工频变压器及开关电源的工作原理

2020-07-31

转载自【电工学习网】

工频变压器的工作原理比较简单,由初级线圈输入的工频交流电压转换成磁场,经过导磁材料(通常为硅钢片)传输到次级线圈感应出电压。输出的为频率与输入频率相同,电压按照初次级的线圈匝数比降低的电压(如果次级的匝数多就是升压)。由于变压器输出的是交流电,而大部分的电器电路使用的为直流电,变压器输出的电压还需经过整流、滤波、稳压等电路,变成相对平滑稳定的电压供负载电路部分工作。

开关电源的核心变压元件仍然为变压器,并且同样遵循电压比等于匝数比的规则。与工频变压器不同的是,开关电源需要提升工作频率,也就是需要将低频的交流电压变为高频的交流电压,这就需要额外控制电路的实现。因为电路的工作是需要直流电的,所以要先将输入的交流电压经过整流,变为直流电压,才能通过后面的电路进行控制。下面以一个常用的手机充电器电路为例,简单了解一下开关电源的工作原理。

输入的220V交流电压经过整流和滤波之后,会变成310V左右的直流电压(也就是220V交流电压的峰值),下面就需要把这个直流电变成高频的交流电。想要把这个电压变成高频交流电,最简单的方法就是使用一个开关,使开关快速地断开与闭合,这样就可以把直流电变成高速的脉冲直流电压,实现这个开关的元件就是晶体管。晶体管,包括常用的三极管和场效应管等,这两种元件都是可以作为电子开关来使用的,也就是通过一个引脚的电压控制(三极管的基极以及场效应管的栅极),就可以使另外的两个引脚实现通断的控制。
有了开关,接下来就需要有控制这个开关的电路,这个电路的作用就是输出高速的开关信号控制开关管的导通与截止,这个电路叫做振荡电路。开关电源的振荡电路是分很多种的,无论哪一种,作用都是给开关管提供控制信号。
经过控制电路的控制,输入的电压就由低频的交流电变成了高频的脉冲直流电压,输入到变压器进行降压,由变压器输出的电压同样会经过整流、滤波变成直流电输出,提供给负载工作。与工频变压器有所不同的是,开关电源还多了一部分电压检测电路,它将输出的电压信号通过检测后反馈到变压器初级的控制电路中进行调压,这样就使得开关电源输出电压的稳定性有所提高,并且可以有很宽的输入电压范围。所以开关电源的工作过程,实际上是由交流-直流,直流-交流,再经过交流-直流的几个过程实现的。

在这里可能会有一个疑问,变压器不是只能通过交流电吗,为什么开关电源的直流电也能通过变压器变压?变压器确实是只能通过交流电的,具体一点讲就是需要有磁通量的变化,工频交流电由于是正弦波,并且存在正负半周,这样就会产生磁通量的变化。开关电源是由开关管把直流电变成脉冲直流的,开关管由截止到导通,再由导通到截止同样会产生磁通量的变化。


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