开关电源与线性电源

本文格式为Word版，下载可任意编辑——开关电源与线性电源电源重要性：

电源是电路设计中的重要部分，电源的稳定性在很大程度上决定了电路的稳定性。可以毫不客气的说，一个电路的质量在很大程度上取决于其电源的质量。

电源电路的作用：

电源电路的功能基本上是将交流转化为直流或直流转化为交流，也可能是直流间的电压转化。交流转化为直流都是通过整流二极管来完成，直流转化为交流都是通过振荡电路来完成，这两点在任何电源电路中都是一样。电源电路按其原理可分为直流电源、开关电源和相控电源。由于相控电源用在要求不高，电流特大的场合，一般在电子行业中用不到。这里就不介绍了。

线性电源和开关电源：

根据电源电路的工作原理，电源电路主要可分为两类：线性电源和开关电源。不管是线性电源还是开关电源，最终都是生成直流电的。而且在直流转直流的电源中，几乎全部使用开关电源。假使你看到电压转换芯片，那么不用怀疑，其原理确定是开关电源，由于线性电源做不到那么小。

先看线性电源和开关电源的原理图（实际电路可能要繁杂一些）。

线性电源原理：

原理如图1（a）所示，图中所示为串联线性稳压电源，并非代表所有线性稳压电源的

电路拓扑结构。若输入为交流市电，则线性电源的工作原理是：先将220V低频交流市电通过工频变压器（工频为50Hz）转化为低压低频交流电，然后通过整流电路将低压低频交流电转化为低压直流电。其中，在整流过程中必需参与大电容来滤波，如图1（a）所示。晶体管和运放构成的是反馈电路，用来稳定最终的直流输出，因此其中的晶体管也叫调整管。这种技术很成熟，因此，线性电源的输出十分稳定，纹波微小，这是优点。缺点是工频变压器和大电容体积巨大，不能集成，且调整管工作在放大状态，耗能和发热巨大，导致电源效率不高且整体烫手。此外，调整管发热大，需要大的散热片，也是一大缺点。

开关电源原理：

假使要想减小元件的尺寸，同时提高效率，一个简单想到的方法就是将市电的低频交流电变成高频交流电再转化为直流电，由于高频器件会尺寸会小好多（特别是变压器）。开关电源利用的就是这种思想。开关电源是先把220V的低频市电直接整流成高压直流电（不降压！这和线性电源不同），然后将高压直流电加到变压器初级上，利用高频PWM信号控制开关管将高压直流信号变成高频高压的方波信号。然后，通过高频变压器将高频高压的方波信号转换为高频低压的交流信号。最终，通过整流滤波将高频低压的交流信号变为低压直流信号。由于市电是单相交流电，而这里的整流为单相半波整流（只有一只整流管，图中右边的那只应当是稳压管，用于稳定输出电压的），因此整流后的信号只保存高频低压交流信号的上半部分，即只保存正向电压。记住，在单个周期中，这个正向电压的宽度就是开关管开通的时间。而半波整流后的滤波电路是低通滤波，相当于积分效果。因此，最终的直流输出值就取决于半波整流后正向电压的宽度，也就取决于开关管的开通时间，也就是说实现了PWM调制。输出的直流电压最终会反馈到PWM电路中去稳定输出。图中的PC为光耦合器，起到一个电路前后级隔离的作用。

通过上述分析，可知开关电源的优点是元器件小，易于集成，且晶体管工作在开关状态，发热小，因此电源整体效率高。缺点是开关管和后面的半波整流管、稳压管都会产生噪声，因此输出的信号质量较低，纹波较大。

本部分具体参见X:\\MyLibaray\\Electronics\\电源电路\\线性电源和开关电源的区别(Elec.No23)和X:\\MyLibaray\\Electronics\\电源电路\\开关电源与线性电源性能的比较(Elec.No22)。

线性电源和开关电源比较：

区别这两种电源电路的关键是看电路中晶体管的工作状态，若是工作在放大状态，且晶体管起到一个反馈调理最用，则是线性电源；若是工作在开关状态，晶体管的目的是为了产生高频信号，则是开关电源。这也是为什么叫做“开关电源〞的原因。在现实生活中，根据不同的应用需求选择不同的电源。例如，笔记本电脑对电源质量要求很高，因此用的是直流电源，这也是为什么笔记本电源很热的原因。而台式机用的是开关电源（也就是ATX电源），由于台式机功率大且对电源质量要求不高，因此选用高效率的电源电路。记住，线性电源和开关电源没有孰优孰劣，也不存在谁淘汰谁，只是应用场合不同而已。但是为什么笔记本电源体积比台式机要小呢？这应当是由于笔记本的功率要比台式机小好多，所以体积可以小一些。还有就是笔记本电源采用更优良的设计和器件，进一步降低了电源体积。

本部分具体参见X:\\MyLibaray\\Electronics\\电源电路\\线性电源和开关电源的区别(Elec.No23)。

ATX电源：

ATX电源是计算机的工作电源，作用是把交流220V的电源转换为计算机内部使用的直

流5V，12V，24V的电源。

异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场.因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机.

而同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生),定子旋转磁场\拖着\转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机.作为电动机时,大部分是用异步机;发电机都是同步机。同步电机和异步电机的区别

三相交流电通过一定结构的绕组时,要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下,转子随旋转磁场旋转.假使转子的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机;假使转子的转速小于磁场转速,也就是说两者不同步,就是异步电机.异步电机结构简单,应用广泛.同步电机要求转子有固定的磁极(永磁或电磁),如交流发电机和同步交流电动机.

电机的转速（定子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是一致的。s=(ns-n)/ns。s为转差率，

ns为磁场转速，n为转子转速。

基本原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。

(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。

（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。特点:

优点：结构简单，制造便利，价格低廉，运行便利。

缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

主要做电动机用，一般不做发电机！异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误会或混淆的状况下，一般可称感应电机为异步电机。

普通异步电机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需与其他电源连接。因此，它具有结构简单，制造、使用和维护便利，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种防护型式，以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时，必需从电网吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏。因此，对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系，其调速性能较差(交流换向器电动机除外)。对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等，采用直流电机较经济、便利。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展，目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。

工作原理

◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

运行方式

◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调理，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调理转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调理电网电压的目的。

同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心