稳压器
使输出电压稳定的设备
稳压器(Voltage regulator)是一种将不稳定电压输出变为稳定电压输出的电子设备,能够在大电流负载条件下保持输出电压的稳定性。稳压器由调压电路、整流电路、滤波电路、控制电路及伺服电机等组成。稳压器可以控制电路进行取样、比较、放大,通过自动调整线圈匝数比,从而保持输出电压的稳定。
稳压器根据其交直流特性可以分为交流稳压器和直流稳压器,按照其功能也可以分为电子型、自动型等。
二十世纪初,就有铁磁稳压器以及相应的技术文献,电子管问世不久,就有人设计了电子管直流稳压器。
伴随着半导体、人工智能的快速发展,稳压器在电力系统、电子设备中有着广泛的应用。
历史
十九世纪托马斯·爱迪生发明电灯时,就曾考虑过稳压器,到二十世纪初,就有铁磁稳压器以及相应的技术文献,电子管问世不久,就有人设计了电子管直流稳压器。
20世纪40年代后期,电子器件与磁饱和元件相结合,构成了电子控制的磁饱和交流稳压器。
20世纪50年代,晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了直流稳压电源的中心。科研人员对稳压电源技术做了新的总结,使开关电源,可控硅电源得到快速发展,与此同时,集成稳压器也不断发展。
20世纪80年代中期,电子调控的有触点补偿式交流稳压器出现。
20世纪90年代后,通过使用微控制器、IGBT、可控硅(SCR)等器件实现稳压器的开关化和无触点控制进而来提高稳压精度,增大功率,响应时间和效率,同时利用现代信息技术,将通信模块集成到稳压器当中,实现网络化、智能化控制。
进入21世纪之后,可以保证电源装置可精密控制并可靠运行,使用晶闸管等电力半导体器件的无触点稳压器出现,无触点稳压器在电力系统中的工作可靠性不断提高,以及用户对产品认识的不断深入,已经成为业内的研究热门。
主要构造
变压器
变压器的基本原理是利用线圈中的互感作用。当主线圈中通过交流电流时,会在副线圈中产生感应电动势,并随之产生变化的电流。两个线圈通过铁芯进行耦合,使得能量可以传递。
根据变压器的转换比,即主副线圈的匝数比,变压器可以将输入的交流电压进行升压或降压转换。当主线圈的匝数大于副线圈时,可以实现升压转换;当主线圈的匝数小于副线圈时,可以实现降压转换。
变压器参数包括以下方面:初级绕组漏磁出现的漏感、初级绕组除漏磁通外的自感、次级绕组电流电阻、次级绕组漏磁通的漏感等,等效电路中一般对次级参数进行变化,把次级的转换成初级的,发挥的是变压器的阻抗变化功能。针对低频变压器,可以适当忽略漏感的影响,然而如果频率增加,漏感的影响也变大。
变压器的结构具体包括磁芯、线圈及BOBBIN三个部分,其中磁芯是变压器的基础结构,由磁芯构成磁路,发挥决定性的功能与作用,线圈组成电路部分,也是最为基础的部分,包括诸多绕组。一般来说,一个变压器包括不少于二个绕组,且相互之间是绝缘的。
整流器
整流器有将交流转化为直流的作用。它的主要功能是将交流电源的电流流向改为单向流动,消除电流的反向流动,从而得到稳定的DC电源。根据整流器的工作原理,可以将其分为单相整流器、三相整流器,单相整流器使用单相交流电源作为输入,通常由一组二极管组成。这些二极管通过将电流流向只允许通过的方向,将输入交流电转换为直流电。三相整流器:一种利用三相电源进行整流的设备。它通常由一组三相整流桥组成,每个整流桥由3个二极管或可控硅组成。通过合理控制整流桥电路中二极管或可控硅的导通和截止,将输入的三相交流电转换为直流电。
滤波器
滤波器是一种用于滤除电信号中的特定频率成分的电子设备。它将输入信号中的某些频率范围内的成分滤除或衰减,从而实现对信号的滤波和处理。
滤波器的基本构成包括电容、电感、电阻等元件。电容器能够通过对电荷的蓄积和释放来实现滤波作用,电感器则利用电磁感应现象来阻碍或放行特定频率的信号,而电阻则对信号的流动进行阻碍。
稳压电路
稳压电路又叫集成稳压器,是指输入电压或负荷发生变化时,能使输出电压保持不变的集成电路。电压调节器是稳压器的核心部分,可以根据输入电压和反馈信号来控制输出电压的稳定性和精度。现在国际上的集成稳压器已有数百多个品种.常见的有三端固定式集成稳压器、三端可调式集成稳压器、多端可调式集成稳压器和开关式集成稳压器等。
稳压器的基本工作原理是通过对输入电压进行采样和反馈控制,实现对输出电压的稳定调节。一般来说,稳压器由电压调节器和反馈控制电路组成。
反馈控制电路检测输出电压,并将差异信号反馈给电压调节器,以调整输入电压来保持输出电压稳定。反馈控制电路的设计和性能对于稳压器的稳定性和响应速度具有重要作用。
工作原理
稳压器核心原理是电压调节控制,控制输出电压升高或降低。稳压器一般按控制调节方式划分分类。取样电路对稳压器的输出电压进行检测,将输出电压变化按一定比例传送到控制电路。控制电路将取样信号与基准电压进行比较,产生误差调整信号,经整形放大后送到驱动控制,输出电压升高时,产生电压降低控制信号,驱动控制电路通过电压调节控制将输出电压降低。输出电压降低时则相反控制。驱动控制电路是将误差调整信号进行功率放大后,控制电压调节电路,从而使输出电压保持稳定,构成闭环负反馈。输出保护则常采用继电器、接触器、熔断保险等元件,实现开机延时,过流、过压等保护功能。显示电路是将工作、保护等信息通过显示器显示出来,便于监视运行状况。
稳压电源的基本工作原理见下图所示,其基本原理是:U0=Ui+U其中U0表示稳压器输出电压、Ui表示稳压器输入电压、U 表示稳压器的补偿电压,当输入电压增加Δ的时候,补偿电压U也将相应改变ΔU ,并且要满足ΔU=-Δ使得输出电压保持不变。其稳压原理是:控制系统检测到输出电压发生变化时,根据补偿算法控制电机M转动的速度,进而带动补偿变压器TV上的电刷组滑动来改变补偿变压器的极性和次级电感线圈间的电压大小,从而实现输出电压的稳定。
分类
交流稳压器
交流稳压器是一种用来将交流电源的电压稳定在设定值的稳压装置。它可以提供稳定的交流电源,用于供电各种设备和电路。交流稳压器的工作原理与直流稳压器有所不同,交流稳压器使用变压器和电子元件来实现稳定输出电压。交流稳压器可根据需求和特定设计,采用不同的控制策略和技术,如磁控管(Thyristor)控制、晶闸管(SCR)控制、继电器控制等。
电子型
交流电子稳压器结构形式多种多样,总的来说,共有以下四类:(1)电磁稳压器;(2)电动控制稳压器;(3)患联负反馈式稳压器;(4)通过控制继电器切换调压器抽头形式的稳压器。整个电路主要由电流过零检测、采样比较、逻辑控制和可控硅触发器四个部分组成。
自动型
自动交流稳压器由于其可靠性,成本等等原因,一般采用双向可控硅作补偿变压器的一次绕组的开关元件,去掉自藕调压变压器,通过单片机实现实时控制双向可控硅的开关状态,从而控制补偿变压器的补偿与否,以达到稳压目的的一种新型稳压电源。自动型稳压器控制采集电压信号时,需要采样器将连续信号转化为离散信号,自动电压控制保持器将离散控制信号转化为连续信号。
直流稳压器
直流稳压器是一种将交流电压转换成稳定输出的直流电压的装置,需要经过变压、整流、滤波、稳压这四个环节才能完成。因此,直流稳压电源由变压(即电源变压器)、整流电路、滤波电路、以及稳压电路这四个部分组成。由于实际过程中外界环境的多变性,需要再添加一级稳压电路,以保证直流输出电压的稳定输出,设计可以采用集成稳压器。在设计小功率稳压电源时,一般选用三端稳压器。
线性稳压器
线性稳压器利用了由高增益运放控制的有源导通器件,例如BJT或MOSFET。它对内部参考电压和采样输出电压进行比较,然后调节导通器件的电阻将误差降至零,从而保持恒定的输出电压。常用的线性稳压器叫做LDO即Low Dropout Regulator,顾名思义就是低压差线性稳压器。其中低压差表现在输入与输出电压之间的电压差可以实现很低,这在提高电源转化效率方面起到关键作用,线性表现在稳压器的输出量在时域中是连续的。从本质上来看,LDO是属于恒定电源的,在电路正常工作过程中,电路本身可以看成是一个随负载变化而变化的电阻,从而时刻调节分压比例,实现稳定的电压输出。
开关稳压器
开关稳压器是一种常见的电源调节器件,可以将不稳定的输入电压转换为稳定的输出电压。相比于线性稳压器,开关稳压器具有许多优势,包括高效性、较低的功耗、较小的体积和较好的散热性能,开关稳压器的输出电压可以比输入电压高(升压型)、低(降压型)或同时兼具升压和降压功能(升降压型)。其工作原理是通过开关电路进行周期性的开关操作,通过储能和能量转换来实现稳压功能。
常见的DC-DC电源就是开关型稳压器,它的主要工作方式是通过不断地进行开关操作,将输入直流电压与LC滤波器之间的能量按照所需比例输入到滤波器中,经过滤波处理得到所需的电压。这种工作方式的目的是实现对输入和输出的实时监控,并根据反馈环路的采样结果以及电路内部的处理来决定开关功率管的开启和闭合时间,从而完成一次开关动作。
由于外界输入电压和变换器的负载都处于不断变化的状态,因此在进行开关动作时,首先由开关电源的反馈环路对输入和输出进行采样。根据采样结果以及开关电源的拓扑形式,最终确定开关功率管的开启和闭合时间,完成一次开关动作。通过这种实时监控和调整的方式,DC-DC电源能够对输入和输出进行稳定的控制。
DC-DC电源的拓扑形式有很多种,常见的包括降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)等。不同拓扑形式适用于不同的应用场景,可以根据实际需求选择合适的拓扑形式。
性能指标
负载调节率
稳压电源的负载调节率是指在负载变化时,电源输出电压的变化范围。一般来说,电源的负载调节率越小,说明电源在负载变化时输出电压的稳定性越好。负载调节率通常用百分比来表示。
负载调节率受到电源设计、电路稳定性等因素的影响。较好的稳压电源通常具有较小的负载调节率,能够在负载变化时保持输出稳定,不会对负载产生过大的影响。
输出电压的温度系数
输出电压的温度系数(温度 Coefficient of Output 电压)是稳压电源输出电压随温度变化的程度。它衡量了输出电压在不同温度下的稳定性。输出电压的温度系数通常用百分比/摄氏度来表示。例如,一个电源的输出电压温度系数为0.02%/℃,意味着当温度上升1℃时,输出电压会增加或减少0.02%。
温度系数的大小正负取决于电源设计和技术实现。一般来说,较小的温度系数表示电源输出电压对温度变化的响应较小,更稳定。较好的稳压电源通常具有较小的温度系数,可以在不同温度环境下提供稳定的输出电压。
电压调节器的初始精度
电压调节器的初始精度是指在工作的初始阶段,输出电压与设定电压之间的偏差或误差范围。初始精度通常用百分比来表示。比如有些LDO可以做到±0.5%的初始精度,对于一些对电压精度要求较高的应用,如精密仪器、通信设备等,选择具有较小初始精度的电压调节器非常重要。而对于一些一般应用,初始精度较大的电压调节器也可以满足要求。
压差
稳压器的压差是指输入电压和输出电压之间的差值,就是它能够稳定输出的最小可容忍输入电压和输出电压之间的差异。例如,一个LDO稳压器具有1V的输出电压,且具有压差为0.2V。这意味着在满足稳定输出的情况下,该LDO稳压器需要至少3.2V的输入电压。
浪涌电流
浪涌电流(Surge current),是指在电路中出现非常短暂的电流峰值或突变。它通常是由于电源启动、设备开关、过电压等原因引起的瞬时电流增加。浪涌电流可以对电路和电子设备造成损坏或干扰。当电流突然增加时,可能导致过载,使电路元件超过其额定电流能力,导致短路、烧毁等问题,耐浪涌电流也是评估稳压器的重要参数。
绝对最大额定值
稳压器的绝对最大额定值是指稳压器在正常工作条件下能够承受的最大的电压、电流、功率等参数值。超过这些额定值可能导致稳压器的损坏、故障或不可逆转的问题。绝对最大额定值主要包括以下几个重要参数:
瞬态响应
瞬态响应是指在负载或输入电压发生瞬时变化时,稳压器输出电压能够快速、恢复稳定的能力。瞬态响应是评估稳压器性能的重要指标之一。稳压器的瞬态响应与其内部控制回路和输出电压调节电路的性能有关。较好的稳压器通常具有快速响应、小的峰值偏差和超调响应。
当负载或输入电压发生瞬时变化时,稳压器需要迅速调整以稳定输出电压,以保持电路或设备的正常工作。瞬态响应包括负载瞬态和线瞬态响应,主要是由LDO环路的直流增益、单位增益带宽,输出负载电容等多种因素决定的’负载调整率和线性调整率则是衡量瞬态性能的重要参数。
稳压器实例介绍
日本NF电源DP的G系列和K系列稳压器为例,它的主要参数见下表:
带载能力
输出模式: 
输出电压、频率
应用
稳压器在电力系统中,可以通过调节电压的大小,将电网电压维持在一定的范围内,保证电网电压稳定。可以通过调节稳压器的输出电压,即实现调压稳压的目的,从而保证用户设备的电压稳定,避免电压波动对设备的影响。此外,还可以通过控制发电机输出电压的大小和波动范围,调节电力系统中的电压,从而保证电网的稳定。稳压器可以用于输电线路中的损耗补偿,可以通过补偿损耗电压来保证电网电压的稳定。
稳压器在电子设备中也有着广泛的应用,电子设备对电源的要求非常高,一旦电压波动就可能会对设备造成损坏或降低工作效率,甚至影响设备的寿命。稳压器可以通过控制电压大小,保证提供的电源电压始终稳定,从而确保设备正常运行。稳压器可以通过滤波电路降低这些干扰信号的幅度,提高设备的稳定性和可靠性。此外,稳压器还可以通过切换电压来实现电子设备间的电压调节和切换。例如,不同的设备需要不同的电压,稳压器可以通过调整输出电压来适应这些需求。
工业生产线和设备在生产过程中,电力供应的稳定性对生产设备的运行至关重要。稳压器可以保持供电电压的稳定性,避免电网电压波动对工业设备产生影响,保障生产线的正常运行。
许多医疗设备对电力的稳定性要求非常高,如心脏监护仪、呼吸机等。通过稳压器的应用,医疗设备可以获得稳定可靠的电力供应,保障设备的正常运行,提高医疗诊断和治疗的准确性和可靠性,确保患者的安全和健康。
发展趋势
小型化
随着电子设备的小型化、轻量化需求不断增加,稳压器也趋向于小型化。封装技术的进步和器件的集成化可以实现更小体积的稳压器设计,以满足空间有限和体积要求严格的应用场景。
集成化
由于自动控制技术的飞速进步,技术间比较影响进而产生新技术,以及技术协作通过相关的平台,让自动控制设计功能可以得到丰富的发展。除此之外,电气设备集成程度同样在完善,事实上相应的操作经验得到长期的积累,推动了自动控制设计框架更好、更稳定的发展。
智能化
随着新材料、新工艺的不断涌现,稳压器也不断引入新的技术,如利用功率半导体器件的进步、混合集成电路、数字控制技术、无线充电技术等。这些技术的应用可以实现更高效、功能更强大、更智能的稳压器。
稳定化
未来的稳压器,除了能极其快速地自动稳压之外,还能非常有效地隔离和衰减各种电磁干扰。比如,利用超级隔离器(带有三重屏蔽的隔离变压器)的初级绕组有若干抽头,由可控硅零电流开关进行快速自动切换保持稳压,由超级隔离器及其它滤波措施对各种干扰进行衰减。
主要制造商
NF CORPORATION:是一家日本电子设备生产厂家,成立于1959年代初,总部位于日本东京。该公司专注于开发和生产高精度测试和测量设备,以及相关的软件和系统解决方案。其中,稳压器是该公司的主要产品之一。NF CORPORATION的稳压器产品系列主要包括:标准型稳压器、快速型稳压器、精密型稳压器、高分辨率稳压器等。
TDK:是一家日本的电子元器件制造商,旗下生产的电源稳压器,主要用于电子设备的电源保护、电源管理和电源控制。
杭州德力西集团有限公司(DELIXI):1991年06月26日成立于中国,经营范围包括一般经营项目:配电开关控制设备、低压电器、高压电器、高低压成套电气(设备),生产的稳压器主要用于各种电子设备、测量仪表、通讯设备等的电源供应。
正泰电器(CHNT):始创于1984年,是中国的智慧能源系统解决方案提供商,正泰稳压器适用于工业、农业、建筑、交通、楼宇、激光等领域需要稳压的各类场合,可为数控加工设备、激光设备、生产线、电梯、楼宇配电、空调等负载提供电源。
参考资料
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DP-G 系列 / DP 系列 Type K.NF电源稳压器官网.2023-06-19
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NF会社概要.稳压器厂家信息.2023-06-19
TDK交流电源稳压器.新品速递——Genesys+™系列.2023-06-19
发现德力西电气.稳压器系列.2023-06-19
低压电器产品设备.正泰.2023-06-19
目录
概述
历史
主要构造
变压器
整流器
滤波器
稳压电路
工作原理
分类
交流稳压器
电子型
自动型
直流稳压器
线性稳压器
开关稳压器
性能指标
负载调节率
输出电压的温度系数
电压调节器的初始精度
压差
浪涌电流
绝对最大额定值
瞬态响应
稳压器实例介绍
带载能力
输出模式: 
输出电压、频率
应用
发展趋势
小型化
集成化
智能化
稳定化
主要制造商
参考资料