基礎電子學系列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源電子元件。無源元件在設計各種模擬電路時特別有用。

現(xiàn)代電子產品的真正樂趣始于半導體和數(shù)字電子產品。電子學就是關于信號（以電壓或電流的形式）以及通過組件和電路處理信號。通過將電子信號處理為二進制值（0 和 1，或低和高），半導體電子學成為可能。半導體電子學將信號處理為二進制值的這種應用導致以數(shù)字電子學的形式實現(xiàn)布爾邏輯。因此開始使用電子設備進行“計算”。很快，工程師和研究人員設計出測量各種物理量的方法，方法是將它們轉換為模擬電信號并將這些模擬信號數(shù)字化為數(shù)字值。他們還設計了將數(shù)字信號轉換為等效模擬電信號的方法?，F(xiàn)在，

大多數(shù)現(xiàn)代電子學都是關于“電子計算”及其在現(xiàn)實世界中的應用。電子計算與顯示技術和輸入/輸出電子設備相結合導致了通用計算機的發(fā)展。電子計算與各種通信技術相結合，導致了電信、電視和互聯(lián)網技術的發(fā)展。電子計算與無線通信和傳感器的結合導致了移動電子產品和可穿戴設備的發(fā)展。電子計算與傳感器和執(zhí)行器的結合導致了嵌入式系統(tǒng)、機器人和自動化等應用的發(fā)展。

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

電源可以是輸電線路（市電）、機電系統(tǒng)（交流發(fā)電機和發(fā)電機）、太陽能或電池和電池等存儲設備。電源是電源轉換器，可將電源的電能轉換為適合負載電路的電壓、電流和頻率。電源可以是交流電或直流電。與發(fā)電機和電源一樣，電力提供交流電，而電池和太陽能設備提供直流電。電源電路可以從交流或直流電源輸入功率，并輸出轉換成適合負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。交流轉直流電源是最常見的。一些交流轉直流電源包括未穩(wěn)壓線性直流電源、線性穩(wěn)壓直流電源（臺式電源）、開關穩(wěn)壓電源和紋波穩(wěn)壓電源?；陔姵氐碾娫础⑻柲茈娫春?DC-DC 轉換器是 DC-DC 電源的示例?；陔姵氐碾娫春吞柲茈娫从糜谥苯訛殡娮与娐饭╇姡?DC-DC 轉換器通常用于將輸入直流電轉換為不同電平以饋送同一設備中的不同電路，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、

可變交流電源
可變交流電源是使用變壓器或可調自耦變壓器設計的。這些用于將交流電壓轉換為交流電壓電平?？梢允褂镁哂卸鄠€繞組或抽頭的變壓器來設計此類電源，否則可以使用可調自耦變壓器。這些電源轉換交流電壓和電流水平，同時電源頻率保持不變。

變頻器
變頻器用于轉換交流電源的頻率。這些可以使用機電設備（例如電動發(fā)電機組）或借助整流器-逆變器組進行設計。整流器首先將交流電轉換為直流電，然后逆變器將直流電轉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，其中電源和負載電路之間需要阻抗匹配。隔離變壓器通常不轉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很有用。

這些隔離變壓器用于升高或降低電壓，同時通過 CE 認證的增強絕緣保持電源和輸出電路隔離。（圖片：信號變壓器）

未穩(wěn)壓線性電源
未穩(wěn)壓線性電源是簡單的交流轉直流電源。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計的。首先，變壓器將線路電壓轉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換為直流電壓。整流器采用二極管設計。來自整流器的脈動 DC 使用濾波電容器進行平滑處理。可以在濾波電容上并聯(lián)泄放電阻進行保護。

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

線性穩(wěn)壓電源
線性穩(wěn)壓電源是交流轉直流電源。這些與未調節(jié)（強力）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）比同樣來自 Acopian 的同類開關電源（底部）大和重十倍，但線性單元具有開關電源無法比擬的有益屬性。

開關穩(wěn)壓電源
開關穩(wěn)壓電源是復雜的 AC-DC 電源，往往結合了非穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源的優(yōu)點。在 SMPS 中，線路電壓被整流為直流，然后在開關晶體管的幫助下再次轉換為方波交流。這個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載之前被過濾。

紋波穩(wěn)壓電源
紋波穩(wěn)壓電源是非穩(wěn)壓 AC-DC 電源的改進型。它是通過將非穩(wěn)壓電源與工作在飽和區(qū)的晶體管電路相結合而設計的。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)點是它的能效。

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

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

直流到直流轉換器
直流到直流轉換器用于升高或降低直流電壓。DC-DC轉換器可以是半導體、機電或電化學類型。DC-to-DC SMPS，如推挽轉換器、降壓轉換器、升壓轉換器、降壓-升壓轉換器，是半導體型 DC-DC 轉換器的一些示例。這些電源通常用于轉換直流電（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)電機是此類電源系統(tǒng)的示例。

電子愛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用或電路而設計和生產的。某些電路可能需要使用太陽能電池板設計電源。

對于初學者來說，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。對于便攜式電路，使用基于電池的穩(wěn)壓電源可以實現(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計和測試電子電路。如果需要，生產電路可以由電池或基于太陽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。