能够提供稳定电压与稳定频率的电源统称为交流稳压电源。当前国内多数厂商的产品主要聚焦于交流电压的稳定。以下结合市场常见的交流稳压电源,简述其分类与特点。
一、交流稳压电源的分类及其特点
1. 参数调整(谐振)型:此类稳压电源的基本稳压原理是利用 LC 串联谐振特性。早期出现的磁饱和型稳压器即属此类。其优点是电路结构简单、元器件数量少、可靠性较高、稳压范围宽,且抗干扰与抗过载能力强;缺点是能耗大、噪声大、体积笨重且造价较高。在磁饱和原理基础上发展演变而来的参数稳压器,以及我国 50 年代流行的“磁放大器调整型电子交流稳压器”(即 614 型),均采用上述原理。
2. 自耦(变比)调整型:(1) 机械调压型:由伺服电机带动炭刷在自耦变压器绕组滑动面上移动,通过改变输出与输入电压之比(Vo/Vi)实现输出电压的调整与稳定。该类型稳压器功率范围为数百瓦至数千瓦,具有结构简单、造价低、输出波形失真小的优点;但炭刷滑动接点易产生电火花,导致电刷损坏乃至烧毁失效,且电压调整速度较慢。(2) 改变抽头型:将自耦变压器做成多个固定抽头,通过继电器或可控硅(固态继电器)作为切换开关,依据输入电压自动改变抽头位置,从而实现输出电压稳定。该类型优点是电路简单、稳压范围宽(约 130 V~280 V)、效率高(不低于 95%)、价格低;缺点为稳压精度较低(±8%~±10%)且工作寿命短,适用于为家用空调等负载供电。
3. 大功率补偿型——净化型稳压器(含精密型稳压器):通过补偿环节实现输出电压的稳定,易于实现微机控制。优点是抗干扰性能好、稳压精度高(优于 ±1%)、响应速度快(40 ms~60 ms)、电路简单、工作可靠;缺点是带计算机、程控交换机等非线性负载时可能出现低频振荡,输入侧电流失真度较大、源功率因数偏低,且输出电压相对输入电压存在相移。对于抗干扰要求较高的单位,宜在城市电网环境中应用;为计算机供电时,稳压器容量应按计算机总功率的约 2~3 倍选取。凭借稳压、抗干扰、响应快、价格适中等优点,该类型应用最为广泛。
4. 开关型交流稳压电源:采用高频脉宽调制技术,与一般开关电源的区别在于其输出必须是与输入侧同频率、同相位的交流电压。输出电压波形有准方波、梯形波、正弦波等多种。市场上不间断电源(UPS)若去除其蓄电池与充电器,即相当于一台开关型交流稳压电源。此类电源稳压性能好、控制功能强、易于智能化,具有较好的发展前景;但由于电路复杂、价格较高,推广进程相对缓慢。
二、直流稳定电源的种类及选用
直流稳定电源习惯上可分为化学电源、线性稳定电源与开关型稳定电源三大类。
1. 化学电源:日常使用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢及锂离子电池等均属此类,各有其优缺点。随着技术发展,出现了智能化电池;在充电电池材料研究方面,国外研究者发现锰的一种碘化物可用于制造价格低廉、体积小巧、放电时间长,且多次充电后仍能保持良好性能的环保型充电电池。
2. 线性稳定电源:其功率器件调整管工作在线性区,依靠调整管两端的电压降稳定输出。由于调整管静态损耗较大,需配置较大散热器;同时变压器工作于工频(50 Hz),故整体质量较大。该类电源优点是稳定性高、纹波小、可靠性高,易于做成多路输出且输出连续可调的成品;缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。按输出性质可分为稳压电源、稳流电源及兼具稳压稳流功能的双稳电源;按输出值调节方式可分为定点输出、波段开关调整式与电位器连续可调式;按输出指示形式可分为指针指示型与数字显示型等。
3. 开关型直流稳压电源:与线性电源不同,开关型电源的变压器不工作在工频,而工作在数十千赫兹至数兆赫兹的高频;其功率开关管工作在饱和与截止状态(即开关状态),开关电源由此得名。主要电路型式有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式与全桥式。其优点是体积小、重量轻、稳定可靠;相对线性电源而言纹波较大(一般不大于输出电压峰峰值的 1%,较优产品可做到数十 mV 级或更小)。功率范围从数瓦至数千瓦不等,按应用习惯又可分为以下几类:
① AC/DC 电源:亦称一次电源,取自电网电能,经高压整流滤波得到直流高压,再经 DC/DC 变换器在输出端获得一个或多个稳定直流电压,功率从数瓦至数千瓦,规格型号繁多,可按需要选用。通信系统中的一次电源(AC 220 V 输入、DC 48 V 或 24 V 输出)亦属此类。
② DC/DC 电源:在通信系统中亦称二次电源,由一次电源或直流电池组提供直流输入电压,经 DC/DC 变换后在输出端获得一个或多个直流电压。
③ 通信电源:实质上就是 DC/DC 变换器式电源,通常以-48 V 或-24 V 直流供电,并以蓄电池作为 DC 供电的备份,将供电电压变换为电路所需工作电压,分为中央供电、分层供电与单板供电三种方式,其中单板供电可靠性最高。
④ 电台电源:输入 AC 220 V/110 V,输出 DC 13.8 V,输出功率依所供电台功率而定,电流可从数安培到数百安培。为防止市电断电影响电台工作,需配置蓄电池组作备份,故此类电源除输出 13.8 V 直流电压外,还具备对蓄电池充电的自动转换功能。
⑤ 模块电源:随着对电源可靠性、容量体积比要求的不断提高,模块电源凭借工作频率高、体积小、可靠性高、便于安装与组合扩容等优点得到广泛应用。当前国产模块电源因生产工艺尚未达到国际水平,故障率相对较高。尽管 DC/DC 模块电源初始成本较高,但从系统长期运行的整体成本(尤其是系统故障导致的高昂维修成本与商誉损失)考量,选用电源模块仍属经济合理。此外,罗氏变换器(Roche converter)电路以其结构简单、效率高以及输出电流电压纹波接近零的突出优点值得关注。
⑥ 特种电源:如高压小电流电源、大电流电源以及 400 Hz 输入的 AC/DC 电源等,可按特殊需要选用。开关电源价格一般约为每瓦 2~8 元,特殊小功率与大功率电源价格略高,可达每瓦 11~13 元。