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[導(dǎo)讀]全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一,是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng),目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革。競賽的特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合,以推

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一,是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng),目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革。競賽的特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合,以推動(dòng)其課程教學(xué)、教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽從1997年開始每兩年舉辦一屆,競賽時(shí)間定于競賽舉辦年度的9月份,賽期四天三夜。單數(shù)年為國賽年,雙數(shù)年為省賽年。

小編在本科參加過三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽,做的均為電源題目,現(xiàn)在已經(jīng) 畢業(yè)了,所以在此寫下關(guān)于電賽中電源類題目的一些 基本的概念 知識(shí)和一些實(shí)戰(zhàn)的電賽題目,適合初學(xué)者,當(dāng)然這寫技術(shù)都建立在本科所學(xué)的數(shù)模電的基礎(chǔ)之上。 如果你正在備賽電賽的電源類題目,那么希望我的這些分享會(huì)對(duì)你有所幫助。 文章是一個(gè)系列的,大概有10篇左右,話不多說先從第一章開始。

第一章 電源簡介

1.1  電源分類

1.1.1  電源與電源轉(zhuǎn)換器

??我們常提到的“電源”概念,指的是把其他形式的能量,如機(jī)械能、化學(xué)能、風(fēng)能、熱能、太陽能等直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置,例如水力、風(fēng)力、火力發(fā)電,以及各類電池等。
?? 電源轉(zhuǎn)換器是能夠?qū)㈦娏δ茉吹男问竭M(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的裝置,它的能量變化過程是電能→電能,而非其他能量→電能。電源轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換主電源電能的形式或規(guī)格,用于滿足不同用電設(shè)備對(duì)不同電能形式的需要,或用在供電電源與負(fù)載之間,對(duì)電能進(jìn)行變換或穩(wěn)定處理。本書中所講的“電源”概念,實(shí)際上指的是電源轉(zhuǎn)換器。

1.1.2  電源轉(zhuǎn)換器類型

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)換的形式分類,可分為
?? AC-AC(交流-交流)轉(zhuǎn)換器:如交流電源變壓器、變頻器等。AC-DC(交流-直流)轉(zhuǎn)換器:整流器。DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器。DC-AC(直流-交流)轉(zhuǎn)換器:逆變器。
(2)根據(jù)轉(zhuǎn)換的方法分類,可分為
?? 線性電源:使用工作在線性區(qū)的功率器件調(diào)整管,靠調(diào)整功率管上的電壓降來穩(wěn)定輸出。線性電源的缺點(diǎn)是:由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大,因此效率相對(duì)較低,且需要安裝一個(gè)很大的散熱器來散熱;由于變壓器工作在工頻(50Hz)上,所以 體積和重量較大。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高,易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。
??開關(guān)電源:開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷來輸出電壓的一種電源。它的優(yōu)點(diǎn)是:與同功率檔次的線性電源相比,體積小、重量輕,在高功率產(chǎn)品中這種差異更為明顯,這是因?yàn)殚_關(guān)電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容,同時(shí)開關(guān)管功耗比線性電源調(diào)整管小得多,因此所需散熱片面積比較小;開關(guān)電源的控制方式和電路拓?fù)錄Q定了它的功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。
開關(guān)電源近年來一直有較大的發(fā)展,研究人員提出了包括高頻化、軟開關(guān)技術(shù)、諧振直流環(huán)、屏蔽技術(shù)等在內(nèi)的多項(xiàng)新技術(shù),很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC,使得開關(guān)電源的線路在不斷簡化的同時(shí)具有更可靠高效的性能。
??開關(guān)電源按控制方式可分為:
?? 脈沖調(diào)制變換器:驅(qū)動(dòng)波形為方波。包括PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、混合調(diào)制等。
?? 諧振式變換器:驅(qū)動(dòng)波形為使用諧振電路得到的正弦波。包括ZCS(零電流諧振開關(guān))、ZVS(零電壓諧振開關(guān))等。
??按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為:
?? 隔離式:采用變壓器來實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離。包括單管正激式、單管反激式、雙管正激式、雙管反激式、推挽式、半橋式和全橋式等類型。
?? 非隔離式:拓?fù)渲胁皇褂酶綦x變壓器,輸入與輸出不存在電氣隔離。包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升壓降壓式(Buck Boost)、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器等類型。
(3)根據(jù)調(diào)控的效果分類,可分為:
?? 穩(wěn)壓電源:能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流或直流電壓的電源。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),輸出電壓保持不變。
?? 恒流電源:能向負(fù)載提供恒定電流的電源,在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)或阻抗特性發(fā)生變化時(shí)仍能使輸出電流保持恒定?,F(xiàn)有的恒流電源的恒流范圍大致為1μA~20A。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn),又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù),在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也得到了廣泛應(yīng)用。恒流電源依據(jù)其主要構(gòu)成元件可以分為晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源等。
?? 調(diào)頻/變頻電源:輸出電壓的頻率可調(diào)的(交流)電源。

1.2  電源的各項(xiàng)指標(biāo)

1.2.1  直流電源指標(biāo)

(1) 電壓調(diào)整率Su :負(fù)載不變,輸入電壓變化時(shí)輸出電壓相對(duì)變化量。即

??其中, Uomax為輸入電壓變化時(shí)最大輸出電壓, Uomin為最小輸出電壓值, Uo為額定輸出電壓。

(2)負(fù)載調(diào)整率Si :負(fù)載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下,在一定范圍內(nèi)改變負(fù)載時(shí),輸出電壓的最大相對(duì)變化量。即:


??其中, Uo2為空載(或輕載)時(shí)輸出電壓, Uo1為滿載(或重載)時(shí)輸出電壓, Uo為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓。

(3) 紋波電壓(電流)的指標(biāo)形式
??最大紋波電壓(電流):在額定輸出電壓和負(fù)載電流下,輸出電壓(電流)的紋波(包括噪聲)峰-峰值大小,通常以峰-峰值△Vp-p(△Ip-p)或有效值△Vrms(△Irms)表示。
?? 紋波系數(shù) :在額定負(fù)載電流下,輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比。即:
     
(4) 效率:效率定義為輸出的有功功率 與輸入的有功功率 的百分比。即:     
 其中, Uo為輸出電壓, Io為輸出電流, Ui為輸入電壓, Ii為輸入電流。

1.2.2  交流電源指標(biāo)

(1) 電壓調(diào)整率Su :負(fù)載不變,輸入電壓有效值變化時(shí)輸出電壓有效值相對(duì)變化量。即
其中, Uo1為輸入電壓最大時(shí)的輸出電壓有效值, Uo2為輸入電壓最小時(shí)的輸出電壓有效值, 為額定輸出電壓有效值。
(2) 負(fù)載調(diào)整率S1 :負(fù)載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下,改變負(fù)載時(shí),輸出電壓有效值的最大相對(duì)變化量。即:   
其中, Uo2為空載(或輕載)時(shí)輸出電壓有效值, Uo1為滿載(或重載)時(shí)輸出電壓有效值, Uo為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值。
(3) 效率 :輸出的有功功率Po 與輸入的有功功率Pi 的百分比。即:


其中, Uo為輸出電壓有效值, Io為輸出電流有效值, Ui為輸入電壓有效值, Ii為輸入電流有效值。

(4) 有功功率P:將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(如機(jī)械能、光能、熱能等)的電功率,單位為瓦特(W)。 有功功率用一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的積分的平均值來計(jì)算。
??對(duì)于交流電,

??其中,u(t) i(t)分別為瞬時(shí)電壓、電流, T為周期。
??對(duì)于正弦交流電,

??其中, U和I分別為電壓、電流有效值, φ為電壓、電流相位差。

(5) 無功功率Q:電路中為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率,單位為乏(Var)。無功功率不對(duì)外作功,也不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?,用于電路?nèi)電場與磁場的交換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場。無功功率是交流電路中由于電抗性元件(指純電感或純電容)的存在,而進(jìn)行可逆性轉(zhuǎn)換的那部分電功率。

(6) 視在功率S:視在功率是有功功率和無功功率的向量和,也可以用電壓和電流有效值的乘積來表示,單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。視在功率表明了用電器從電源(電網(wǎng))獲取的總功率,但并不代表用電器真正消耗的功率。它代表了一種能量之間的交換關(guān)系,也是衡量用電器最大負(fù)荷承受能力的指標(biāo)之一。

(7) 功率因數(shù)PF:功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率S的比值,在正弦交流電中可等效為電壓與電流相位差的余弦值。功率因數(shù)計(jì)算公式為

??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差,也稱功率因數(shù)角;γ表示基波因數(shù),定義為基波有效值(均方根值)與真有效值(均方根值)的比值,對(duì)于純正弦交流信號(hào),γ=1 。
??功率因數(shù)是對(duì)電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一,功率因數(shù)值越大,代表電力電子設(shè)備的電能利用率越高。
??如圖所示,“功率三角形”表示視在功率S、有功功率P和無功功率Q三者在數(shù)值上的關(guān)系。

(8) 諧波失真THD:THD有兩個(gè)常用的定義。在IEC 61000-4-7中,THD定義為指定 次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。公式用來計(jì)算電壓和電流THD:

??這一THD定義更常見于能源計(jì)量系統(tǒng),如果基波的貢獻(xiàn)小于其他諧波的總貢獻(xiàn),得到的THD值可能會(huì)超過100%。
??THD的另外一個(gè)定義是指定次( N)全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。 總RMS值包括基波和其他諧波的作用。公式分別用來計(jì)算電壓和電流THD:

?? 在THD的這一定義中,由于總均方根被用作分母,而不僅僅是基波均方根值。因此,得到的值總小于100%。
??在公式中,Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。在測試THD精度時(shí),需注意所使用的THD定義,因?yàn)檫@兩個(gè)不同的定義會(huì)得出兩個(gè)不同的值。
-END-

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