电源小百科 | 电源是如何工作的？

『电源小百科』系列 - 视频讲解

电源是如何工作的？

电源是一切电子系统或机械设备的“心脏”。在本文中，我们将从基础知识层面出发，讲解电源的工作原理。此外，您还将详细了解交流/直流转换器（AC/DC电源）和直流/直流转换器（DC/DC转换器）的区别。

交流/直流转换器是怎样工作的？

当今的大多数电子设备和系统都需要稳定的直流电压。然而，市电是基于交流电压的。电源是将输入端提供的交流市电转换为输出端所需直流电的设备。这也正是电源被称为转换器或变压器的原因。

常用的直流电压（例如 5Vdc、12Vdc、24Vdc、48Vdc）低于来自电网的交流电压，后者通常在 AC 100V 至 240V。交流电压往往因用户所在的具地区不同而有所不同。例如，在美国、日本等地区，标准的交流电压是AC 100-120V / 60Hz，在欧洲、中国等地区，标准的交流电压则是AC 200-240V / 50Hz。

因此，交流/直流转换器的主要任务是将危险的高交流电压转换为设备或系统所需的较低且安全的直流电压。

逐步实现交直流电压转换

仔细观察下图中的交流电波形图，我们会看到一条正弦波。这说明交流电的电压极性会不断改变。在该图中，频率以赫兹 (Hz) 为单位表示。频率为 50Hz 则意味着电压极性每秒改变 50 次。

交流电压的正弦曲线

在第一步转换中，变压器的主要任务是将高交流电压转换为较低的交流电压。变压器还能够确保电流隔离，这是安全的保障。初级回路（例如，危险的230V市电电压）和次级回路（例如，安全的24V电压）将在此分离。

第一步：高交流电压 (100-240V) 被转换为较低的交流电压

由于大多数设备在输入端都需要直流电压，因此下一步必须对交流电压进行整流。该过程的结果显示在直流电图中。在整流过程之后，可以看到，最初不断改变极性的交流正弦波波形变成了仅有正极性的直流波形。这是通过桥式整流器实现的。

第二步：经过整流的直流电压的曲线

如何在输出端获得稳定的直流电压？

要得到稳定的直流电供应，仅靠整流过程是不够的。我们还需要对脉冲直流曲线进行平滑整流，该过程由电源中的输出电容器完成。电容器可以非常快速地存储能量，并在 2 个脉冲之间填补供电。这就能够实现将下降的电压值补偿到一定量并使曲线平滑，于是，我们在输出端获得一个如下图所示的稳定的直流电压，以此为负载供电。这里的"负载"，是指需要对其供应能量的设备、系统或机器。

第三步：经过平滑处理的直流电压的曲线

至此，我们浅显地解释了交流/直流转换器的基本工作原理。但是，如果电源输入端是直流电压，情况会怎样？

什么是直流/直流转换器？

"直流/直流转换器"是一个广义通用术语。它包括不胜枚举的各类组件和设备，从小型板载转换器到自成一体的标准工业设备比比皆是。以下解释适用于后一类别，因为这是普尔世专门从事的一类产品。

01. 对直流电压进行升压或降压

工业直流/直流转换器可以胜任多项任务。其一就是将现有的直流电压转换为较低或较高的直流电压，例如将 12 Vdc 升压至 24 Vdc，或将 48 Vdc 降压至 24 Vdc。

02. 对直流电压进行恢复/补偿

当输出端与输入端的直流电压相同的情况下，直流/直流转换器用于恢复直流电压。尤其是在电缆布线距离较长的应用中，这会是必要之举，因为长电缆上发生的电压跌落常常会被低估。

03. 偏远地区应用和车载应用

此外，当储能元件（例如储能电池或太阳能电池板）提供直流电压时，必须使用直流/直流转换器。因此，直流/直流转换器常应用于偏远地区，或者应用于火车和其他具有自身车载电气系统的车辆上。

04. 电源质量不稳定的地区

许多工厂在内部使用 200-300 V 直流电源，在电源质量非常不稳定的国家或地区（例如印度、马来西亚等）尤其如此。例如，在半导体行业，整个工厂都采用直流供电。如果发生电源故障，将由大型电池接管供电，以避免整批产品受到严重影响。因此，许多工业型交流/直流转换器也可以在输入端采用高直流电压的情况下工作（例如 DC 110-150 V，甚至高达 DC 300 V）。

工业型直流/直流转换器的基本功能

直流/直流转换器是怎样工作的？

工业型直流/直流转换器在输入端采用现有直流电压。接下来，与交流/直流转换器一样，变压器可确保电流隔离，并将电压升高或降低至所需的输出电压。电流隔离确保了电源输入级回路和输出级回路的隔离。这对于断开接地回路和确保所有必要的安全措施非常重要。

之后，电压再次变得平滑。在输出端，设备提供电流隔离的稳定直流电压，并具有更高、更低或恢复的电压水平。

电源的类型

交流/直流转换器

用于交流/直流转换的设备，将交流电压转换为直流电压，通常我们称之为AC/DC电源。AC/DC电源有两种类型：非稳压型和稳压型。稳压电源还可分为线性电源和开关模式电源（简称：开关电源）。

直流/直流转换器

直流/直流转换器（DC/DC转换器）可用于将直流电压转换为更高或更低的直流电压，或者用于在长电缆末端恢复直流电压。

本文从基本层面解释了电源是如何作为转换器工作的。但是，不同类型的电源往往以不同的技术为基础。

例如，现代的开关电源的技术更为复杂，除了实际的电压转换过程之外还提供诸多附加功能。

在接下来的『电源小百科』系列文章中，我们将对该话题加以详细探讨。