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詳解開關變壓器工作原理及作用

文章出處:   責任編輯:楊海英   作者:   發布時間:2018-01-22 16:35:31    點擊數:-   【

“開關變壓器”一般是指“開關電源”里面所用的變壓器,工作在十幾到幾十千赫茲甚至幾百千赫茲頻率的脈沖狀態下,鐵芯一般采用鐵氧體材料。開關電源變壓器是加入了開關管的電源變壓器,在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能,還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關電源等涉及高頻電路的場合。

開關變壓器作用

金籟科技高頻變壓器

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開關電源變壓器和開關管一起構成一個自激(或他激)式的間歇振蕩器,從而把輸入直流電壓調制成一個高頻脈沖電壓。

起到能量傳遞和轉換作用。在反激式電路中,當開關管導通時,變壓器把電能轉換成磁場能儲存起來,當開關管截止時則釋放出來。在正激式電路中,當開關管導通時,輸入電壓直接向負載供給并把能量儲存在儲能電感中。當開關管截止時,再由儲能電感進行續 流向負載傳遞。

把輸入的直流電壓轉換成所需的各種低壓。

開關變壓器工作原理

圖片來自網絡

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對于開關電源,開關變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不同的。普通變壓器輸入的交流電壓或電流的正、負半周波形都是對稱的,并且輸入電壓和電流波形一般都是連續的,在一個周期之內,輸入電壓和電流的平均值等于0,這是普通變壓器工作原理的基本特點;而開關變壓器一般都是工作于開關狀態,其輸入電壓或電流一般都不是連續的,而是斷續的,輸入電壓或電流在個周期之內的平均值大多數都不等于0,因此,開關變壓器也稱為脈沖變壓器,這是開關變壓器與普通變壓器在工作原理方面的最大區別。

除此之外,開關變壓器對于輸入電壓來說,有單激式和雙激式之分:對于輸出電壓來說,又有正激式和反激式之分。單激式和雙激式開關電源,或正激式和反激式開關電源,它們使用的開關變壓器,在工作原理方面也有很大的不同。

當開關變壓器的輸入電壓為直流脈沖電壓時,稱為單極性脈沖輸入,這種單極性脈沖輸入的開關電源稱為單激式變壓器開關電源:當開關變壓器的輸入電壓為正、負交替的脈沖電壓時,稱為雙極性脈沖輸入,這種雙極性脈沖輸入的開關電源稱為雙激式變壓器開關電源;當變壓器的初級線圈正在被直流脈沖電壓激勵時,變壓器的次級線圈正好有功率輸出,這種開關電源稱為正激式變壓器開關電源;當變壓器的初級線圈正好被直流脈沖電壓激勵時,變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出,而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出,這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。

設開關變壓器鐵芯的截面為S,當幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關變壓器的初級線圈上時,在開關變壓器的初級線圈中就有勵磁電流流過:同時,在開關變壓器的鐵芯中就會產生磁場,變壓器的鐵芯就會被磁化,在磁場強度為H的磁場作用下又會產生磁感應強度為B的磁力線通量,簡稱磁通,用“”表示:磁感應強度B或磁通φ受磁場強度H的作用而發生變化的過程,稱為磁化過程。所謂的勵磁電流,就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

根據法拉第電磁感應定理,電感線圈中的磁場或磁感應強度發生變化時,將在線圈中產生感應電動勢:線圈中感應電動勢為:

U=NdΦ/dt=NSdB/dt(2-4)

式中,N為開關變壓器的初級線圈的匝數:Φ=SB為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應強度或磁感應強度平均值。

這里引進磁感應強度平均值的概念,是因為變壓器鐵芯中的磁通并不是均勻分布,磁感應強度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實際分布有關。因此,在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時候,有時需要使用平均值的概念,以便處理問題簡單

從(2-4)式可知,當磁感應強度的變化以等速變化進行時,則可表示:

dB/dt=Ut/NS(2-5)

假定磁感應強度的初始值為B(0)=B。(t=0),當t》0時,磁感應強度以線性規律增長,磁感應強度以線性規律增長,即:

B=B。+Ut/NS(2-6)

當t=τ時,即時間達到脈沖的后沿時,磁感應強度達到最大值Bm=B(τ)磁感應強度增量(磁感應強度初始值和最終值之差)△B=B(τ)-B(0)=Bm-B0

當輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時,根據電磁感應定律,在變壓器鐵芯中將產生一個磁感應強度增量與之對應,即:

△B=Uτ/NS(2-7)

金籟科技高頻變壓器

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如果能忽略渦流的影響,則磁場強度H的平均值取決于導磁體材料的性質。變壓器初級線圈內的磁化電流的增長與H成正比。在特性曲線的直線段內磁場強度H、磁化電流和磁感應強度B都以線性變化。

脈沖電壓作用結束后(t》τ),變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性,即電路參數確定的規律下降,變壓器鐵芯內的磁場強度和磁感應強度也相應減弱,此時,在變壓器線圈內會產生反極性電壓,即反電動勢。

上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例,但對雙極性脈沖輸入同樣有效:在方法上,只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個單極性脈沖分別輸入即可。

開關變壓器分單激式開關變壓器和雙激式開關變壓器,兩種開關變壓器的工作原理和結構并不是完全一樣的。單激式開關變壓器的輸入電壓是單極性脈沖,并且還分正反激電壓輸出:而雙激式開關變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖,一般是雙極性脈沖電壓輸出。

另外,為了防止磁飽和,在單激式開關變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開關變壓器的鐵芯磁感應強度變化范圍相對來說比較大,一般不容易出現磁飽和現象,因此,一般都不用留氣單激式開關變壓器還分正激式和反激式兩種,對兩種開關變壓器的技術參數要求也不一樣:對正激式開關變壓器的初級電感量要求比較大,而對反激式開關變壓器初級電感量的要求,其大小還與輸出功率有關。

雙激式開關變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大,而單激式開關變壓器鐵芯的磁滯損耗比較小。這些參數基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關。

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