基礎(chǔ)電子學(xué)系列26 – 不同類型的電源

在之前的文章中，我們討論了電阻器、電容器、電感器和變壓器等無(wú)源電子元件。無(wú)源元件在設(shè)計(jì)各種模擬電路時(shí)特別有用。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品的真正樂(lè)趣始于半導(dǎo)體和數(shù)字電子產(chǎn)品。電子學(xué)就是關(guān)于信號(hào)（以電壓或電流的形式）以及通過(guò)組件和電路處理信號(hào)。通過(guò)將電子信號(hào)處理為二進(jìn)制值（0 和 1，或低和高），半導(dǎo)體電子學(xué)成為可能。半導(dǎo)體電子學(xué)將信號(hào)處理為二進(jìn)制值的這種應(yīng)用導(dǎo)致以數(shù)字電子學(xué)的形式實(shí)現(xiàn)布爾邏輯。因此開始使用電子設(shè)備進(jìn)行“計(jì)算”。很快，工程師和研究人員設(shè)計(jì)出測(cè)量各種物理量的方法，方法是將它們轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)并將這些模擬信號(hào)數(shù)字化為數(shù)字值。他們還設(shè)計(jì)了將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效模擬電信號(hào)的方法。現(xiàn)在，

大多數(shù)現(xiàn)代電子學(xué)都是關(guān)于“電子計(jì)算”及其在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。電子計(jì)算與顯示技術(shù)和輸入/輸出電子設(shè)備相結(jié)合導(dǎo)致了通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展。電子計(jì)算與各種通信技術(shù)相結(jié)合，導(dǎo)致了電信、電視和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。電子計(jì)算與無(wú)線通信和傳感器的結(jié)合導(dǎo)致了移動(dòng)電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備的發(fā)展。電子計(jì)算與傳感器和執(zhí)行器的結(jié)合導(dǎo)致了嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人和自動(dòng)化等應(yīng)用的發(fā)展。

但是，在我們開始永無(wú)止境的半導(dǎo)體和數(shù)字電子之旅之前，最好對(duì)電源有一些基本的了解。它是為任何電子電路或設(shè)備提供生命的電源。每個(gè)電子電路或設(shè)備本質(zhì)上都需要有一個(gè)電源部分，或者可能需要作為負(fù)載連接到外部電源電路。

電源可以是輸電線路（市電）、機(jī)電系統(tǒng)（交流發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)）、太陽(yáng)能或電池和電池等存儲(chǔ)設(shè)備。電源是電源轉(zhuǎn)換器，可將電源的電能轉(zhuǎn)換為適合負(fù)載電路的電壓、電流和頻率。電源可以是交流電或直流電。與發(fā)電機(jī)和電源一樣，電力提供交流電，而電池和太陽(yáng)能設(shè)備提供直流電。電源電路可以從交流或直流電源輸入功率，并輸出轉(zhuǎn)換成適合負(fù)載的交流或直流功率。因此，電源電路可分為 AC-to-AC、AC-to-DC、DC-to-DC 和 DC-to-AC 電源。

各種交流到交流電源包括可變交流電源、隔離變壓器和變頻器。交流轉(zhuǎn)直流電源是最常見(jiàn)的。一些交流轉(zhuǎn)直流電源包括未穩(wěn)壓線性直流電源、線性穩(wěn)壓直流電源（臺(tái)式電源）、開關(guān)穩(wěn)壓電源和紋波穩(wěn)壓電源?；陔姵氐碾娫?、太陽(yáng)能電源和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是 DC-DC 電源的示例?；陔姵氐碾娫春吞?yáng)能電源用于直接為電子電路供電，而 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常用于將輸入直流電轉(zhuǎn)換為不同電平以饋送同一設(shè)備中的不同電路，而不是使用不同的 AC-to-用于獲得不同電壓/電流水平的直流電源。逆變器、發(fā)電機(jī)、

可變交流電源
可變交流電源是使用變壓器或可調(diào)自耦變壓器設(shè)計(jì)的。這些用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓電平?？梢允褂镁哂卸鄠€(gè)繞組或抽頭的變壓器來(lái)設(shè)計(jì)此類電源，否則可以使用可調(diào)自耦變壓器。這些電源轉(zhuǎn)換交流電壓和電流水平，同時(shí)電源頻率保持不變。

變頻器
變頻器用于轉(zhuǎn)換交流電源的頻率。這些可以使用機(jī)電設(shè)備（例如電動(dòng)發(fā)電機(jī)組）或借助整流器-逆變器組進(jìn)行設(shè)計(jì)。整流器首先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后逆變器將直流電轉(zhuǎn)換回不同頻率的交流電。

隔離變壓器
隔離變壓器用于交流到交流電源，其中電源和負(fù)載電路之間需要阻抗匹配。隔離變壓器通常不轉(zhuǎn)換電源的電壓電平或頻率。這些在連接平衡和不平衡電路時(shí)很有用。

這些隔離變壓器用于升高或降低電壓，同時(shí)通過(guò) CE 認(rèn)證的增強(qiáng)絕緣保持電源和輸出電路隔離。（圖片：信號(hào)變壓器）

未穩(wěn)壓線性電源
未穩(wěn)壓線性電源是簡(jiǎn)單的交流轉(zhuǎn)直流電源。這些是使用降壓變壓器、整流器、濾波電容器和泄放電阻器設(shè)計(jì)的。首先，變壓器將線路電壓轉(zhuǎn)換為所需的交流電壓電平。然后使用半波或全波整流器將降壓后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。整流器采用二極管設(shè)計(jì)。來(lái)自整流器的脈動(dòng) DC 使用濾波電容器進(jìn)行平滑處理?？梢栽跒V波電容上并聯(lián)泄放電阻進(jìn)行保護(hù)。

非穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)單耐用。但是，它們的輸出電壓可能會(huì)因輸入電壓或負(fù)載電流的變化而變化。所以，這些都不太靠譜。此外，這些只能設(shè)計(jì)為輸出固定電壓和電流。

線性穩(wěn)壓電源
線性穩(wěn)壓電源是交流轉(zhuǎn)直流電源。這些與未調(diào)節(jié)（強(qiáng)力）電源相同，只是它們使用在有源或線性區(qū)域中工作的晶體管電路代替泄放電阻器。該有源晶體管級(jí)可輸出不同的精確直流電壓電平。有幾種可用的穩(wěn)壓器 IC，其中集成了有源晶體管電路。線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定、安全、可靠、無(wú)噪音。有適用于各種輸入和輸出電壓的穩(wěn)壓器 IC，它們輸出固定的直流電壓。這些電源的主要缺點(diǎn)是它們的成本、尺寸和能效。這些電源由于功率耗散而損失大量能量，可能需要使用帶穩(wěn)壓器 IC 的散熱器。

Acopian Power Supplies的線性電源（頂部）比同樣來(lái)自 Acopian 的同類開關(guān)電源（底部）大和重十倍，但線性單元具有開關(guān)電源無(wú)法比擬的有益屬性。

開關(guān)穩(wěn)壓電源
開關(guān)穩(wěn)壓電源是復(fù)雜的 AC-DC 電源，往往結(jié)合了非穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)。在 SMPS 中，線路電壓被整流為直流，然后在開關(guān)晶體管的幫助下再次轉(zhuǎn)換為方波交流。這個(gè)高頻方波然后被降壓或升壓，然后再次被整流。整流后的直流電壓在提供給負(fù)載之前被過(guò)濾。

紋波穩(wěn)壓電源
紋波穩(wěn)壓電源是非穩(wěn)壓 AC-DC 電源的改進(jìn)型。它是通過(guò)將非穩(wěn)壓電源與工作在飽和區(qū)的晶體管電路相結(jié)合而設(shè)計(jì)的。晶體管電路將直流電傳輸?shù)诫娙萜饕跃S持電壓水平。紋波穩(wěn)壓電源的主要優(yōu)點(diǎn)是它的能效。

可調(diào)穩(wěn)壓電源
線性穩(wěn)壓電源可以通過(guò)在末級(jí)使用可變電阻器進(jìn)行修改，以提供一系列可調(diào)電壓?？勺冸娮杵骺梢詫⑤敵鲭妷航档偷娇烧{(diào)值。這種可調(diào)電源然后可以提供從零到由電源調(diào)節(jié)的最大電壓范圍內(nèi)的電壓。對(duì)稱線性穩(wěn)壓電源也可以修改為提供負(fù)極性電壓。

電池和太陽(yáng)能電源
電池、電池和太陽(yáng)能電池板提供直流電源。來(lái)自存儲(chǔ)設(shè)備或太陽(yáng)能電池板的電力需要首先被過(guò)濾以去除脈動(dòng)波紋。然后可以使用穩(wěn)壓器 IC 將其調(diào)節(jié)到所需的直流電壓電平。如果需要提高電池或太陽(yáng)能電池板的電源電壓，可以使用晶體管作為放大器來(lái)完成。

直流到直流轉(zhuǎn)換器
直流到直流轉(zhuǎn)換器用于升高或降低直流電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以是半導(dǎo)體、機(jī)電或電化學(xué)類型。DC-to-DC SMPS，如推挽轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，是半導(dǎo)體型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的一些示例。這些電源通常用于轉(zhuǎn)換直流電（從主電源或其他交流電源整流）以提供不同的直流電平，而不是在設(shè)備中使用許多交流到直流電源。

SMD 中的 2 W 直流-直流電源示例（圖片：Recom）。

直流轉(zhuǎn)交流電源
這些類型的電源通常用于備用電源。逆變器、UPS 和發(fā)電機(jī)是此類電源系統(tǒng)的示例。

電子愛(ài)好者和工程師最常使用的是線性穩(wěn)壓電源和電池電源。其他類型的電源一般是為特定的應(yīng)用或電路而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。某些電路可能需要使用太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)電源。

對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，從提供12V、9V、5V和3V等常用直流電壓的線性穩(wěn)壓電源入手總是很方便的。對(duì)于便攜式電路，使用基于電池的穩(wěn)壓電源可以實(shí)現(xiàn)相同的電壓?；陔姵氐姆€(wěn)壓電源可能需要定期更換電池。因此，提供常用直流電壓電平的線性穩(wěn)壓電源最適合原型設(shè)計(jì)和測(cè)試電子電路。如果需要，生產(chǎn)電路可以由電池或基于太陽(yáng)能電池板的電路供電。

在下一篇文章中，我們將討論電芯和電池組。