關于電源，我們知道，從發電廠送到工礦企業和家庭的電壓統一是交流（AC）三相380V/單相220V，但實際上，現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系統是DC24V等等。

因此，電壓變換裝置（學名電源適配器）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

為什么現在的手機充電器又小又輕還不發熱? 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音不標準，但卻非常清晰地講解了手機充電器內部元件組成和工作原理）。

 

▲ 現行某款手機充電器內部構造和原理

需要我們關注的是：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比50Hz高，所以要求的變壓器感抗較小，變壓器線圈匝數變少，其體積就可以做得很小。加上現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集成電路控制開關管（三極管）在1秒內通斷70000次，調制成高頻（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節開關頻率，使得直流輸出電壓保持恒定。

開關電源技術

現在我們明白了為什么現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？這里就要說到開關電源技術。

開關電源（switch mode power supply，簡稱SMPS），顧名思義，有開關動作，它利用變占空比或變頻的方法實現不同的電壓。實際上，變壓器次級輸出是一個近似方波信號，調節方波的占空比就可以調節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芯片就是負責輸出高頻脈沖至開關管（三極管）的集成電路。眾所周知，PWM是一種節能技術。

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

開關電源銘牌

如圖5所示，型號NES-350-24中的數字，350代表此開關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 數控系統常用開關電源

值得注意的是，該開關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，使用時務必選擇（切換）正確的電壓輸入，否則將損壞開關電源。

開關電源電氣符號

開關電源的電氣圖形應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），通常將規格（如DC24V，150W）標注其上。

 

圖6 開關電源電氣圖形及文字符號

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