每月電子零件:電源供應器

十月 9, 2013
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十月要登場的是電源供應器!在這個月裡,我們會陸續介紹電源供應器在專題中的各種不同應用或製作方式。最常見的就是AC-DC(交流-直流)變壓器。與往常一樣,以下的內容節錄自查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:第一冊》(暫譯,原書名為:Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1):



功能

AC-DC電源供應器可以將交流電(alternating current、簡稱AC)轉換成一般電器用的直流電(direct current、DC),而且,轉換後可供使用的電壓通常較低。因此,雖然名稱是電源「供應」器,但其實這個裝置本身需要外接電源才有辦法使用。


通常,電腦或音響這種較大的電器本身就有電源供應器,所以可以直接將插頭插入牆上的插座;而像手機或其他多媒體裝置這些使用電池的小型電器,則常常需要使用外接式的電源供應器,這種電源供應器通常裝在一個塑膠盒裡,然後有電線連接出來可以插入插座,轉換後的直流電則透過另一端的接頭送出,外接式的電源供應器通常(但並非總是)稱為變壓器。

雖然AC-DC電源供應器並不是單一元件,但通常都會以組裝好的整個模組來販賣。

 

各種類型

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電源供應器主要有兩種類型,分別是線性電源供應器與切換式電源供應器。

線性電源供應器(Linear Regulated Power Supply)

Output:輸出

Voltage Regulator:電壓調節器


線性電源供應器的運作分為三個階段:

一、電源轉換器將輸入的交流電轉換成低電壓的交流電。

二、整流器將交流電轉換成未整平的直流電,若您想要更深入了解整流器的功能,相關內容在本書二極體的章節。

三、電壓調節器搭配一至數個電容器,用來控制直流電壓,將電壓整平、除去瞬變電流。這種電壓調節器稱為線性電壓調節器,因為它內含一至數個電晶體,作用方式是線性的,也就是說,在飽和程度之內,根據電流波動幅度做線性調整,這種電源供應器就是因為這個線性電壓調節器而得名。

這種類型的電源供應器與電源轉換器相關,因為這種電源供應器在進行整流之前,會先透過調節器將輸入的交流電壓降低。

因為電源供應器中的整流器通常會將每一個交流電脈衝送過一對矽二極體,在電流峰值時會造成1.2V的電壓下降;而整流用的電容器在則會將電壓再降3V,穩壓器通常需要輸入與輸出端有至少2V的電位差。加上輸入的交流電電壓是浮動的,可能會擺盪到低於規格上的數字,因此,變壓器的輸出至少要比需要的電壓高8V以上比較保險,多餘的能量會以熱能的形式散失。

線性電源供應器的概念來自早期無線電波接收器這一類的裝置,這種內含電晶體的線性電源供應器一直到1990年代都還廣泛使用。後來,切換式電源供應器變得較為普及,原因在於半導體製造組裝的成本降低、高電壓的電晶體問世,使得我們可以直接使用整流後的線路電壓,而不需要階層式的電壓轉換。

有些外接式變壓器還是包含了電源轉換器,但是比例上已經減少許多了。這種類型的變壓器體積會較大、重量也較重,右圖就是這樣的變壓器:這是一款老式、便宜的變壓器,裡面只有最基本的零件,而且無法提供電子儀器所需的穩定直流電源。

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切換式電源供應器(Switching Power Supply

也稱為切換模式電源供應器(switched-mode power supply、簡稱SMPS),切換式電源供應器的運作分為兩階段。

一、整流器會先將輸入的交流電轉成未整平的直流電,中間不經過電源轉換器。

二、DC-DC轉換器會以極高的頻率切換直流電,以脈衝寬度調變來降低平均有效電壓,通常使用的是返馳式轉換器(flyback),內含一個轉換器,但是高頻率的切換使得我們不需要像線性電源供應器當中那麼大的電源轉換器。關於DC-DC轉換器的詳細運作原理,請參考電子零件百科全書的相關章節。

Pulse Width Modulator:脈衝寬度調整器

Voltage reference source:電壓參照來源

Output:輸出

右圖是切換式電源供應器在電路圖上的表現方式,這是一個簡化示意圖,只標示了切換式電源供應器的主要組成零件,如果仔細看,您會發現圖中缺少115V電源轉換器,這是因為轉換器已經融入高頻切換的線路當中了,這樣一來,會變得更小、更輕、更便宜。

[原文]


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