shusu

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什么是市电?市电取电方式有哪些?

2020-2-20 09:39:23 显示全部楼层
市电,简单说,我们家中、办公室用的供电就是市电。专业一点的说法,即工频交流电。世界范围内,工频频率采用50Hz和60Hz两种。民用交流电电压有100V到380V。我国采用220V,美国、日本等采用110V。
在说市电取电前,我们先谈谈零线与地线,这两个经常是弱电工程师搞不太清楚的词汇。看过此文,你就会非常清楚了。

如上图,三相四线制电力系统模型中,三相电ABC的尾部(Z点)连接在一起,Z点处连接的就是“零线”。三相(负载)平衡时,零线是没有电流流过的。另外,零线是间接或者直接接到大地的,所以说对地电压接近于零。
重点来了,为什么说接近于零,而不是说等于零?当三相负载不平衡时,零线会有电流流过,考虑到经过长距离的线缆传输到我们家中,所以,零线上可能会有比较小的一个电压幅值。
“地线”又是什么?地线是把设备、电器的外壳可靠连接大地的线路,是为了防止触电事故发生的。

如图,以开关电源为例:中间接头FG,就是地线。它良好的连接了金属外壳。
一句话总结:“零线”接了远方的大地,“地线”接了我们附近的大地。
市电取电有几“招”?早期,大部分电器可直接用市电,不需转换,如白炽灯、电热毯、电饭煲等。而现今,绝大部分电器都有控制板,有3.3V或者5V电源。
这里说的市电取电,就是指从市电线路中取电,转换成我们需要的电压和功率。
下面我们对常用的方法做个总结。
工频变压器方式
这个是最常规的市电到低压的转换方式。

这种方式可是最经典的,教科书般的存在,不必多讲。
经常遇到的问题就是变压器发热,解决这个问题,就要保证次级的负载不要超过变压器的容量(一般来说,容量越大尺寸越大),比如变压器标称250VA。
变压器本身用于电能传输/耦合,而不是消耗的,所以以VA为单位,等同与W但又区别于常见的功率W。
工频变压器、变电站做升压传输、降压入户的简单、易用、可靠等特点,是当时世界范围内选用交流来布局电力系统的原因。
高频变压器方式
为什么用高频变压器?比如,图中手机充电器板子的黄色器件。

在历史上,采用高频变压器做开关电源是从工频变压器升级过来的,两种变压器在本质没有区别,只是工作频率提高了。随着电子技术的发展,特别是控制技术和高频的开关元器件工艺的成熟,使得开关电源得到极大的普及。
正因为有了高速开关技术,我们就可以把变压器初级、次级线圈的电感量降下来,使得变压器尺寸得到极大的减小。比如我们身边的手机充电器、笔记本电源都是采用开关电源。
同时,开关电源比小型工频变压器效率提高了很多。如图,教课书级别的低成本RCC开关电源电路到今天仍然有较大的使用。

LDO方式
LDO方式取电有什么价值?
因为其电路及其简单。对于给微功耗MCU等电路供电,LDO方式已经足够。

如图,+、-端之间的直流电压输出,取决于稳压管D2的稳压值。电路简单不再赘述。注意功率MOS或者三极管的散热、以及耐压值的选取!!!
RC降压方式
RC降压也是经典教科书级别的,有着大量的应用。
从初中物理上,我们就开始学习电容的特性是阻直流、通交流。试着分析一个交流供电周期,应该就非常容易懂这个电路工作过程。
其中,要注意C1这个电容,要用耐压400V以上的!!!


如图,它的输出电压通常可在几伏到三十几伏,结果取决于所使用的齐纳稳压管DZ1。能提供的电流正比于限流电容C1的容量,如上图的全波整流每uF可得到约60mA电流。
电感Buck方式
电感BUCK是一种效率比较高的方式。
如图,是一个电压BUCK电路方式。原理也简单:

DRIVE输出为高电平,则Q1导通,电流流经L1给C11电容充电,同时L1中储能。
DRIVE输出为低电平,则Q1关断,L1储能释放,电流流经D1给C11电容充电。

开关电源芯片,采用单电感BUCK方式供电,这个功率可以做到几百瓦。
单火线开关取电
这是一个很综合的电路,包括关态微电流的LDO取电原理,以及开态大电流取电。

当开关处于关闭状态时,L、N两端加220V交流电压的瞬间,Q2截止,Q1通过电阻R1、R2获得较高的栅极电压,处于充分导通状态,有大电流流过Q1的源极,经分压限流电阻R3送到稳压滤波单元,稳压滤波单元中的电容同时起到了存储电能的作用,经稳压滤波使系统获得工作电压VCC。
在瞬态电流控制电路的OUT端口,电压升高的同时,Q2的栅极经R4获得电压而导通,Q1的栅极电压随之降低,当OUT端口电压升高到VCC后,Q1的栅极获得较低的电压而处于低导通状态,只要控制单元的静态功耗足够低,Q1处于低导通状态时,系统仍能够将工作电压稳定在额定值。
开关开启时,先由控制单元的控制端口输出一个低电平给与其连接的瞬态电流控制电路的电流输入端口Ctrl,输入到Q2的栅极,Q2截止,Q1由R1、R2获得较高的栅极电压而充分导通,瞬态电流控制电路在瞬间经过稳压滤波单元,给控制单元和驱动元件提供较大的工作电流,再由控制单元控制驱动元件,使开关开启转入开态供电状态。
顺便提一下,在电力系统中,电流互感器串接在供电线路中,也可以取小电流给MCU用。
来源:网络


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