變化。分別說(shuō)明如下：

（1）電源側(cè)電壓變化

以電壓升高為例，當(dāng)輸入電壓UD1升高，引起輸出電壓UD2也升高時(shí)，穩(wěn)壓管吸收的電流IVS迅速增大，使流過(guò)電阻RS的電流IS增大，RS上的壓降ΔU增加，從而阻止了UD2的升高，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓。

（2）負(fù)載側(cè)電阻變化

以負(fù)載電阻RL減小為例，當(dāng)RL減小時(shí)，電流IL和IS都增大，壓降US也增大，導(dǎo)致輸出電壓UD2下降，穩(wěn)壓管吸收的電流IVS迅速減小，使流過(guò)電阻RS的電流IS減小，RS上的壓降ΔU也減小，阻止了UD2的下降，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓?！?/p>

小孫說(shuō)完，抬頭望了望張老師，意思是，有沒(méi)有需要補(bǔ)充的？張老師點(diǎn)了點(diǎn)頭，但卻說(shuō)：“這里，需要補(bǔ)充兩件事情：

第一件，你方才的解釋，著眼于得到穩(wěn)定的直流電源，說(shuō)得很好，但它還有另外的用途?！?/p>

“穩(wěn)壓管只能起穩(wěn)壓作用，還能有什么用途呢？”小孫感到新奇。

“從你方才的說(shuō)明中，可以看出，當(dāng)電壓UD2發(fā)生變化時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流將發(fā)生顯著的變化。因此，當(dāng)需要控制某處的電壓時(shí)，把被控制的電壓作為輸入信號(hào)，而把穩(wěn)壓管電路內(nèi)的電流作為輸出信號(hào)，則該穩(wěn)壓管將是一個(gè)十分靈敏的捕捉電壓變化的器件。后面我們將看到，在變頻器里，常有這樣的用法。

第二件，有一種集成穩(wěn)壓器件，其特點(diǎn)如圖7－5（a）中之PC所示，它有三個(gè)接線端：正極K、負(fù)極A和控制極C。

當(dāng)通過(guò)電位器改變C極的電位uC時(shí)，K、A間輸出的穩(wěn)定電壓可以在（2.5～36）V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖7－5（b）所示。當(dāng)電位器的滑動(dòng)端滑動(dòng)到最上端，使C極和K極等電位時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在2.5V。降低C極電位，將使輸出電壓升高。

如果輸入電壓UD1不變，則：

uC↓→IPC↓→IS↓

→ΔU↓→UD2↑

可見，改變C極電位uC的大小，也就改變了穩(wěn)壓管吸收電流IS的大小。uC越低，IS越小。這個(gè)特點(diǎn)，變頻器中也是常用的。我補(bǔ)充完了，你接著說(shuō)吧?！?/p>

線性穩(wěn)壓電源和三端集成穩(wěn)壓器

小孫又拿出了圖7－6，然后說(shuō)：“圖（a）所示，是晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源的電路，其原理是：

直流電壓UD1通過(guò)晶體管VT調(diào)整后得到穩(wěn)定的輸出電壓UD2。其穩(wěn)壓過(guò)程是：

當(dāng)輸出電壓UD2減小時(shí)，運(yùn)算放大器A的反相端電位下降，輸出電位上升，晶體管VT的基極電流IB增加，VT的管壓降減小，使輸出電壓UD2得以穩(wěn)定。

圖（b）所示，是三端集成穩(wěn)壓器的電路，它的使用方法比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓效果也較好。”

“說(shuō)得很好，下面，我們就言歸正傳，看看開關(guān)電源是怎么回事?！?/p>

開關(guān)電源的原理與優(yōu)點(diǎn)

張老師拿出了圖7－7，然后說(shuō)：“把線性穩(wěn)壓電源里的晶體管VT從放大狀態(tài)改變成開關(guān)狀態(tài)，由一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）電路進(jìn)行控制。脈沖的頻率可以從10kHz到100kHz，甚至更高。要改變其輸出電壓，不是靠改變VT的管壓降來(lái)得到，而是使VT處于開關(guān)狀態(tài)，由脈沖系列控制VT的導(dǎo)通和截止，并且靠改變脈沖的占空比D來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓，如圖7－7（a）的所示：

當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，加大占空比；而當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，則減小占空比。

在這里，占空比的定義是：

D＝（7－1）

式中，D—脈沖的占空比；

tP—脈沖寬度，s；

tC—脈沖周期，s。

這樣做有什么好處呢？

首先說(shuō)變壓器T。根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)原理，與鐵心截面積有關(guān)的因素是：

A＝K （7－2）

式中，A—鐵心的截面積，mm2；

K—系數(shù)；

P—變壓器的輸出功率，kW；

f—頻率，Hz；

Bm—最大磁通密度，Wb／mm2。

由式（7－2）可知，頻率越高，變壓器的體積越小，重量也越輕。

其次，要比較一下電路和功耗，你來(lái)分析一下。”

小孫思考了一會(huì)兒，畫出了圖7－8，然后說(shuō)：“在線性穩(wěn)壓電源里，輸入電壓必須比輸出電壓略高，如圖7－8（a）所示：

UD2＝UD1－ΔU（7－2）

式中，UD2—穩(wěn)壓電源的輸出電壓，V；

UD1—穩(wěn)壓電源的輸入電壓，V；

ΔU—穩(wěn)壓電源的電壓降，V。

晶體管VT1處于放大狀態(tài)，存在著較大的功率損耗：

ΔP＝ΔUIL（7－3）

式中，ΔP—穩(wěn)壓器件的功耗，W；

IL—負(fù)載電流，A。

在開關(guān)電源里，晶體管VT2工作在開關(guān)狀態(tài)，是截止?fàn)顟B(tài)和飽和導(dǎo)通狀態(tài)不斷交替的工作狀態(tài)，如圖7－8（b）所示。在截止?fàn)顟B(tài)，功耗幾乎為0，而在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，功耗也很小。所以，開關(guān)電源的功耗較小，這是開關(guān)電源的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)不對(duì)？”

張老師微笑著點(diǎn)了點(diǎn)頭，說(shuō)：“分析得很好，但既然說(shuō)是電源的功耗，就還需要補(bǔ)充一點(diǎn)。低頻變壓器的鐵心用的是硅鋼片，其渦流損失和磁滯損失相對(duì)較大，而高頻變壓器的鐵心主要采用軟磁鐵氧體，其渦流損失和磁滯損失較小?！?/p>

小孫的手機(jī)來(lái)短信了，張老師風(fēng)趣地說(shuō)：“下課鈴響了，下一次我們將正式討論開關(guān)電源的工況，你先準(zhǔn)備一下吧?！?

小 孫 的 筆 記

1．穩(wěn)壓管穩(wěn)壓和晶體管線性穩(wěn)壓都是依靠調(diào)節(jié)電壓降來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)定的。它們存在著兩大缺點(diǎn)：一是體積大，重量重；二是穩(wěn)壓過(guò)程中功率損耗大。

2．開關(guān)電源是通過(guò)改變脈沖的占空比來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)定的。因?yàn)椴捎昧烁哳l脈沖控制，故變壓器的體積和重量都大為減小，又因?yàn)榫w管工作在開關(guān)狀態(tài)，運(yùn)行過(guò)程中的功耗也小。

3．脈沖變壓器的一次電壓是單極性的脈沖波，但它的二次電壓卻是交變的。

4．脈沖變壓器的一次繞組是一個(gè)大電感，當(dāng)電路斷開時(shí)，也必須有續(xù)流電路。但它的續(xù)流電流應(yīng)該按指數(shù)規(guī)律下降，以便二次繞組得到負(fù)的方波。當(dāng)在一次回路中串聯(lián)電流的采樣電阻時(shí)，采樣電壓的波形是鋸齒波。

5．高頻交變脈沖只需半波整流和電容器濾波，就足以得到十分平穩(wěn)的直流電壓了。這是因?yàn)椋撼潆姇r(shí)，電路內(nèi)并無(wú)阻礙電流上升的電感元件，放電時(shí)，又因?yàn)槊}沖間的時(shí)間間隔太短而來(lái)不及衰減。

往期回顧

更多服務(wù)，敬請(qǐng)關(guān)注 “變頻器世界”