單激式變壓器開關(guān)電源
1-5.單激式變壓器開關(guān)電源
變壓器開關(guān)電源的最大優(yōu)點是,變壓器可以同時輸出多組不同數(shù)值的電壓,改變輸出電壓和輸出電流很容易,只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可;另外,變壓器初、次級互相隔離,不需共用同一個地。因此,變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源,而是輸入電源與輸出電源之間沒有導(dǎo)線連接,完全是通過磁場偶合傳輸能量。
變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進行電器隔離的最大好處是,提高設(shè)備的絕緣強度,降低安全風(fēng)險,同時還可以減輕EMI干擾,并且還容易進行功率匹配。
變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分,單激式變壓器開關(guān)電源普遍應(yīng)用于小功率電子設(shè)備之中,因此,單激式變壓器開關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中,并且電路一般也要復(fù)雜一些。
單激式變壓器開關(guān)電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大,因為單激式開關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端,磁回路曲線變化的面積很小。
1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理
圖1-16-a是單激式變壓器開關(guān)電源的最簡單工作原理圖。圖1-16-a中,Ui是開關(guān)電源的輸入電壓,T是開關(guān)變壓器,K是控制開關(guān),R是負(fù)載電阻。
當(dāng)控制開關(guān)K接通的時候,直流輸入電壓Ui首先對變壓器T的初級線圈N1繞組供電,電流在變壓器初級線圈N1繞組的兩端會產(chǎn)生自感電動勢e1;同時,通過互感M的作用,在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2;當(dāng)控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)的時候,電流在變壓器初級線圈N1繞組中存儲的能量(磁能)也會產(chǎn)生反電動勢e1;同時,通過互感M的作用,在變壓器次級線圈N2繞組中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。
因此,在控制開關(guān)K接通之前和接通之后,在變壓器初、次級線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢方向是不一樣的。
所謂單激式變壓器開關(guān)電源,是指開關(guān)電源在一個工作周期之內(nèi),變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵一次。一般單激式變壓器開關(guān)電源在一個工作周期之內(nèi),只有半個周期向負(fù)載提供功率(或電壓)輸出。當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時,變壓器的次級線圈也正好向負(fù)載提供功率輸出,這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源;當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時,變壓器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出,而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出,這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。
圖1-16-b是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的波形,由于輸出電壓是由變壓器的次級輸出,因此,在輸出電壓uo中完全沒有直流成份。輸出電壓正半波的面積與負(fù)半波的面積完全相等,這是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的特點。圖1-16-b中,當(dāng)只輸出正半波電壓時,為正激式開關(guān)電源;反之,當(dāng)只輸出負(fù)半波電壓時,為反激式開關(guān)電源。
順便指出,圖1-16-b中變壓器輸出電壓波形極性的正負(fù),是可以通過調(diào)整變壓器線圈的饒線方向(相位)來改變的。嚴(yán)格地說,只有當(dāng)控制開關(guān)的占空比等于0.5時,開關(guān)電源的輸出電壓才能稱為正、負(fù)半周電壓,但由于人們已習(xí)慣了正、負(fù)半周的叫法,所以,只要是有正、負(fù)電壓輸出的電源,我們還是習(xí)慣地把它們稱為正、負(fù)半周。但為了與占空比不等于0.5時的電壓波形相區(qū)別,我們有時特別把占空比不等于0.5時的電壓波形稱為正、負(fù)半波。因此,有些場合在不影響對正、負(fù)半波電壓的理解時,或占空比不確定時,我們也習(xí)慣地把正、負(fù)半波稱為正、負(fù)半周。
圖1-16-a中,在Ton期間,控制開關(guān)K接通,輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電,電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經(jīng)過,通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場,并產(chǎn)生磁力線;同時,在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢E1,在次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2;感應(yīng)電動勢e2作用于負(fù)載R的兩端,從而產(chǎn)生負(fù)載電流。因此,在初、次級電流的共同作用下,在變壓器的鐵心中會產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場,這個磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量),即磁力線的數(shù)目ф來表示。
ф= ф 1-ф2 —— K接通期間 (1-60)
其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通 ф1還可以分成兩個部分,一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通 ф2,記為 ф10,另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通,記為фΔ 1。顯然 ф10 =- ф2,фΔ 1 =ф 。即:變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ,只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān),與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān);流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通,完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程:
e1 = N1*dф/dt = Ui —— K接通期間 (1-61)
同樣,可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程:
e2 = N2 *dф/dt = Up —— K接通期間 (1-62)
根據(jù)(1-61)和(1-62)可以求得:
Up = e2 =n*E1 = n*Ui —— K接通期間 (1-63)
上式中,Up為正激式開關(guān)電源變壓器次級輸出電壓的幅值(圖1-16-b中正半周);Ui為正激式開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓;n為變壓比,即:開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比,n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比,即:n = N2/N1。
由此可知,在控制開關(guān)K接通期間,正激式開關(guān)電源變壓器次級輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關(guān)。
評論