首页 > 应用 > 消费电子

AC-DC转换器 - 拆卸线性电源

David Williams 2019-05-07

介绍Ktv电子头条

 Ktv电子头条

墙壁适配器AC-DC转换器(整流器)是常见的设备,除非它们丢失并且您无法获得所需的直流电源,否则没有人会非常关注它们。从表面上看,这些整流器是相当简单的设备,我相信您对它们的工作方式有一定程度的了解。在本文中介绍AC-DC转换器的基本操作时,请耐心等待。在随后的文章中,我将介绍一些与AC-DC转换器相关的更复杂的主题,如功率因数,谐波失真和可靠性。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

下图中的AC-DC转换器需要输入120Vac(60 Hz)并提供大约12V DC的输出 (它是一个未经调节的转换器,因此输出会随负载而变化)和高达1安培的电流。最大输入功率为20W。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

1.jpgKtv电子头条

图1. 20W,120V AC至12V DC适配器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

让我们假设我们对它们的工作方式一无所知,只能测量进出设备的电压。测量输入电压和输出电压将得到以下结果:Ktv电子头条

 Ktv电子头条

2.jpgKtv电子头条

图2. AC-DC适配器的输入和输出电压Ktv电子头条

 Ktv电子头条

如果我们只是墙式适配器的用户,那就是我们需要知道的所有内容。唯一重要的是检查插头和插座的极性以确保它们匹配(在这种情况下,插头的中心是正的)。我们不仅仅是电子产品的用户; 我们是好奇的电气工程师,所以让我们打开这个转换器,以更好地了解内部的内容。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

AC-DC适配器电路Ktv电子头条

 Ktv电子头条

如图3和图4所示,这款120VAC至12VDC适配器并不多见。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

3.jpgKtv电子头条

图3.交流适配器内部的俯视图Ktv电子头条

 Ktv电子头条

4.jpgKtv电子头条

图4.交流适配器组件扩展Ktv电子头条

 Ktv电子头条

看图4并从右(输入)向左(输出),有一个双插头插头,连接到一些导线到变压器的初级线圈。然后连接到变压器的次级是全桥二极管整流器,接着是滤波电容器,最后是中心正输出插孔。在接下来的部分中,将分析每个组件的用途,以显示AC输入电压最终如何转换为12V DC电压。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

变压器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

图5显示了从侧面看到的相同适配器。右侧的蓝色线是双叉壁连接的输入,它们直接连接到变压器的初级线圈。次级输出可以在变压器的左下方看作两根小铜线。变压器的目的是将交流电压从120V RMS从墙上插座降低到接近所需直流电压的电压。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

5.jpgKtv电子头条

图5.标有变压器的交流适配器的侧视图Ktv电子头条

 Ktv电子头条

如果忽略变压器的所有非理想属性,它们就是非常简单的设备。一般的想法是有两个(通常是大的)线圈电气隔离,但是磁耦合在一起。变压器的输入侧称为主侧,输出侧称为次级侧。交流电流通过初级线圈,在变压器铁心中产生交变磁通量。该交变磁通量又在次级线圈中感应出电压。初级线圈中的环路数量与次级线圈中的环路数量的比率等于输入AC电压与输出AC电压的比率。在等式中,这种关系是:Ktv电子头条

 Ktv电子头条

6.jpgKtv电子头条

 Ktv电子头条

NP是初级线圈中的环路数量,VP是施加到初级线圈的电压,NS是次级线圈中的环路数量,VS是次级线圈中的电压。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

图6示出了通过变压器芯将初级绕组耦合到次级绕组的卡通图示。图5中AC适配器的核心几何形状与该图的几何形状不同,但原理是相同的。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

7.jpgKtv电子头条

图6. 变压器图 Ktv电子头条

 Ktv电子头条

变压器不产生能量或(理想情况下)使用任何能量; 它们完全是无源器件,只需升压或降压交流电压即可。 由于它们不产生或产生电力,变压器的功率必须等于功率输出。 这意味着如果变压器升压电压,则必须降低电流以维持Powerin = Powerout(或Vin×Iin = Vout×Iout)的关系。 利用进入初级(P)的功率等于次级(S)的功率这一事实,我们可以推导出一个方程式,将次级中的电流与次级中的电流相关联: Ktv电子头条

 Ktv电子头条

Power(P)=Power(S) 意思是Ktv电子头条

 Ktv电子头条

Vp×Ip=Vs×IsKtv电子头条

 Ktv电子头条

代入Vs=Ns/Np×Vp给Ktv电子头条

 Ktv电子头条

Vp×Ip=Ns/Np×Vp×Is  Ktv电子头条

 Ktv电子头条

VP术语取消,主要与次要电流关系变为:Ktv电子头条

 Ktv电子头条

Ip/Is=Ns/NpKtv电子头条

 Ktv电子头条

该特定适配器的初级和次级电压之间的关系如图7所示。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

11.jpgKtv电子头条

图7.示波器上显示的变压器的初级和次级电压。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

该图显示初级电压为354Vp-p(177Vp或125VRMS),输出为45.2Vp-p(22.6Vp或16VRMS)。电压比约为7.8(354 / 45.6),这意味着初级与次级的匝数比也是7.8。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

当必须对系统进行更精确的建模时,必须考虑变压器的一些非理想特性,例如导线电阻,磁芯饱和,磁化电感和滞后。对于这篇文章的目的,我们将只专注于一个177V的事实p AC电压进入变压器和22.6V p AC电压熄灭。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

桥式整流器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

墙式适配器的下一个阶段是桥式整流器。该设备接收变压器的交流输出并将其转换为直流电压。它使用二极管的布置来实现这一点,二极管仅迫使电流在一个方向上通过负载。图8显示了适配器中的二极管以及二极管如何连接在一起的示意图。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

12.jpgKtv电子头条

图8.全桥整流器电路和原理图Ktv电子头条

 Ktv电子头条

此墙上适配器中的桥式整流器由四个独立的二极管(部件号1N4001)组成,但有时整流器是基本集成电路,四个二极管全部在一个设备中制造,如图9所示。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

13.jpgKtv电子头条

图9. IC中的桥式整流器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

整流器的输出仅为DC,即在一个方向上强制流向负载的电流。如图10所示,电压仍然变化很大。有效地,整流器的作用是取电压的负部分并将其翻转以使其为正,如下图所示。电压仍然在0V和峰值之间摆动。必须对电压进行进一步处理,以使电压摆幅最小化,这也是下一阶段的工作。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

14.jpgKtv电子头条

图10.显示输入和输出Voltages.png的整流器电路Ktv电子头条

 Ktv电子头条

电容器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

要解决的下一个问题是如何获取变化的电压并使其平滑,以便负载接收或多或少的恒定电压。与这种纹波作斗争的主要因素是电容器。电容器是下图11中的高蓝色圆柱形元件:Ktv电子头条

 Ktv电子头条

15.jpgKtv电子头条

图11.交流适配器中的电容器Ktv电子头条

 Ktv电子头条

此墙上适配器中的电容器是2200 uF电解电容器。通常使用电解电容器,因为它可以以合理的价格具有相对高的电容(100s甚至1000s的uF)和合理的电压容差(10的伏特)。例如,在电子元件供应商网站上的快速搜索显示,如果是电解电容器,可以容忍高达50V的2200 uF电容低于3美元,如果是薄膜电容则低于250美元。电解电容器的主要缺点是它们的寿命比薄膜电容器短得多。事实上,电解电容可能是任何电子系统中首先出现故障的元件。通常,制造商忽略了这种可靠性问题,因为使用电解电容器可以节省大量成本。 Ktv电子头条

 Ktv电子头条

电容器的目的是当电源提供比负载需要更多的能量时,通过从电源吸收额外的能量来保持电压到负载恒定,并且当电源提供的能量少于电源时输出额外的能量。负载需求。电压滤波的结果如图12所示。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

16.jpgKtv电子头条

图12.带和不带滤波电容的交流适配器输出电压Ktv电子头条

 Ktv电子头条

请注意,电压仍然不是恒定电压,输出端有一点纹波。 无论所用电容器的大小如何,负载电压始终存在少量纹波。 较大的电容可以消除更多纹波,因为它可以为给定电压存储更多能量。 相反,较大的负载(即较小的电阻)将导致更多的纹波,因为在需要的时间期间将从电容器吸取更多的能量使其更多地放电。 在给定特定电容(C),负载(RL)和频率(f)的情况下,很容易计算出有多少纹波。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

17.jpgKtv电子头条

 Ktv电子头条

或者,在给定特定负载的情况下,很容易计算出满足某个纹波规格所需的电容量。等式看起来像这样:Ktv电子头条

 Ktv电子头条

18.jpgKtv电子头条

 Ktv电子头条

关于电路中电容器的最后一点说明。电容器能够通过一点纹波保持电压相对稳定,但进出电容器的电流根本不是很稳定。图13显示了电容器充电和放电时进出电容器(I cap)的电流。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

19.jpgKtv电子头条

图13.充电和放电电容器电流Ktv电子头条

 Ktv电子头条

注意充电周期是来自电源的非常短的高电流突发,而放电周期是缓慢而稳定的电流流向负载。您还可以看到输出电压在电流突发期间如何跳跃以对电容器充电,并在电容器放电期间缓慢下降。这些电流突发可能导致诸如低功率因数和高谐波失真的问题。在像这样的低功率转换器中,通常可以忽略这些问题,但是在更高功率的转换器中,可能需要添加额外的电路来纠正这些问题。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

全回顾Ktv电子头条

 Ktv电子头条

本文前面的部分显示变压器,整流器和电容器都是基本AC-DC转换器所需的。最后的图片和原理图显示了转换器在将交流电压转换为直流电压时完成的端到端电压处理。Ktv电子头条

 Ktv电子头条

20.jpgKtv电子头条

图14.交流适配器,原理图和电压Ktv电子头条

 Ktv电子头条

从图中可以看出,在120V RMS交流输入电压下,我们得到了一个相当稳定的直流输出电压(注意输出是未调节的,因此在没有负载的情况下,直流电压实际上高于额定电压12V)。对于这款20瓦AC-DC转换器,只要电压纹波符合您的规格,您就不必担心了。然而,如前所述,由于在充电时电容器的浪涌电流很大,因此在较高功率下会出现问题。这些问题将在整流器调查的第2部分进行分析。Ktv电子头条