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穩壓器,顧名思義,就是使輸出電壓穩定的設備。所有的穩壓器,都利用了相同的技術實現輸出電壓的穩定輸出電壓通過連接到誤差放大器(Error Amplifier)反相輸入端(Inverting Input)的分壓電阻(Resistive Divider)採樣(Sampled),誤差放大器的同相輸入端(Non-inverting Input)連接到一個參考電壓Vref。 參考電壓由IC內部的帶隙參考源 (Bandgap Reference)產生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此,它提供負載電流以保證輸出電壓穩定。

1 穩壓器 -分類

穩壓器穩壓器
穩壓器(英文:voltage stabilizer)根據調整管的工作狀態,常把穩壓電源分成兩類:線性穩壓電源和開關穩壓電源。此外,還有一種使用穩壓管的小電源。

開關穩壓器

開關穩壓器使用輸出級,重複切換「開」和「關」狀態,與能量存貯部件(電容器和感應器)一起產生輸出電壓。它的調整是通過根據輸出電壓的反饋樣本來調整切換定時來實現的。在固定頻率的穩壓器中,通過調節開關電壓的脈衝寬度來調節切換定時,這就是所謂的 PWM 控制。在門控振蕩器或脈衝模式穩壓器中,開關脈衝的寬度和頻率保持恆定,但是,輸出開關的「開」或「關」由反饋控制。

根據開關和能量存貯部件的排列,產生的輸出電壓可以大於或小於輸入電壓,並且可以用一個穩壓器產生多個輸出電壓。在大多數情況下,在同樣的輸入電壓和輸出電壓要求下,脈衝(降壓)開關穩壓器比線性穩壓器轉換電源的效率更高。

參數穩壓器

穩壓器穩壓器
LDO 是一種線性穩壓器。線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET,從應用的輸入電壓中減去超額的電壓,產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓,是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和,所以穩壓器可以有一個非常低的壓降電壓,通常為 200mV 左右;與之相比,使用 NPN 複合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備,其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。

更新的發展使用 CMOS 功率晶體管,它能夠提供最低的壓降電壓。使用 CMOS,通過穩壓器的唯一電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小,這種方式產生的壓降只有幾十毫伏。

線性穩壓器與開關穩壓器的比較

 

優點

缺點

線性穩壓器輸出紋波電壓低
出色的 line 和負載穩壓
對負載和 line 的變化響應迅速
電磁干擾 (EMI) 低
效率低
如果需要冷卻設備,則要求較大的空間
開關穩壓器

效率高(降低了冷卻所需的源電源需求)
能夠處理較高的電源密度
拓撲學結果可用於傳遞單個或多個輸出電壓,
大於或小於生成的輸出電壓

輸出紋波電壓高
瞬時恢復時間較慢
產生電磁干擾(EMI)
開關電容式轉換器

一個典型的開關電容式轉換器包括四個大型 MOS 開關,其開關順序為典型的開關、加倍或減半輸入電源電壓。能量的傳遞與存貯由外部電容器提供。

穩壓器 穩壓器

在開關周期的第一部分,輸入電壓作用於一個電容器(C1)。在開關周期的第二部分,電荷從 C1 傳送到第二個電容器 C2 上。最傳統的開關電容式轉換器的構造是一個反用換流器,其中 C2 具有一個接地正端,其負端傳遞負輸出電壓。經過幾個周期之後,通過 C2 的電壓將被施加到輸入電壓。假設 C2 上沒有負載、開關上沒有損耗並且在電容器中沒有連續的電阻,則輸出電壓將正好是輸入電壓的負數。在現實中,電荷傳送的效率(以及由此導致的輸出電壓的精確性)取決於開關頻率、開關的電阻、電容器的值和連續電阻。一種類似的拓撲結構 ?倍壓器使用相同的開關和電容器組,但更改了接地連接和輸入電壓。其它更複雜的變種產品使用附加開關和電容器實現輸入電壓與輸出電壓的其它變換比率,並且在一些情況下,使用專門的開關次序來產生分數關係(例如 3/2)。在各種最簡單的形式中,開關電容式轉換器是不具備穩壓功能的。一些新的 National 半導體開關電容式轉換器具有自動調節的增益級別以產生經過穩壓的輸出;其它開關電容式轉換器使用一個內置的低壓降線性穩壓器產生未經過穩壓的輸出。

錯誤標記

錯誤標記是一個集電極開路輸出,當經過穩壓的輸出電壓低於額定輸出電壓 5%(典型的)時,它會發出一個信號。開始時,錯誤標記為低,直到輸出電壓達到額定輸出電壓的 95% 為止。在一些情況下,電源轉換中出現的錯誤標記會有延遲。這個延遲是由外部電容器設置的,並可用作開機重置功能將微處理器重新設置為加電。

如果顯示狀態「錯誤」,輸出電壓為低情況使得集電極開路的輸出為高(標記晶體管顯示 OFF)。當輸出電壓在額定電壓上下 5% 範圍以內時,此標記輸出為低。

開/關或停機

「開/關」或「停機」功能使穩壓器能夠在帶電的情況下打開或關閉。儘管在「關閉」或「停機」模式下,穩壓器的供給電流因為輸出被禁用而降至一個較低的級別,但是內部偏置電路仍處於運行狀態。當重新啟用之後,穩壓器將以比輸入電壓關閉又打開的情況下快得多的速度重新對輸出電壓進行穩壓。如果顯示在」開」的狀態,則穩壓器將被邏輯高電平啟動。否則,將被邏輯低電平啟動。

同步或頻率調整

在開關穩壓器和開關電容式轉換器中,使用一個內部振蕩器來設置輸出晶體管的開關頻率。該開關頻率的值可以確定轉換器中使用的某些外部組件,確定轉換器產生的噪音的頻率,並影響轉換器的性能。某些轉換器允許通過調整內部震蕩器頻率(「頻率調整」)或通過同步振蕩器與外部電源(「同步」)來更改開關頻率。一般來說,通過提高開關頻率,可以在轉換器輸出級中使用較小的部件(電容器,感應器)。這可能降低轉換器的效率,因為增加了開關損耗,除非同時使用更高質量的部件。性能良好的更高頻率的轉換器將比頻率較低的轉換器具有更快的瞬時響應。如果一個板上有幾個轉換器,則通常最好將它們同步到一個公共源。這可以控制整個批量產生的噪音,並盡量減小可能產生的任何「敲擊頻率」。這個問題對於高功率轉換器(例如 5W 或更高功率)通常很重要。在許多情況下,開關頻率只能從其預設值增加。產品數據表將標出該功能的頻率範圍。

2 穩壓器 -作用

穩壓器電路模型

隨著社會飛速前進,用電設備與日俱增。但電力輸配設施的老化和發展滯后,以及設計不良和供電不足等原因造成未端用戶電壓的過低,而線頭用戶則經常電壓偏高,對用電設備特別是對電壓要求嚴格的高新科技和精密設備,獨如一顆不定時炸彈。市電系統作為公共電網,上面連接了成千上萬各種各樣的負載,其中一些較大的感性、容性、開關電源等負載不僅從電網中獲得電能,還會反過來對電網本身造成影響,惡化電網或局部電網的供電品質,造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外意外的自然和人為事故,如:地震、雷擊、輸變電系統斷路或短路,都會危害電力的正常供應,從而影響負載的正常工作。
  
不穩定的電壓會使設備造成致命傷害或誤動作,影響生產,造成交貨期延誤、品質不穩定等多方面損失。同時加速設備的老化、影響使用壽命甚至燒毀配件,使業主面臨需要維修的困擾或短期內就要更新設備,浪費資源;嚴重者甚至發生安全事故,造成不可估量的損失。

根據電力專家的測試,電網中經常發生並且對電腦和精密儀器產生干擾或破壞的問題主要有以下幾種:

1、電涌(power surges):指輸出電壓有效值高於額定值110%,而且持續時間達一個或數個周期。電涌主要是由於在電網上連接的大型電氣設備關機時,電網因突然卸載而產生的高壓。

2、高壓尖脈衝(high voltage spikes):指峰值達6000v,持續時間從萬分之一秒至二分之一周期(10ms)的電壓。這主要由於雷擊、電弧放電、靜態放電或大型電氣設備的開關操作而產生。

3、暫態過電壓(switching transients):指峰值電壓高達 20000V,但持續時間界於百萬分之一秒至萬分之一秒的脈衝電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似於高壓尖脈衝,只是在解決方法上會有區別。

4、電壓下陷(power sags):指市電電壓有效值介於額定值的80%至85%之間的低壓狀態,並且持續時間達一個到數個周期。大型設備開機,大型電動機啟動,或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。

5、電線雜訊(electrical line noise):系指射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EFI)以及其它各種高頻干擾。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控制器的工作、廣播發射、微波輻射、以及電氣風暴等,都會引起線雜訊干擾。

6、頻率偏移(frequency variation):系指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應急發電機的不穩定運行,或由頻率不穩定的電源供電所致。

所以使用穩壓器,對用電設備特別是對電壓要求嚴格的高新科技和精密設備來說是必不可少的。

3 穩壓器 -區分UPS

穩壓器UPS
穩壓器和UPS是不同的概念,但很多朋友總是錯誤的認為穩壓器就是UPS,實質上是有區別的;UPS分為在線式和後備式,一般電腦配備的就是屬於後備式的,它屬於應急電源的一種;後備式的是帶穩壓部分的,電子開關穩壓器的一種,可以當做穩壓器用,但穩壓效果不理想;穩壓器:它是針對電壓不穩設計的,主要是當作後端設備保護之用,對設備保護功能較完善。一般大型UPS還必須配備穩壓旁路系統,即LW-PLG穩壓器。上面介紹了穩壓器的概念,這裡說說UPS是什麼?

UPS的中文意思為「不間斷電源」,是英語「Uninterruptible Power Supply」的縮寫,它可以保障計算機系統在停電之後繼續工作一段時間以使用戶能夠緊急存檔,使您不致因停電而影響工作或丟失數據。它在計算機系統和網路應用中,主要起到兩個作用:一是應急使用,防止突然斷電而影響正常工作,給計算機造成損害;二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線雜訊和頻率偏移等「電源污染」,改善電源質量,為計算機系統提供高質量的電源。

從基本應用原理上講,UPS是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要元件,穩壓穩頻輸出的電源保護設備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態開關等幾部分組成。

1)整流器:整流器是一個整流裝置,簡單的說就是將交流(AC)轉化為直流(DC)的裝置。它有兩個主要功能:第一,將交流電(AC)變成直流電(DC),經濾波后供給負載,或者供給逆變器;第二,給蓄電池提供充電電壓。因此,它同時又起到一個充電器的作用;

2)蓄電池:蓄電池是UPS用來作為儲存電能的裝置,它由若干個電池串聯而成,其容量大小決定了其維持放電(供電)的時間。其主要功能是:當市電正常時,將電能轉換成化學能儲存在電池內部。當市電故障時,將化學能轉換成電能提供給逆變器或負載;

3)逆變器:通俗的講,逆變器是一種將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成;

4)靜態開關:靜態開關又稱靜止開關,它是一種無觸點開關,是用兩個可控硅(SCR)反向並聯組成的一種交流開關,其閉合和斷開由邏輯控制器控制。分為轉換型和並機型兩種。轉換型開關主要用於兩路電源供電的系統,其作用是實現從一路到另一路的自動切換;並機型開關主要用於並聯逆變器與市電或多台逆變器。

穩壓器是靠繼電器的跳動穩定電壓的。當電網電壓稍有波動,或在一定範圍內其它電器的開放或關閉,都會引起電力穩壓器的自動糾正電路啟動,使繼電器頻繁跳動。每一次繼電器跳動換擋,都會使供電電源發生一次短暫的中斷。儘管這一中斷未影響家庭其它電器的正常使用,但對高度靈敏的電腦內的讀寫干擾卻很大,每一次穩壓器跳動換檔,猶如電腦內瞬間輸入一個脈衝,容易造成電腦出現錯誤信號,嚴重時還會使硬碟損壞或軟盤驅動器卡死。

因此,家用電腦在使用中,不需要配製穩壓器。如果你所處的電網電壓嚴重不穩,不妨配置一個不間斷電源轉換系統,即UPS為好

4 穩壓器 -穩壓器適用範圍

穩壓器適用於工礦工廠,企業、油田、鐵路、建築工地、學校、醫院、郵電、賓館、科研等部門的電子計算機、精密機床、計算機斷層掃描攝影(CT)、精密儀器、試驗裝置、電梯照明、進口設備及生產流水線等需要電源電壓穩定的場所。也適應於電源電壓過低或過高、波動幅度大的低壓配電網末端的用戶及負載變動大的用電設備,特別適用於一切對電網波形要求高的穩壓用電場所。

無觸點補償式免維護電力穩壓器

無觸點補償式免維護電力穩壓器採用集成電路按特定順序控制若干個晶閘管電壓過零通斷,來改變補償電壓的大小與極性(專利技術),是晶閘管交流開關技術與變壓器技術的完美結合。採用大功率晶閘管(可控硅)代替機械與碳刷來控制調壓,容量可做到2000KVA,補償範圍最大可達±50%,效率可達99%以上,是引領大功率電力穩壓器發展方向的先進產品,是節能型綠色環保產品,具備所有保護功能,工作十分可靠,適應性特強。實現了全無觸點調壓,具有穩定性能好,效率特高等優點,對電網無污染,能在各種惡劣的電網和複雜的負載下可靠地連續工作,使用壽命極長,能連續無故障運行10萬小時以上,實現了穩壓器長期免維護。

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