直流穩(wěn)壓電源輸入整流橋和濾波電容的計(jì)算與選取
2017-7-5 10:03:54??????點(diǎn)擊：
1 輸入直流穩(wěn)壓電源整流橋的選擇
1)直流穩(wěn)壓電源整流橋的導(dǎo)通時(shí)間與選通特性
50Hz交流直流穩(wěn)壓電源電壓經(jīng)過(guò)全波直流穩(wěn)壓電源整流后變成脈動(dòng)直流直流穩(wěn)壓電源電壓u1，再通過(guò)輸入濾波電容得到直流高壓U1。在理想情況下，直流穩(wěn)壓電源整流橋的導(dǎo)通角本應(yīng)為180°(導(dǎo)通范圍是從0°～180°)，但由于濾波電容器C的作用，僅在接近交流峰值直流穩(wěn)壓電源電壓處的很短時(shí)間內(nèi)，才有輸入直流穩(wěn)壓電源電流流經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電源整流橋?qū)充電。50Hz交流電的半周期為10ms，直流穩(wěn)壓電源整流橋的導(dǎo)通時(shí)間tC≈3ms，其導(dǎo)通角僅為54°(導(dǎo)通范圍是36°～90°)。因此，直流穩(wěn)壓電源整流橋?qū)嶋H通過(guò)的是窄脈沖直流穩(wěn)壓電源電流。橋式直流穩(wěn)壓電源整流濾波直流穩(wěn)壓電源電路的原理如圖1(a)所示，直流穩(wěn)壓電源整流濾波直流穩(wěn)壓電源電壓及直流穩(wěn)壓電源整流直流穩(wěn)壓電源電流的波形分別如圖l(b)和(c)所示。
總結(jié)幾點(diǎn)：
(1)直流穩(wěn)壓電源整流橋的上述特性可等效成對(duì)應(yīng)于輸入直流穩(wěn)壓電源電壓頻率的占空比大約為30％。
(2)直流穩(wěn)壓電源整流二極管的一次導(dǎo)通過(guò)程，可視為一個(gè)“選通脈沖”，其脈沖重復(fù)頻率就等于交流電網(wǎng)的頻率(50Hz)。
(3)為降低開(kāi)關(guān)電源中500kHz以下的傳導(dǎo)噪聲，有時(shí)用兩只普通硅直流穩(wěn)壓電源整流管(例如1N4007)與兩只快恢復(fù)二極管(如FR106)組成直流穩(wěn)壓電源整流橋，F(xiàn)Rl06的反向恢復(fù)時(shí)間trr≈250ns。
2)直流穩(wěn)壓電源整流橋的參數(shù)選擇
隔離式開(kāi)關(guān)電源一般采用由直流穩(wěn)壓電源整流管構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電源整流橋，亦可直接選用成品直流穩(wěn)壓電源整流橋，完成橋式直流穩(wěn)壓電源整流。全波橋式直流穩(wěn)壓電源整流器簡(jiǎn)稱硅直流穩(wěn)壓電源整流橋，它是將四只硅直流穩(wěn)壓電源整流管接成橋路形式，再用塑料封裝而成的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、使用方便、各直流穩(wěn)壓電源整流管的參數(shù)一致性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于開(kāi)關(guān)電源的直流穩(wěn)壓電源整流直流穩(wěn)壓電源電路。硅直流穩(wěn)壓電源整流橋有4個(gè)引出端，其中交流輸入端、直流輸出端各兩個(gè)。
硅直流穩(wěn)壓電源整流橋的最大直流穩(wěn)壓電源整流直流穩(wěn)壓電源電流平均值分0．5～40A等多種規(guī)格，最高反向工作直流穩(wěn)壓電源電壓有50～1000V等多種規(guī)格。小功率硅直流穩(wěn)壓電源整流橋可直接焊在印刷板上，大、中功率硅直流穩(wěn)壓電源整流橋則要用螺釘固定，并且需安裝合適的散熱器。
直流穩(wěn)壓電源整流橋的主要參數(shù)有反向峰值直流穩(wěn)壓電源電壓URM(V)，正向壓降UF(V)，平均直流穩(wěn)壓電源整流直流穩(wěn)壓電源電流Id(A)，正向峰值浪涌直流穩(wěn)壓電源電流IFSM(A)，最大反向漏直流穩(wěn)壓電源電流IR(μA)。直流穩(wěn)壓電源整流橋的反向擊穿直流穩(wěn)壓電源電壓URR應(yīng)滿足下式要求：
舉例說(shuō)明，當(dāng)交流輸入直流穩(wěn)壓電源電壓范圍是85～132V時(shí)，umax=132V，由式(1)計(jì)算出UBR=233．3V，可選耐壓400V的成品直流穩(wěn)壓電源整流橋。對(duì)于寬范圍輸入交流直流穩(wěn)壓電源電壓，umax=265V，同理求得UBR=468．4V，應(yīng)選耐壓600V的成品直流穩(wěn)壓電源整流橋。需要指出，假如用4只硅直流穩(wěn)壓電源整流管來(lái)構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源整流橋，直流穩(wěn)壓電源整流管的耐壓值還應(yīng)進(jìn)一步提高。辟如可選1N4007(1A／1000V)、1N5408(3A／1000V)型塑封直流穩(wěn)壓電源整流管。這是因?yàn)榇祟惞茏拥膬r(jià)格低廉，且按照耐壓值“寧高勿低”的原則，能提高直流穩(wěn)壓電源整流橋的安全性與可靠性。
設(shè)輸入有效值直流穩(wěn)壓電源電流為IRMS，直流穩(wěn)壓電源整流橋額定的有效值直流穩(wěn)壓電源電流為IBR，應(yīng)當(dāng)使IBR≥2IRMS。計(jì)算IRMS的公式如下：
式中，PO為開(kāi)關(guān)電源的輸出功率，η為電源效率，umin為交流輸入直流穩(wěn)壓電源電壓的最小值，cosφ為開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，允許cosφ=0．5～0．7。由于直流穩(wěn)壓電源整流橋?qū)嶋H通過(guò)的不是正弦波直流穩(wěn)壓電源電流，而是窄脈沖直流穩(wěn)壓電源電流(參見(jiàn)圖1)，因此直流穩(wěn)壓電源整流橋的平均直流穩(wěn)壓電源整流直流穩(wěn)壓電源電流Id
例如，設(shè)計(jì)一個(gè)7．5V／2A(15W)開(kāi)關(guān)電源，交流輸入直流穩(wěn)壓電源電壓范圍是85～265V，要求η=80％。將Po=15W、η=80％、umin=85V、cosψ=0．7一并代入(2)式得到，IRMS=0．32A，進(jìn)而求出Id=0．65×IRMS=0．21A。實(shí)際選用1A／600V的直流穩(wěn)壓電源整流橋，以留出一定余量。
2 輸入濾波電容器的選擇
1)輸入濾波電容器容量的選擇
為降低直流穩(wěn)壓電源整流濾波器的輸出紋波，輸入濾波電容器的容量CI必須選的合適。令每單位輸出功率(W)所需輸入濾波電容器容量(μF)的比例系數(shù)為k，當(dāng)交流直流穩(wěn)壓電源電壓u=85～265V時(shí)，應(yīng)取k=(2～3)μF／W；當(dāng)交流直流穩(wěn)壓電源電壓u=230V(1±15％)時(shí)，應(yīng)取k=1μF／W。輸入濾波電容器容量的選擇方法詳見(jiàn)附表1，Po為開(kāi)關(guān)電源的輸出功率。
表1輸入濾波電容器容置的選擇方法
|
u/V |
UV |
P〇/W |
峰 F/W) |
C./HF |
|
110(1 ±15%) |
>90 |
2?3 |
(2 ?3> |
>(2?3爐〇值 |
|
85-265 |
>90 |
2-3 |
(2-3) |
>(2~3)P。值 |
|
230(1 ±15%) |
>240 |
1 |
1 |
>pOm |
2)準(zhǔn)確計(jì)算輸入濾波電容器容量的方法輸入濾波電容的容量是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要參數(shù)。CI值選得過(guò)低，會(huì)使UImin值大大降低，而輸入脈動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電壓UR卻升高。但CI值取得過(guò)高，會(huì)增加電容器成本，而且對(duì)于提高UImin值和降低脈動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電壓的效果并不明顯。下面介紹計(jì)算CI準(zhǔn)確值的方法。
設(shè)交流直流穩(wěn)壓電源電壓u的最小值為umin。u經(jīng)過(guò)橋式直流穩(wěn)壓電源整流和CI濾波，在u=umin情況下的輸入直流穩(wěn)壓電源電壓波形如圖2所示。該圖是在Po=POM，f=50Hz、直流穩(wěn)壓電源整流橋的導(dǎo)通時(shí)間tC=3ms、η=80％的情況下繪出的。由圖可見(jiàn)，在直流高壓的最小值UImin上還疊加一個(gè)幅度為UR的一次側(cè)脈動(dòng)直流穩(wěn)壓電源電壓，這是CI在充放電過(guò)程中形成的。欲獲得CI的準(zhǔn)確值，可按下式進(jìn)行計(jì)算：
舉例說(shuō)明，在寬范圍直流穩(wěn)壓電源電壓輸入時(shí)，umin=85V。取UImin=90V，f=50Hz，tC=3ms，假定Po=30W，η=80％，一并帶入(3)式中求出CI=84．2μF，比例系數(shù)CI／PO=84．2μF／30W=2．8μF／W，這恰好在(2～3)μF／W允許的范圍之內(nèi)。
開(kāi)關(guān)電源決定一次側(cè)濾波電容，主要影響電源的性能參數(shù)為輸出低頻交流紋波與保持時(shí)間. 濾波電容越大，電容器上的Vin(min)越高，可以輸出較大功率的電源，但相對(duì)價(jià)格也提高了。
輸入電解電容計(jì)算方法(舉例說(shuō)明)：
1.因輸出直流穩(wěn)壓電源電壓12V 輸出直流穩(wěn)壓電源電流2A, 故輸出功率：Pout=Vo*Io=12.0V*2A=24W。
2.設(shè)定變壓器的轉(zhuǎn)換效率約為80%，則輸出功率為24W的電源其輸入功率：Pin=Pout/效率= 24W/80%=30W.
3.因輸入最小交流直流穩(wěn)壓電源電壓為90VAC，則其直流輸出直流穩(wěn)壓電源電壓為： Vin=90* √2=127Vdc
故負(fù)載直流直流穩(wěn)壓電源電流為：I=Pin/Vin=30W/127VDC=0.236A
(若電源的等級(jí)要求較高時(shí), 可考慮如下參數(shù)進(jìn)行推算; 因輸入最小交流直流穩(wěn)壓電源電壓為90VAC，則其最低輸出直流直流穩(wěn)壓電源電壓為： Vin(min)=90*√2 -30(直流紋波直流穩(wěn)壓電源電壓)=97Vdc，故最大負(fù)載直流直流穩(wěn)壓電源電流為：
IMAX=Pin/Vin（min）=30W/97VAC=0.309A
4.設(shè)計(jì)允許30VPP的直流紋波直流穩(wěn)壓電源電壓 ，并且電容要維持直流穩(wěn)壓電源電壓的時(shí)間為半周期t（即半周期的工頻率交流直流穩(wěn)壓電源電壓在約是8ms，T=1/f=1/60=0.0167S=16.7 ms）則：
C=I*t/V=(0.236*8*10^3)/30≈62uF.
62uF在常用電容47-82uF之間，因考慮成本問(wèn)題。
故實(shí)際選擇電容量47uF.
5.因最大輸入交流直流穩(wěn)壓電源電壓為264Vac，則最高直流直流穩(wěn)壓電源電壓為:V=264*√2=373VDC.
實(shí)際選用通用型耐壓400Vdc的電解電容,此直流穩(wěn)壓電源電壓等級(jí),電容有95%的裕度.
6.電容器的承受的紋波直流穩(wěn)壓電源電流值決定電容器的溫升,進(jìn)而決定電容器的壽命.(電容器的最大紋波直流穩(wěn)壓電源電流值與其體積,材質(zhì)有關(guān).體積越大散熱越好耐受紋波直流穩(wěn)壓電源電流值越高)故在選用電容器要考慮實(shí)際紋波直流穩(wěn)壓電源電流值＜電容器的最大紋波直流穩(wěn)壓電源電流值.
7.開(kāi)關(guān)源元器件溫升一般較高,通常選用105℃電容器,在特殊情況無(wú)法克服溫升時(shí)可選用125℃電容器.
故選用47uF,400v, 105℃電解電容器可以滿足要求(在實(shí)際使用時(shí)還考慮安裝機(jī)構(gòu)尺寸,體種大小,散熱環(huán)境好壞等)
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