電源電路

電源電路是指將電源的電能轉(zhuǎn)換成滿足各種用電設(shè)備工作要求的電信號(hào)，以保證用電設(shè)備正常工作的電路。通常由電源變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路、保護(hù)電路等模塊組成。

供電電路可以追溯到19世紀(jì)初，科學(xué)家開始使用化學(xué)電池作為電源。20世紀(jì)初，由于發(fā)電機(jī)和變壓器技術(shù)的發(fā)展，交流電成為主要的供電形式。20世紀(jì)50年代，穩(wěn)壓器和集成電路的發(fā)展加速了電源電路的革新。

電源電路有很多種類型，包括工頻電源電路、開關(guān)電源電路、穩(wěn)壓電源電路、恒流電源電路、電源電路等。它不僅能為用電設(shè)備提供穩(wěn)定的供電條件，還能為用電設(shè)備提供適宜的工作環(huán)境，提高其可靠性、穩(wěn)定性和耐久性。

電源電路的基本工作原理根據(jù)電路類型略有不同，但基本都是基于歐姆定律、基爾霍夫定律等原理設(shè)計(jì)的。一般將輸入的交流電通過變壓器轉(zhuǎn)換成適合設(shè)備需要的低壓或高壓交流電。必要時(shí)將交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成DC電源，最后通過電容和電感降低DC電源中的紋波，從而獲得穩(wěn)定的交流/DC電源。

工作原理

電源電路的工作原理基本上是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電或交流電，供其他電路或設(shè)備使用。電源電路工作時(shí)遵循的基本電氣定律包括:

1.歐姆定律:描述電流、電壓和電阻的關(guān)系，即I = u/r。

2.基爾霍夫定律:描述電流分布之間的關(guān)系，包括基爾霍夫第一定律和第二定律。

3.麥克斯韋-安培定律:描述了電流與電磁場(chǎng)的關(guān)系，即電流回路中的總磁通量等于回路中電流的代數(shù)和乘以真空中的磁導(dǎo)率。

4.瓦特定律:描述電功率的計(jì)算公式，即P=UI，表示電壓和電流的乘積。

通常，電源電路包括以下三個(gè)主要部分:

變壓：供電電路通常需要將來自電網(wǎng)的高壓電能轉(zhuǎn)換成用電設(shè)備所需的低壓電能。通常使用變壓器、降壓模塊等器件將電壓改變到合適的值，然后調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓。變壓器變比的計(jì)算方法主要有兩種，一種是利用變壓器變比，另一種是利用繞組匝數(shù)。

轉(zhuǎn)化率計(jì)算方法：變壓器的變比是指變壓器次級(jí)繞組輸出的電壓與主繞組輸入的電壓之比，可以用來計(jì)算輸入輸出電壓的關(guān)系。計(jì)算公式為:V2 = V1 * N2 / N1

其中，V1和V2分別是輸入和輸出電壓值，N1和N2分別是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)。在輸入電壓和輸出電壓確定后，通過計(jì)算主線圈和輔助線圈的匝數(shù)比，可以得到合適的變壓器變比，從而選擇合適的變壓器型號(hào)。

繞組匝數(shù)計(jì)算方法：另一種計(jì)算變壓器電壓的方法是使用繞組匝數(shù)比。根據(jù)變壓器的互感方程:V1 / V2 = N1 / N2

其中，V1和V2分別是輸入和輸出電壓值，N1和N2分別是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)。在輸入和輸出電壓值已知后，可以通過主線圈和輔助線圈的匝數(shù)比來計(jì)算輸出電壓。

電壓穩(wěn)定和濾波：為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性和紋波的可控性，電源電路通常采用由穩(wěn)壓器、電容、電感等元件組成的一系列濾波器。這些元件可以將輸出端的電壓波動(dòng)降低到可控的可接受范圍。例如，基于TL431的最常用開關(guān)電源的輸出電壓可通過下式計(jì)算:Vout = Vref * (R1 + R2) / R2其中Vref是TL431的參考電壓，R1和R2是連接在TL431芯片兩端的電阻，R2通常很小。

保護(hù)控制

電源電路中可能存在電流和電壓過載。為了保護(hù)電氣設(shè)備不受損壞，通常使用保險(xiǎn)絲和過載保護(hù)器等保護(hù)電路。同樣，供電電路也需要借助電動(dòng)調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端電壓和電流的精確控制，以保證供電的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

電源電路按其類型主要可分為工頻電源電路、開關(guān)電源電路、穩(wěn)壓電源電路、恒流電源電路、逆變電源電路、DC-DC電源電路、LDO(線性)電源電路、保護(hù)電源電路等。

工頻電源電路：工頻電源電路的核心部件是工頻變壓器，變壓器的線圈包括兩個(gè)繞組:一次繞組和二次繞組。初級(jí)繞組通常包括用于接收輸入電壓的多個(gè)線圈。次級(jí)繞組包含相應(yīng)數(shù)量的繞組，并連接到設(shè)備所需的輸出電壓。當(dāng)輸入電源的電流通過初級(jí)繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)穿過鐵芯，激勵(lì)次級(jí)繞組引出輸出電壓。因此，變壓器可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換成適合設(shè)備的輸出電壓，變壓比由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)比決定。如果原邊繞組的匝數(shù)是副邊繞組的兩倍，那么輸出電壓將是輸入電壓的一半，這就是經(jīng)典的1:2變壓器供電電路。通過整流和濾波電路，可以獲得所需的電壓。

開關(guān)電源電路：開關(guān)電源電路是日常生活中最常用的電路，通常由整流電路、高頻變壓器、穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路組成。變壓器將交流電壓升高或降低，通過整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，使其滿足DC設(shè)備的要求。

穩(wěn)定電源電路：穩(wěn)壓電源電路一般包括穩(wěn)壓管、限流電阻和濾波電容。當(dāng)調(diào)壓器的正負(fù)極之間的電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，調(diào)壓器將進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)，不再繼續(xù)升壓。調(diào)壓器起保護(hù)電源和負(fù)載的作用，通常選用鍺調(diào)壓器和硅調(diào)壓器。限流電阻的作用是控制電流，保護(hù)穩(wěn)壓管。濾波電容的作用是濾除續(xù)流電路中的交流分量，使輸出電壓穩(wěn)定。一些高性能穩(wěn)壓電源還會(huì)增加穩(wěn)壓器、保險(xiǎn)絲等元件，進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性。

恒流電源電路：恒流電源電路又稱恒流源，分為電阻型和反饋型。阻性恒流電路是一種通過電阻實(shí)現(xiàn)恒流輸出的電路，也稱為“串聯(lián)電阻恒流源”。具體實(shí)現(xiàn)方法是將負(fù)載和電阻串聯(lián)，然后將電壓源接入整個(gè)電路，通過調(diào)節(jié)器提供恒定的電壓。當(dāng)電路中的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)改變電路中的總電阻，從而影響電路中的電流。如果你想保持恒定的電流輸出，你需要調(diào)整電壓來重新平衡電路中的總電阻。反饋恒流電路是一種通過反饋控制實(shí)現(xiàn)恒流輸出的電路，也稱為“反饋電流源”。

實(shí)現(xiàn)方法是以運(yùn)算放大器為反饋控制的核心元件，串聯(lián)負(fù)載和電流傳感器，將它們的信號(hào)輸入運(yùn)算放大器的比較器進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流等于設(shè)定電流時(shí)，比較器輸出為零，反饋電路不調(diào)整；當(dāng)負(fù)載電流小于設(shè)定電流時(shí)，比較器的輸出為正，反饋電路會(huì)提高運(yùn)算放大器的輸出電壓來增加電流；當(dāng)負(fù)載電流大于設(shè)定電流時(shí)，比較器的輸出為負(fù)，反饋電路會(huì)降低運(yùn)算放大器的輸出電壓，從而降低電流。反饋式恒流源廣泛應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)中。

逆變器電源電路：逆變電源電路是將DC電源轉(zhuǎn)換為交流電源的電路。它的主要功能是將蓄電池等DC電源的電能轉(zhuǎn)換成交流電源，供給各種需要交流電源的用電設(shè)備。逆變電源電路通常由DC輸入、逆變變壓器、輸出濾波電路、控制電路等組成。其中，逆變變壓器是實(shí)現(xiàn)DC-交流轉(zhuǎn)換的核心器件，輸出濾波電路用于去除輸出交流波形中的雜波和噪聲，獲得更穩(wěn)定的交流電壓輸出。逆變電源電路通常采用MOSFET、IGBT等功率開關(guān)器件，配合逆變變壓器、濾波電路和控制電路，實(shí)現(xiàn)輸出波形的調(diào)節(jié)，保證輸出電壓和電流的穩(wěn)定。控制電路可以根據(jù)需求自適應(yīng)調(diào)整開關(guān)頻率和占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流的快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)。逆變電源已廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。

LDO(線性)電源電路：線性電源是一種基于線性電路原理的電源。其主要特點(diǎn)是輸入電壓與輸出電壓成線性比例關(guān)系(輸入電壓增大，輸出電壓也會(huì)增大)，使得線性電源在輸出電壓和電流范圍內(nèi)具有精度高、穩(wěn)定性好、輸出噪聲和雜波少的特點(diǎn)，常用于大范圍控制用電設(shè)備的電壓和電流。

DC-DC電源電路：DC-DC電源是一種將一種DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成另一種電壓電平的電源。通過帶電感和電容的DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以將高電壓(如電池)轉(zhuǎn)換成低電壓，從而為電子產(chǎn)品提供必要的穩(wěn)定電源。與線性穩(wěn)壓電源相比，DC/DC電源電路具有效率高、工作時(shí)無熱效應(yīng)、能完成升壓、降壓等所需轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。

保護(hù)電源電路：保護(hù)電源電路的主要作用是在電路出現(xiàn)異常、無效或故障時(shí)，及時(shí)切斷或限制電路中的電流和電壓，以保護(hù)電路或設(shè)備免受更嚴(yán)重的損壞或事故。根據(jù)保護(hù)的類型，它可以分為以下幾類:

過電流保護(hù)電路：在保護(hù)電路中增加過流保護(hù)電路，可以在電路中出現(xiàn)過流時(shí)自動(dòng)切斷電源，從而防止設(shè)備進(jìn)一步損壞。

過壓保護(hù)電路：在電路中使用過壓保護(hù)電路，可以避免高電源電壓對(duì)電路中器件的損壞。過壓保護(hù)電路的作用是當(dāng)電源電壓超過安全值時(shí)，自動(dòng)切斷電源。

過溫保護(hù)電路：在設(shè)備電路中引入超溫保護(hù)電路，還可以防止設(shè)備因內(nèi)部溫度過高而導(dǎo)致設(shè)備性能下降或短路，在溫度上升到安全范圍后恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

反向保護(hù)電路：設(shè)備電路中的一些器件會(huì)因?yàn)闃O性相反而被廢棄。在電路中加入反接保護(hù)電路，可以防止極性不當(dāng)造成的設(shè)備損壞和故障。

靜電保護(hù)電路：如果設(shè)備在運(yùn)行過程中沒有受到靜電放電(ESD)的有效保護(hù)，很容易丟失電子器件或暫時(shí)失效。在保護(hù)電源電路中加入ESD保護(hù)電路，可以有效提高設(shè)備的保護(hù)能力。此外，電源電路根據(jù)其隔離度也可分為隔離電源電路和非隔離電源電路。兩者最大的區(qū)別是隔離電源有電氣隔離，非隔離電源沒有。非隔離電源通常用于低壓場(chǎng)合，而隔離電源更適用于高壓、高頻、高精度等需要電氣隔離的場(chǎng)合。

今天，電源電路在設(shè)備和機(jī)器中起著非常重要的作用，其作用主要表現(xiàn)在五個(gè)方面:提供相對(duì)穩(wěn)定的電壓和電流，保證電子設(shè)備的正常工作。它可以設(shè)計(jì)和調(diào)整，以滿足各種輸出電壓和電流的要求。它能最大限度地減少不穩(wěn)定、波動(dòng)等因素，有效地提高設(shè)備的工作效率。穩(wěn)壓電源可以保證輸出電壓在不同負(fù)載下基本穩(wěn)定，使負(fù)載的使用更加安全。高質(zhì)量電源電路的普及和推廣，使不同類型的電子設(shè)備相互兼容，增加了設(shè)備間的互操作性和使用的便利性。

當(dāng)然，面對(duì)不斷變化的新應(yīng)用環(huán)境，電源電路也存在一些問題:效率低問題:損失了一部分功率，需要更高的輸出功率來滿足負(fù)載需求。

待機(jī)功耗問題:部分供電電路在設(shè)備關(guān)閉時(shí)仍需運(yùn)行，造成能源浪費(fèi)。噪聲和紋波:電源輸出的噪聲和紋波會(huì)干擾和影響負(fù)載，所以需要通過濾波來降低噪聲。散熱問題:由于供電電路需要消耗功率，容易產(chǎn)生熱量，需要通過散熱設(shè)計(jì)來解決。

可靠性:供電電路的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接影響設(shè)備的可靠性和安全性，因此必須嚴(yán)格控制制造質(zhì)量，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)和檢修。

電源電路可廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品和設(shè)備中，提供穩(wěn)定可靠的電源。

電源電路

計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備：該電源電路用于電腦、筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等數(shù)碼設(shè)備中，提供穩(wěn)定的DC電源。

家電：該電源電路用于電視機(jī)、音響、DVD播放機(jī)、洗衣機(jī)等家用電器，提供穩(wěn)定的交流或DC電源。

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)：電源電路用于各種工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)，例如:電機(jī)控制器:電源電路用于電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速和減速，保護(hù)電機(jī)不受功率波動(dòng)和短路的影響。變頻器和變壓器:電源電路提供穩(wěn)定的電壓和電流，用來驅(qū)動(dòng)變頻器和變壓器，從而調(diào)節(jié)電源的頻率和電壓。傳感器和測(cè)量設(shè)備:電源電路為傳感器和測(cè)量設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓和電流，保證它們能夠準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控。

機(jī)器人控制系統(tǒng):電源電路用于控制機(jī)器人的電源和通訊設(shè)備，保證機(jī)器人穩(wěn)定工作并與計(jì)算機(jī)保持通訊。

光電傳感器:電源電路向光電傳感器供電，檢測(cè)物體的位置和運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)觸發(fā)報(bào)警或停止運(yùn)行。