電路設計與制作（含活頁式實訓工單） 課件 項目2 任務1 AC-DC電源模塊的使用

項目2供電電路設計

項目引入一般來說，供電電路設計是指針對某個設備或系統(tǒng)的電力供應需求進行分析、計算和實施的過程。在這個過程中，需要考慮到電源穩(wěn)定性、電壓、電流、功率等因素，以確保設備能夠正常運行。本項目介紹了電路設計中通?？赡苁褂玫腁C-DC和DC-DC供電，通過學習電路工作的基本原理，讀者可以掌握供電電路設計的一些基礎知識，項目最后要求針對隔離控制器選擇合適的電路部件設計其供電部分的電路。學習目標知識目標了解不同類型的電源（如開關電源、線性電源等），以及它們的優(yōu)缺點；熟悉所涉及電路元件的特性和參數(shù)，如變壓器、電容、二極管、晶體管等；掌握常用的電源電路結構。技能目標能夠根據(jù)不同的應用需求，選取合適的電源類型和電路結構；能夠運用電路理論和元件特性，進行電路設計；能夠對電源電路進行性能指標評估和優(yōu)化。素養(yǎng)目標在電源設計中，培養(yǎng)學生敬業(yè)、勤奮、創(chuàng)新等精神；充分考慮電源設計對人類和環(huán)境的影響，采取適當?shù)拇胧┮员Ｕ先祟惿踩铜h(huán)境健康，培養(yǎng)學生尊重人性、保護環(huán)境等意識。項目2供電電路設計

任務1AC-DC電源模塊的使用任務描述AC-DC電源模塊是一種常用的電源轉換器件，能夠將交流電轉換為直流電供電給設備。本次任務旨在讓讀者了解AC-DC電源模塊的基本原理和結構組成；學習AC-DC電源模塊的技術參數(shù)和規(guī)格說明；熟悉AC-DC電源模塊的接線方式和安裝方法；掌握AC-DC電源模塊的使用注意事項和故障處理方法。知識儲備一、AC和DC的概念AC-Alternatingcurrent是交流的意思，DC-Directcurrent是直流的意思，AC/DC變換是將交流變換為直流，AC/DC轉換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。一、AC和DC的概念我們日常供電是AC交流電，我國交流電壓一般是220V和380V；而大多數(shù)電器中都使用DC直流電，其工作電壓有3.3V、5V、12V、24V等。電力傳輸一般使用AC交流電，因為其傳送損耗最低，且變壓簡單，綜合應用成本低。如果電力傳輸采用DC直流電，超過1.5公里的遠距離傳輸會造成電壓大幅度下降。歷史上尼古拉?特斯拉支持的發(fā)電、送電使用AC交流電的方案和愛迪生支持的DC直流電方案之間的電流戰(zhàn)爭，最后由于AC交流電方案能輕易實現(xiàn)變壓，且所用電線成本更低，傳送電力沒有太大損耗，使得特斯拉最后獲得了勝利。一、AC和DC的概念發(fā)電廠生產(chǎn)出數(shù)千至數(shù)萬伏的AC高電壓，有效降低了遠距離傳輸損耗，但在傳送到一般住戶前，都要通過電線桿上的變壓器降壓至220V?，F(xiàn)階段我國民用住宅內的插座供基本都為220VAC交流電，用戶必須自行安裝AC-DC轉換電路才能給家中的設備使用。很多用戶設備能直接接入220V電源是由于在其內部包含AC-DC功能器件；而沒有在內部包含AC-DC部件的設備，就要用戶額外配置完成轉換的符合設備電壓和功率要求的AC-DC轉換裝置。補充知識在大多數(shù)國家，包括中國，220V是最常見的家用電源電壓，由供電局將高壓輸電線路經(jīng)過變電站降壓后提供給家庭使用，適用于家庭和小型辦公室等小功率負載，例如燈具、電視、冰箱等。而380V是通過三相電系統(tǒng)來提供，更適用于大型工業(yè)和商業(yè)應用中的大功率負載，例如電機、變頻器、傳動裝置等。其中三相電系統(tǒng)是指將三條電線分別連接到三臺發(fā)電機上，然后將它們組成一個相互平衡的電網(wǎng)，以提供更大的電力輸出量。二、AC-DC轉換器的工作原理交流電轉換為直流電稱為整流，而直流電轉換為交流電稱為逆變。其中逆變要比整流復雜得多，用來完成逆變的設備就叫“逆變器”。對于逆變操作，可將直流電送到用于逆變輸出的三極管，利用接在該三極管回路上的變壓器等元件對三極管形成正反饋，從而使三極管起振產(chǎn)生“震蕩”電流，進而形成交流輸出，如果需要還可以加入其他電路器件對輸出波形進行調整，達到應用需求。二、AC-DC轉換器的工作原理而交流電轉換為直流電，技術上相對好實現(xiàn)，一般通過二極管整流電路或電子開關電路，都可將交流電轉換為直流電。其過程如圖2-1所示。二、AC-DC轉換器的工作原理在圖2-1中，四個部分中變壓器是將交流電由高電壓轉為低電壓，其余三個部分負責將交流轉變?yōu)橹绷?。整流電路，是將工頻交流電轉換為脈動直流電；濾波電路，將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分；穩(wěn)壓電路，采用負反饋技術，對整流后的直流電壓進一步進行穩(wěn)定。二、AC-DC轉換器的工作原理如圖2-2所示是兩種整流過程。圖2-2上方的電路為全波整流，下方的圖為半波整流。二、AC-DC轉換器的工作原理整流就是把交流調整成直流，使交流的正玄波波形調整到的平行軸上方，此時輸出的波形還只是脈沖式的，其主要工作部件是二極管。整流方式有全波整流（橋式整流，有專門的元件或用4個二極管）和半波整流（有一半的波損失掉，電流不是連續(xù)的，用一個二極管可以實現(xiàn)），如圖2-2所示，圖的上半部分電路就是全波整流，下半部分的電路則是半波整流。整流后還需要做濾波才能把波形調整成較為平穩(wěn)的直流（可用電容）。在實際的AC-DC轉換應用中，往往對轉換后的直流電壓有一定范圍要求，在整流之前做變壓是一種較為簡單的實現(xiàn)方案，而電壓波動的范圍則要由濾波電路來調整。三、變壓器方式AC-DC作為AC-DC轉換的方法之一，是安裝變壓器，并以變壓器為主的方法。圖2-3就是采用變壓器方式轉換的一般電路構造。三、變壓器方式AC-DC通過變壓器先做AC-AC轉換，可以利用調整變壓器一次側和二次側的線圈，來設定變壓值（發(fā)生在變壓器二次側的降壓值），將輸入的AC交流電壓變壓至與所需DC直流電壓相匹配的交流電壓值，這里利用變壓器絕緣還可實現(xiàn)輸入輸出間絕緣的效果。然后再利用二極管橋式整流器將已經(jīng)降壓的AC交流電壓轉換成脈沖波形的半軸輸出，接著用電容器加以平滑，最終轉換成紋波較小的DC直流電壓。整流后的DC直流電壓大約是變壓器二次側AC交流電壓有效值√2倍減去二極管的正向電壓后的數(shù)值。三、變壓器方式AC-DC如果不需要嚴格的穩(wěn)定輸出時，就可以將DC電壓作為輸出電壓，輸出電壓值取決于變壓器的匝數(shù)比。當負載電流增加，電壓就會有所降低，這時如果必須確保輸出穩(wěn)定，則需要考慮使用穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓，此時，可以將變壓器二次側的電壓調整提高，讓其適合合穩(wěn)壓器轉換的工作要求。例如如果最后的輸出需要為12VDC，整流后的電壓設定為18VDC，就能有效抑制電路中的電壓損耗，不會因為負載工作而變低。三、變壓器方式AC-DC使用變壓器方式的AC-DC轉換實際的部件如圖2-4。由左至右分別是變壓器、二極管橋式整流器、電解電容器。三、變壓器方式AC-DC常用的AC-DC轉換中，AC的頻率為50/60Hz，適合使用低頻變壓器，且變壓器的大?。w積）和電源輸出功率量成正比。我們身邊最常見到的AC適配器就是典型的AC-DC轉換設備，輸出功率越大，其體積越大，重量也越重。二極管橋式整流器是連接4個整流用二極管，并做了一體化封裝。形狀除了圖2-4中所示的封裝外，還有SIP和DIP的方形封裝。當然也可以使用4個整流二極管組裝成橋式二極管來地體一體化封裝的器件。濾波用的電容器，基本上會使用電解電容器，所需電容值會因負載或可容許紋波而變化，轉換器輸出功率愈大，電容器的體積就會愈大。四、開關方式AC-DC變壓器方式AC-DC轉換器往往雖輸出功率的增大而需要把體積做得很大，且由于處理高壓的變壓器的存在而重量很大，而開關方式的AC-DC則可以在很大程度上改善這種情況。使用開關元件的AC-DC轉換方式如圖2-5所示。四、開關方式AC-DC開關方式的AC-DC不同于變壓器方式，不是先利用變壓器進行AC-AC降低電壓,而是一開始就先用橋式二極管直接整流高AC電壓。為此，橋式二極管必須能夠承受高電壓。如100VAC的峰值約140V左右，這就對整流的二極管提出了較高要求。整流后再以電容器使其平滑，所用的元件同樣也必須使用高電壓規(guī)格產(chǎn)品。四、開關方式AC-DC接著，通過使用開關元件的開關切換操作斬波(切分)高DC電壓，并經(jīng)由高頻變壓器，將電能傳送至二次側。此時的開關頻率遠高于輸入AC頻率的50/60Hz，往往達到數(shù)十kHz，然后再轉換成呈現(xiàn)上圖方波的AC。隨后，利用二次側的整流二極管，整流該高頻率AC電壓，并以電容器使其平滑后，轉換成設定的DC輸出電壓。圖2-5中省略了高頻率AC電壓的整流波形，簡單使用單個二極管的半波整流演示。此外，開關型AC-DC往往還要有控制電路來操作開關元件，將輸出電壓反饋至脈寬調制控制電路上，借此穩(wěn)定輸出需要的DC電壓。四、開關方式AC-DC如圖2-6所示，是采用開關方式的AC-DC轉換器，其基本構造和圖2-5相同。四、開關方式AC-DC開關方式的AC-DC轉換器，其部件和變壓器方式的轉換器相似，但橋式二極管、一次側的電解電容器、開關元件(晶體管)，需要采用可支持高電壓的規(guī)格品。必須以數(shù)十kHz的高頻率才能工作的變壓器，我們稱為高頻變壓器或開關式變壓器。轉換器中關鍵的開關元件基本上使用晶體管，以開關電源用的高功率MOSFET最為普遍。開關晶體管必須配合輸出功率選擇適合的規(guī)格。至于穩(wěn)定輸出電壓的控制電路，可以使用晶體管和運算放大器等單獨的元件組成電路。控制電路要保證開關元件正確、穩(wěn)定控制的要求外，而且還要各種保護功能，目前愈來愈多裝置采用AC-DC轉換專用的集成芯片來完成控制功能。四、開關方式AC-DC在設計電路中需要在電路基板上安裝AC-DC電源時，采用AC-DC轉換器專用集成芯片作為供電電路核心是較好的解決方案。開關方式比變壓器方式復雜許多，但為近年的主流。利用控制集成電路芯片，能有效簡化設計。五、變壓器方式和開關方式的比較從前文可知變壓器方式和開關方式的AC-DC轉換在工作過程上有很大的不同，在此將兩者工作的示意圖集中羅列于圖2-7和圖2-8進行比較，并整理各自的優(yōu)缺點。五、變壓器方式和開關方式的比較比較兩者電路構造，因轉換方式不同，兩周構造有些差異，采用開關方式的電路更復雜一些。此外，開關方式必須使用控制電路（控制芯片）。兩者使用的部件非常類似，但開關方式大多為高耐壓部件，這顯然影響到制造成本。效率來說，開關方式較占優(yōu)勢，尤其考慮到開關方式轉換器的體積更小，且重量更輕。五、變壓器方式和開關方式的比較舉例來說，最近特別是便攜設備的充電用AC適配器變得既小又輕。圖2-9是?？吹降腁C適配器，但左邊采用變壓器方式，右邊則是開關方式。兩者規(guī)格相互比較之下，右邊明顯偏小。五、變壓器方式和開關方式的比較開關方式的轉換器由于是將先將AC輸入（50/60Hz）專為DC，再利用開關轉換成高頻的AC，因此能使用較小的變壓器和輸出電容器，可大幅度縮小轉換器的外形尺寸。采用開關方式時，更是能提升功率效率，進而可以抑制工作時的發(fā)熱。五、變壓器方式和開關方式的比較圖2-10羅列了兩種AC-DC轉換器的優(yōu)缺點供讀者參考。六、開關轉換原理在開關方式的AC-DC轉換中，DC通過開關方式轉換成了高頻AC，在這過程中實現(xiàn)了電壓調整，這里說明下其實現(xiàn)的原理。如圖2-11所示，利用代表性的控制方式PWM（PulseWidthModulation:脈沖寬度調制)方式可以實現(xiàn)降壓。六、開關轉換原理PWM是指讓周期(頻率)保持恒定，調整開關ON和OFF的時間比（占空比）來進行控制的方法。采用PWM時，經(jīng)由開關將DC電壓轉換成達到必要占空