關(guān)于電源，我們知道，從發(fā)電廠送到工礦企業(yè)和家庭的電壓統(tǒng)一是交流（AC）三相380V/單相220V，但實際上，現(xiàn)在很多用電器的電源采用直流（DC）安全低電壓（36V以下），如手機（cell phone）是DC5V，筆記本電腦（laptop PC）是DC19V，CNC系統(tǒng)是DC24V等等。

因此，電壓變換裝置（學(xué)名電源適配器）必不可少。這里我們通俗稱之為直流電源吧！

十多年前的直流電源又大又笨重，是這樣子的：

 
▲ 老式直流電源
現(xiàn)在呢？手機充電器只有1英寸大小，筆記本電腦電源也比早前小了。

 

▲ 新式直流電源

為什么現(xiàn)在的手機充電器又小又輕還不發(fā)熱? 讓我們動手一探究竟吧！

老式直流電源拆解

 

先拆開老式直流電源，如圖1所示，里面主要有變壓器（transformer）、整流二極管橋堆（diode bridge）、濾波電容器（filter capacitor）等元件。

 
圖1 老式直流電源拆解圖

原理也比較簡單，交流輸入（AC input）220V采用鐵芯變壓器降壓（step down）后再由二極管整流、電容濾波處理后輸出所需直流電壓（如6V、9V、12V等）。

▲ 老式直流電源銘牌及其變壓器

這個變壓器比較笨重，因為其工作頻率為不變的50Hz，為使變壓器工作有足夠的感抗，也就意味著體積很大。所以老式充電器的體積主要受變壓器限制，而顯得又大又重（bulky）。

新式直流電源拆解

再拆開新式直流電源，如圖2所示，里面仍然有變壓器、二極管橋堆、濾波電容等元件，只不過多了三極管（transistor）和集成電路芯片（IC）。

 

圖2 新式直流電源拆解圖

戳下面視頻看詳情（雖然這個老師的英語發(fā)音不標(biāo)準(zhǔn)，但卻非常清晰地講解了手機充電器內(nèi)部元件組成和工作原理）。

 

▲ 現(xiàn)行某款手機充電器內(nèi)部構(gòu)造和原理

需要我們關(guān)注的是：新式直流電源采用了高頻變壓器。普通變壓器工作在50Hz，而高頻變壓器的原邊輸入電壓頻率遠(yuǎn)比50Hz高，所以要求的變壓器感抗較小，變壓器線圈匝數(shù)變少，其體積就可以做得很小。加上現(xiàn)在的器件都小型化了，所以電源整體體積就小了，重量也輕了。

電氣工作原理如圖3所示，經(jīng)過：交流輸入→整流成直流→高頻交流→降壓→濾波→直流輸出。

圖3 新式直流電源工作原理圖
具體說來，

1. 交流輸入220V（U_rms）首先通過二極管橋堆被整流成直流，全波整流輸出電壓有效值U_orms=0.9U_rms，即198V，這個電壓對人體來說，是十分危險的高電壓。

2. 該直流電壓由PWM集成電路控制開關(guān)管（三極管）在1秒內(nèi)通斷70000次，調(diào)制成高頻（70kHz）電壓。

3. 高頻電壓流入高頻變壓器初級，次級降壓輸出低電壓交流電（方波形）。

4. 高頻低壓電經(jīng)過濾波，通過USB口輸出直流5V。

5. 由反饋電路至集成電路芯片調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，使得直流輸出電壓保持恒定。

開關(guān)電源技術(shù)

現(xiàn)在我們明白了為什么現(xiàn)行的手機充電器又小又輕便，原來是變壓器輕了。變壓器之所以可以做小，是因為它的輸入是高頻電壓。高頻怎么來的呢？這里就要說到開關(guān)電源技術(shù)。

開關(guān)電源（switch mode power supply，簡稱SMPS），顧名思義，有開關(guān)動作，它利用變占空比或變頻的方法實現(xiàn)不同的電壓。實際上，變壓器次級輸出是一個近似方波信號，調(diào)節(jié)方波的占空比就可以調(diào)節(jié)直流輸出電壓的大小，如圖4所示。

 

圖4 不同占空比得到不同的輸出電壓

圖3中的PWM芯片就是負(fù)責(zé)輸出高頻脈沖至開關(guān)管（三極管）的集成電路。眾所周知，PWM是一種節(jié)能技術(shù)。

相對于開關(guān)電源技術(shù)，以前老式的直流電源采用的是線性電源（linear power supply）技術(shù)，需要一個笨重的變壓器，發(fā)熱量很大，浪費50~65%的能量。

開關(guān)電源銘牌

如圖5所示，型號NES-350-24中的數(shù)字，350代表此開關(guān)電源直流輸出功率為350W，24代表直流輸出（DC OUTPUT）電壓為24V。輸出電流為14.6A（24×14.6=350W）。

 

圖5 數(shù)控系統(tǒng)常用開關(guān)電源

值得注意的是，該開關(guān)電源工作于兩種輸入電壓（AC INPUT）：110V和220V，其工作電流是不同的，使用時務(wù)必選擇（切換）正確的電壓輸入，否則將損壞開關(guān)電源。

開關(guān)電源電氣符號

開關(guān)電源的電氣圖形應(yīng)能反映它是一種將交流電變換為直流電的裝置。如圖6所示，L、N表示交流輸入端，V+、V-表示直流輸出端。文字符號是PSU（power supply unit），通常將規(guī)格（如DC24V，150W）標(biāo)注其上。

 

圖6 開關(guān)電源電氣圖形及文字符號

如今，手機充電器、數(shù)碼相機充電器、臺式電腦主機、CNC系統(tǒng)基本上都采用開關(guān)電源了。相比線性電源，開關(guān)電源有重量輕、體積小、發(fā)熱量小、安全性好、價格也較低等特點，它是一種革命性的技術(shù)。