開關(guān)電源與線性電源

本文格式為Word版，下載可任意編輯——開關(guān)電源與線性電源電源重要性：

電源是電路設(shè)計(jì)中的重要部分，電源的穩(wěn)定性在很大程度上決定了電路的穩(wěn)定性?？梢院敛豢蜌獾恼f，一個(gè)電路的質(zhì)量在很大程度上取決于其電源的質(zhì)量。

電源電路的作用：

電源電路的功能基本上是將交流轉(zhuǎn)化為直流或直流轉(zhuǎn)化為交流，也可能是直流間的電壓轉(zhuǎn)化。交流轉(zhuǎn)化為直流都是通過整流二極管來完成，直流轉(zhuǎn)化為交流都是通過振蕩電路來完成，這兩點(diǎn)在任何電源電路中都是一樣。電源電路按其原理可分為直流電源、開關(guān)電源和相控電源。由于相控電源用在要求不高，電流特大的場合，一般在電子行業(yè)中用不到。這里就不介紹了。

線性電源和開關(guān)電源：

根據(jù)電源電路的工作原理，電源電路主要可分為兩類：線性電源和開關(guān)電源。不管是線性電源還是開關(guān)電源，最終都是生成直流電的。而且在直流轉(zhuǎn)直流的電源中，幾乎全部使用開關(guān)電源。假使你看到電壓轉(zhuǎn)換芯片，那么不用懷疑，其原理確定是開關(guān)電源，由于線性電源做不到那么小。

先看線性電源和開關(guān)電源的原理圖（實(shí)際電路可能要繁雜一些）。

線性電源原理：

原理如圖1（a）所示，圖中所示為串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，并非代表所有線性穩(wěn)壓電源的

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若輸入為交流市電，則線性電源的工作原理是：先將220V低頻交流市電通過工頻變壓器（工頻為50Hz）轉(zhuǎn)化為低壓低頻交流電，然后通過整流電路將低壓低頻交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電。其中，在整流過程中必需參與大電容來濾波，如圖1（a）所示。晶體管和運(yùn)放構(gòu)成的是反饋電路，用來穩(wěn)定最終的直流輸出，因此其中的晶體管也叫調(diào)整管。這種技術(shù)很成熟，因此，線性電源的輸出十分穩(wěn)定，紋波微小，這是優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是工頻變壓器和大電容體積巨大，不能集成，且調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，耗能和發(fā)熱巨大，導(dǎo)致電源效率不高且整體燙手。此外，調(diào)整管發(fā)熱大，需要大的散熱片，也是一大缺點(diǎn)。

開關(guān)電源原理：

假使要想減小元件的尺寸，同時(shí)提高效率，一個(gè)簡單想到的方法就是將市電的低頻交流電變成高頻交流電再轉(zhuǎn)化為直流電，由于高頻器件會(huì)尺寸會(huì)小好多（特別是變壓器）。開關(guān)電源利用的就是這種思想。開關(guān)電源是先把220V的低頻市電直接整流成高壓直流電（不降壓！這和線性電源不同），然后將高壓直流電加到變壓器初級(jí)上，利用高頻PWM信號(hào)控制開關(guān)管將高壓直流信號(hào)變成高頻高壓的方波信號(hào)。然后，通過高頻變壓器將高頻高壓的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻低壓的交流信號(hào)。最終，通過整流濾波將高頻低壓的交流信號(hào)變?yōu)榈蛪褐绷餍盘?hào)。由于市電是單相交流電，而這里的整流為單相半波整流（只有一只整流管，圖中右邊的那只應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)壓管，用于穩(wěn)定輸出電壓的），因此整流后的信號(hào)只保存高頻低壓交流信號(hào)的上半部分，即只保存正向電壓。記住，在單個(gè)周期中，這個(gè)正向電壓的寬度就是開關(guān)管開通的時(shí)間。而半波整流后的濾波電路是低通濾波，相當(dāng)于積分效果。因此，最終的直流輸出值就取決于半波整流后正向電壓的寬度，也就取決于開關(guān)管的開通時(shí)間，也就是說實(shí)現(xiàn)了PWM調(diào)制。輸出的直流電壓最終會(huì)反饋到PWM電路中去穩(wěn)定輸出。圖中的PC為光耦合器，起到一個(gè)電路前后級(jí)隔離的作用。

通過上述分析，可知開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是元器件小，易于集成，且晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，發(fā)熱小，因此電源整體效率高。缺點(diǎn)是開關(guān)管和后面的半波整流管、穩(wěn)壓管都會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此輸出的信號(hào)質(zhì)量較低，紋波較大。

本部分具體參見X:\\MyLibaray\\Electronics\\電源電路\\線性電源和開關(guān)電源的區(qū)別(Elec.No23)和X:\\MyLibaray\\Electronics\\電源電路\\開關(guān)電源與線性電源性能的比較(Elec.No22)。

線性電源和開關(guān)電源比較：

區(qū)別這兩種電源電路的關(guān)鍵是看電路中晶體管的工作狀態(tài)，若是工作在放大狀態(tài)，且晶體管起到一個(gè)反饋調(diào)理最用，則是線性電源；若是工作在開關(guān)狀態(tài)，晶體管的目的是為了產(chǎn)生高頻信號(hào)，則是開關(guān)電源。這也是為什么叫做“開關(guān)電源〞的原因。在現(xiàn)實(shí)生活中，根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的電源。例如，筆記本電腦對(duì)電源質(zhì)量要求很高，因此用的是直流電源，這也是為什么筆記本電源很熱的原因。而臺(tái)式機(jī)用的是開關(guān)電源（也就是ATX電源），由于臺(tái)式機(jī)功率大且對(duì)電源質(zhì)量要求不高，因此選用高效率的電源電路。記住，線性電源和開關(guān)電源沒有孰優(yōu)孰劣，也不存在誰淘汰誰，只是應(yīng)用場合不同而已。但是為什么筆記本電源體積比臺(tái)式機(jī)要小呢？這應(yīng)當(dāng)是由于筆記本的功率要比臺(tái)式機(jī)小好多，所以體積可以小一些。還有就是筆記本電源采用更優(yōu)良的設(shè)計(jì)和器件，進(jìn)一步降低了電源體積。

本部分具體參見X:\\MyLibaray\\Electronics\\電源電路\\線性電源和開關(guān)電源的區(qū)別(Elec.No23)。

ATX電源：

ATX電源是計(jì)算機(jī)的工作電源，作用是把交流220V的電源轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的直

流5V，12V，24V的電源。

異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場.因此,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個(gè)差值,即轉(zhuǎn)差率,就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流),也因此叫做異步電機(jī).

而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場\拖著\轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng),因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速,也因此叫做同步電機(jī).作為電動(dòng)機(jī)時(shí),大部分是用異步機(jī);發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)。同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別

三相交流電通過一定結(jié)構(gòu)的繞組時(shí),要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場.在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,轉(zhuǎn)子隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn).假使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速完全一致,就是同步電機(jī);假使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場轉(zhuǎn)速,也就是說兩者不同步,就是異步電機(jī).異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛.同步電機(jī)要求轉(zhuǎn)子有固定的磁極(永磁或電磁),如交流發(fā)電機(jī)和同步交流電動(dòng)機(jī).

電機(jī)的轉(zhuǎn)速（定子轉(zhuǎn)速）小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而叫為異步電機(jī)。它和感應(yīng)電機(jī)基本上是一致的。s=(ns-n)/ns。s為轉(zhuǎn)差率，

ns為磁場轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

基本原理：(1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)，三相定子繞組流過三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

(2)該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（3）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。特點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造便利，價(jià)格低廉，運(yùn)行便利。

缺點(diǎn)：功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。

主要做電動(dòng)機(jī)用，一般不做發(fā)電機(jī)！異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤會(huì)或混淆的狀況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。

普通異步電機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源連接。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)便利，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。異步電機(jī)還便于派生成各種防護(hù)型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必需從電網(wǎng)吸取無功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差(交流換向器電動(dòng)機(jī)除外)。對(duì)要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的交通運(yùn)輸機(jī)械、軋機(jī)、大型機(jī)床、印染及造紙機(jī)械等，采用直流電機(jī)較經(jīng)濟(jì)、便利。但隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能及經(jīng)濟(jì)性已可與直流電機(jī)的相媲美。

同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無關(guān)。

同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步電機(jī)為主。

工作原理

◆主磁場的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場，即建立起主磁場。

◆載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。

◆切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場）。

◆交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

◆交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對(duì)稱性。

運(yùn)行方式

◆同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)理，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)理轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)理電網(wǎng)電壓的目的。

同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。

最常用的是轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī),其定子鐵心的內(nèi)圓均勻散布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按規(guī)律排列的三相對(duì)稱繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心