3  工业导轨式直流电源的基本调节原理

    除了机械结构的设计和各种电连接方式之外，工业直流电源对控制调节的方法也是至关重要的。

    一般工业直流电源分为非稳压电源和稳压电源。

图1  工业直流电源分类

     (1)  非稳压直流电源

    对于一个非工业稳压直流电源来讲，其电路非常简单，交流输入电压经过一个50Hz的变压器降压后，进行桥式整流，再经过滤波电容进行滤波，然后产生输出的直流电压。

图2  非稳压电源的电路图

    由于这种电源采用了较少的部件，相对简单的电路具有比较长的使用寿命及80%左右的效率优势。而且价格非常便宜， 但是由于电源无稳压功能，当输入电压波动或者输出负载发生波动的情况下输出电压也会产生相应的波动。同时，无输出保持时间，即输入电压和输出电压无延迟时间。一般非稳压电源用于不需要恒定电压输出的电动机械负载，例如接触器、电磁开关等。

    (2)  直流稳压电源

    稳压装置目前有2种解决的方法，一方面是已被广泛使用的线性稳压电源，另一方面开关稳压电源，随着电力电子技术的不断发展使越来越多场合采用了开关稳压电源。

    (3)  线性稳压电源

    线性稳压电源中，交流输入电压通过一个50Hz的变压器进行变压，然后进行桥式整流，并通过滤波电容进行滤波，这部分与非稳压电源是非常类似的。

    经过滤波后，稳压回路由一个功率三极管构成的稳压回路进行调节，功率三极管相当于一个可变电阻，输出电压的高低与这个“可变电阻”的比值成反比，这样通过改变三极管的阻抗特征来保持输出电压保持不变。

图3  线性调节直流电源的原理图

    根据电路结构，这类电路的效率大约在40%～60%之间。功率耗损主要发生在50Hz变压器、滤波器、晶体管和闭环控制电路中。输入电源的变化范围很小，但是可以达到很小的纹波系数，对环境污染较小。对于线性稳压电源来讲，为了提供有用的功率和减少功率的损耗，变压器必须被设计的足够大。这意味着变压器尺寸至少要增大50%。线性稳压电源主要用于需要精确的恒定输出电压，并对谐波分量要求高的场合。

    (4)  开关稳压电源

    在开关稳压电源中，交流输入电压直接进行整流，进行滤波，然后又逆变为交流，这些逆变操作是在频率40kHz～180kHz的功率开关晶体管进行。这时产生的矩形波电压通过一个高频变压器进行变压或降压，开关稳压电源中于线性稳压电压的区别在于开关电源是先整流后变压，稳压电源是先变压后整流的。

图4  开关稳压电源的原理图

    在开关电源中，最关键的技术是直流―直流的转换。这里运用了一个开关晶体管将直流电压进行斩波，然后再进行变压。变压后的交流电压的频率比起线性稳压电源频率要高的多，在线性稳压电源装置中，晶体管被当作一个可变电阻进行工作的，有一定的电阻量，而在开关稳压电源中，晶体管处于开关状态，这时大大的减少了在晶体管上的功损耗，变压器的体积和重量可以被大大减小。高频的交流电压经过滤波回路再次被平滑。输出负载上得到一个直流电压。 输出直流电压的稳压调节由脉宽调制器来实现，即在开关晶体管工作在一个固定频率下，但改变接通时间长短（脉冲的宽度），以保证当负载发生变化时，输出电压保持不变。在一个周期内传输的能量可随占空比ρ变化而定。

    ρ = (t_ON) / (t_ON + t_OFF)

    这里周期时间为(t_ON + t_OFF)，t_ON为开关晶体管接通时间，t_OFF 为开关晶体管关断时间，ρ表示开关晶体管接通时间所占整个周期的比例，可见占空比越大的话，输出电压越高。这周期时间的倒数称为开关频率。

图5  脉冲占空比图

    开关电源的效率一般达到80%～90%以上，最近推入市场的德国普世电源效率达到了95.6%，比线性稳压电源的效率提高了50%以上。因此开关电源中产生的热损失更少，设备变得非常轻巧和紧凑。开关电源采用高频进行变压，可用高频变压器, 这样一来变压器的体积大大减少。电源的功率密度大大提高。较低的热损耗、紧凑的设计以及较宽的输入电压范围使的开关最适合用于分布式的控制柜中。目前在工业自动化领域应用中广泛的使用。

4  工业导轨式开关电源的变换器类型

    对于开关电源来说，可采用不同类型的变换技术。一般来说，必须对单端变换器和推挽式双驱动变换器做出区分。
单端变换器是最简单的开关电源变换方式，主要分为单/双晶体管反激式和单/双晶体管正激式。双驱动变换主要为推挽式。

图6  开关电源变换器类型