開關電源的正激與反激

之前模擬過開關電源的電路

在一次側的地方通過變壓器的電流是一開一關來產生磁通量的變化

當一次側電流通路時

二次側會因為電磁感應產生一個相同方向的感應電動勢

這時變壓器的功能就像是傳統線性變壓一樣

因此感應出來的電壓受頻率影響較小

主要還是線圈數的比例來控制(頻率還是有影響的喔)

因此電壓較穩定

通常會在二次側加上一組電感來對電容充電

這樣在一次側斷電時還可以持續有電流出輸出

我們連接一次側的導通時的電壓變化

就會發現起伏的幅度不大(示波器為10倍探針，以下皆是)

但如果在一次側斷電時

二次側會比較像是一個電感的狀態

因為一次側瞬間的電流消失

使得二次側釋放(不是感應)出電動勢

這個電動勢的電壓就會很高，變化幅度較大

示波器也同樣顯現出這樣的結果

因此如果用反激式，其實變壓器是可以直接就換成一個電感就好

實際上一般的行動電源從3.7V升壓到5V就是這麼做的

我手邊沒有合適的電感

用防EMI的鐵芯隨便繞了一個

感值實測約0.1mH

將變壓器換成電感

出來的效果幾乎和變壓器一樣

但因為繞得很爛，感值會飄

所以調整頻率也沒有辦法改變太多電壓

但意思到了~~

那開關電源為什麼不這麼作？

主要原因還是安全問題

用變壓器可以隔離高低壓端

讓使用的時候不會有感電的危險

安全還是最重要的~~

NTC能阻止多少電流？

上一篇說到NTC的工作原理與用途

留下了兩個問題

1.為什麼白熾燈泡開機時會有瞬間大電流？

2.為什麼示波器在沒有串NTC時看到的波形卻又是穩定的，不是有瞬間大電流嗎？

第一題其實是在喇賽，我想很多理化老師基本上連回答的意願都沒有...

可以參考這篇的教學紀錄

那既然白熾燈泡也會有開機大電流

怎麼偵測呢？

這要從示波器的設計開始說起了

示波器基本上就是一台讀取速度極快的伏特計

並且將電壓變化直接轉換成圖形

雖然白熾燈泡因為冷鎢絲的低電阻產生大電流

但基本上還是比電線的電阻要大上許多

所以還是會吃掉全部的電壓

示波器上就會是穩定極大值160V左右的正弦波

(為什麼不是115V？請看這篇)

若要看出電流的變化就要先將主電流分流

分流的原理可以看這篇

分流的目的是因為電錶需要電流

因此若通過的電流越大，並聯的分流電阻就越小

這個分流電阻需要承受功率，阻值又小

實在不好找

加上示波器只能測量電壓

因此決定用取樣的方法來處理

甚麼叫做取樣？

簡單來說就是在電路中串聯一段小電阻(通常都在1歐以下，避免影響原電器功率)

如果通過的電流越大，小電阻兩端的電位差也會越大

我們用這個電位差就能換算出電路中的實際電流了

這顆電阻從功能上來說就叫做取樣電阻

我用了兩個1歐2W的電阻並聯

實測電阻約0.7歐

    

在電阻兩端接上示波器和電錶

測量瞬間的電壓變化和穩定時的電位差

結果如下

100W燈泡沒有接NTC

    

100W燈泡接NTC

250W燈泡沒有接NTC

250W燈泡接NTC

實測100W燈泡的功率和電流電壓

實測250W燈泡的功率和電流電壓

數據都有了，再來就是分析了

100W的燈泡電流約0.84A

取樣電阻0.7歐，兩端電壓0.633V

換算電流約0.9A

250W的燈泡電流約2.06A

取樣電阻0.7歐，兩端電壓1.556V

換算電流約2.22A

若反過來從電壓電流來換算取樣電阻的大小

100W換算出來約0.75歐

250W換算出來約0.76歐

這樣的結果表示取樣電阻的測量是有準確度的

但因為我無法精準量到取樣電阻的大小(電表精準度只有0.1歐)

因此換算出來感覺上有落差

這不是實驗裝置的問題

而是電表歐姆檔準確度的問題

實驗裝置是可信的

以下我們就將取樣電阻用0.755歐來換算

再來看看100W的瞬間開機電壓衝到8.05V

也就是瞬間電流有10.7A

加上NTC，開機電壓降到5.03V

電流降到約6.7A，降幅約37%

250W開機電壓有17.92V

開機電流約23.7A

加上NTC電壓降到11.27V

電流降至約14.9A，降幅約37%

兩者的降幅幾乎是一樣的

看到這種實驗結果真的是讓人起雞皮疙瘩啊~~

NTC是甚麼？

大部分的電阻，高溫的時候阻值都會增加

我們稱為正溫度係數(PTC，Positive Temperature Coefficient)

相對的，有些電阻溫度增加反而電阻會下降

就稱作負溫度係數(NTC，Negative Temperature Coefficient)

PTC的功能可以理解

溫度增加電阻上升，當電阻高到一定程度就會切斷主電路

溫度降回來的時候又可以接通電路

通常都當作自恢復保險絲

那NTC要幹嘛？

其實NTC的功能比PTC要更多

一方面可以做出更多阻值變化

另一方面也比PTC更耐高壓

加上溫度和阻值變化較為線性

因此經常當作溫度的偵測頭

很多高功率的鋰電都看得到他

另外還有一個特別的功能就是防止開機瞬間的大電流

開關電源在開機時因為要對熱地的電容充電

瞬間的開機電流超過百A都算正常

但因為時間極短，通常都在微秒等級

因此電線其實是撐得住的

但許多電子元件就不一定了

因此開關電源在AC進入板子前就會串聯上NTC

一開始NTC溫度低時電阻較大(其實也只有個位數歐姆)

相對就會阻止開機瞬間的大電流

當NTC因為大電流溫度上升時反而電阻下降

就會恢復正常的低電阻通路狀態

非常簡單又有效的設計

(綠色那顆就是NTC)

我們用白熾燈泡來模擬一下這個過程

當我們將100W的燈泡直接過電，再用示波器測量燈泡兩端的電壓

看起來電壓是很穩定的

但如果串接上NTC，開機瞬間燈泡兩端的電壓明顯降低許多

這時通過燈泡的電流相對也會比較小

這就是NTC的功能...

但

為什麼白熾燈泡開機時會有瞬間大電流？

為什麼示波器在沒有串NTC時看到的波形卻又是穩定的，不是有瞬間大電流嗎？

這就等下一篇再來說吧！

電源要乾淨??

這甚麼鬼話？講中文

現在許多電器都是電子電路

電子電路其實需要的是低壓直流電

但我們的市電是110V交流啊~~

所以就需要有整流變壓器了

現在看到的幾乎都是所謂的開關電源

開關電源屬於高頻變壓器

頻率隨便都有數十K

如果是一般電器或許沒什麼差別

但若是用在放大電路或高頻電器上就差很多了~~

這是我作實驗常用的三組電源

這是高功率Buck(降壓)+PWM(脈衝寬頻調整)

這是低功率Buck

這是鋰電Boost(升壓)

最近作調頻實驗發現在數千赫茲的聲音一直感覺有雜訊

但如果用電池(不調壓)或用低功率Buck就還好

用示波器看看就知道原因了~~

這是高功率Buck+PWM的波形，佔空比＜100%

佔空比100%

鋰電Boost，升壓狀態

原電壓(不升壓)

再試試古早的線性電源

這個有高頻脈衝的電源普通實驗沒感覺

但如果經過音訊混合再經過擴大機輸出之後

就不會是原本想要輸出的頻率

而是在這個頻率的高電位處產生了高頻雜訊

聲音聽起來就會很怪(失真)

至於多少頻率會受影響？

就和電源頻率還有輸出的音訊頻率如何疊加有關

這就是為甚麼高級音響的擴大機都堅持要用百年前就有的線性電源的原因之一

高科技一定好嗎？

老傳統老東西在某些地方就會展現出它存在的價值

開關電源模型電路

開關電源已經是現在電源供應器的主流

當然有好有壞，端看用在什麼地方

這個部分以後再說

從原理來講，開關電源和線性電源的差異主要在於

開關電源是用直流電的開和關來產生磁通量變化

線性電源則是用交流電的電流方向改變

因此開關電源在一次側其實有一半的時間是沒有功率的

交流電則是隨時都在提供功率

再者

線性電源是用一次側和二次側的線圈數來控制電壓的變化

因為交流電頻率固定

功率當然就取決於線圈本身可以乘載的功率大小

開關電源則是用開關的頻率和佔空比(開通的時間比率)來控制二次側的電壓

輸出功率不會是線圈負完全責任

所以線圈本身體積就可以小很多

雖然開關電源已經是主流

但電路原理很多人卻完全不了解

因為光是這個主題應該就可以開一門一學年的課

學問很深的啊~~

簡單來說

開關電源的「開和關」，動輒數十K的頻率

當然不會是機械式開關

而是利用電子頻率調整器或PWM來控制電晶體的「開和關」

線圈的二次端(輸出端)因為有一半時間沒有功率

所以電路設計也和一般的線性電源不同(橋式整流加濾波)

一般分為正激式和反激式

細節很難說得清楚，以後再另闢主題

可以先參考我的筆記

最後當然要接出電路觀察才是王道

正激式影片

反激式影片

正激式低頻+整流

正激式高頻+整流

反激式低頻+整流

反激式高頻+整流