功率转换电路

学习数学分析电路需要大量的学习和实践。通常情况下，学生通过做大量的例题并对照课本或老师提供的答案进行练习。虽然这很好，但还有更好的方法。

你会学到更多建立和分析实际电路让你的测试设备来提供“答案”，而不是书本或其他人。对于成功的电路构建练习，遵循以下步骤:

1. 在电路构造之前仔细测量和记录所有元件的值，选择足够高的电阻值，使任何有源元件不太可能受到损坏。
2. 绘制待分析电路的原理图。
3. 在面包板或其他方便的介质上仔细地构造这个电路。
4. 检查电路构造的准确性，沿着每根电线到每一个连接点，并在图上逐个验证这些元件。
5. 对电路进行数学分析，求解所有电压和电流值。
6. 仔细测量所有电压和电流，以验证您分析的准确性。
7. 如果有任何实质性的错误(大于几个百分点)，仔细检查你的电路结构与图表，然后仔细地重新计算值和重新测量。

当学生第一次学习半导体器件时，如果他们的电路连接不当，最有可能损坏半导体器件，我建议他们使用大功率、高瓦数的元件（1N4001整流二极管、to-220或to-3壳功率晶体管等）进行实验，使用干电池电源，而不是台式电源。这降低了部件损坏的可能性。

像往常一样，避免非常高，极低的电阻值，避免仪表“加载”（高端）引起的测量误差，并避免晶体管烧坏（在低端）。我建议在1kΩ和100kΩ之间的电阻器。

节省时间和减少出错可能性的一种方法是，从一个非常简单的电路开始，然后在每次分析后逐步添加组件以增加其复杂性，而不是为每个实践问题构建一个全新的电路。另一种节省时间的技术是在各种不同的电路配置中重复使用相同的组件。这样，您就不必重复度量任何组件的值。

描述一下什么是发电机以及它在电气系统中的用途。

什么是直流-直流转换器电路，这种电路可能用于什么用途?

该电路使用一个8038波形发生器IC(集成电路)来产生一个“锯齿”波形，然后与来自电位器的可变直流电压进行比较:

结果是功率晶体管基极的脉冲波形与锯齿波形的频率相同。通常在这样的电路中，频率至少为几百赫兹。

解释当电位器刮水器移近V点和移近地面时，灯的亮度会发生什么变化。

该电路产生直流电压脉冲，足以使霓虹灯通电，每次开关打开时:

描述这个简单电路的操作原理，以及如何修改它连续高压直流电源。

提示:一个普通的交直流电源电路如何转换脉冲将整流直流转换成相对“平滑”的直流输出?

这里显示的是a的示意图“巴克”转换器电路，一种DC-DC“开关”电源转换电路：

在这个电路中，晶体管要么完全开着，要么完全关着;也就是说，在饱和或截止极限之间驱动。通过避免晶体管的“有源”模式(在这种模式下，晶体管在传导电流的同时会降低大量的电压)，可以实现非常低的晶体管功耗。由于很少以热量的形式浪费能量，“开关”功率转换电路通常非常高效。

在晶体管的两种状态下跟踪所有电流方向。同时，在晶体管的两种状态下标记电感的电压极性。

这里显示的是a的示意图“增强”变换器电路，一种DC-DC“开关”电源转换电路：

在这个电路中，晶体管要么完全开着，要么完全关着;也就是说，在饱和或截止极限之间驱动。通过避免晶体管的“有源”模式(在这种模式下，晶体管在传导电流的同时会降低大量的电压)，可以实现非常低的晶体管功耗。由于很少以热量的形式浪费能量，“开关”功率转换电路通常非常高效。

在晶体管的两种状态下跟踪所有电流方向。同时，在晶体管的两种状态下标记电感的电压极性。

这里显示的原理图是一个“反相”变换器电路，一种DC-DC“开关”电源转换电路:

在这个电路中，晶体管要么完全开着，要么完全关着;也就是说，在饱和或截止极限之间驱动。通过避免晶体管的“有源”模式(在这种模式下，晶体管在传导电流的同时会降低大量的电压)，可以实现非常低的晶体管功耗。由于很少的能量以热量的形式浪费，开关“能量转换电路通常非常高效。

在晶体管的两种状态下跟踪所有电流方向。同时，在晶体管的两种状态下标记电感的电压极性。

这里显示的是a的示意图“Cuk变换器电路，一种DC-DC“开关”电源转换电路：

在这个电路中，晶体管要么完全开着，要么完全关着;也就是说，在饱和或截止极限之间驱动。通过避免晶体管的“有源”模式(在这种模式下，晶体管在传导电流的同时会降低大量的电压)，可以实现非常低的晶体管功耗。由于很少以热量的形式浪费能量，“开关”功率转换电路通常非常高效。

在晶体管的两种状态下跟踪所有电流方向。同时，在晶体管的两种状态下标记两个电感的电压极性。

预测由于以下故障的结果，该降压转换电路的操作将如何受到影响。独立地考虑每个故障（即一次一个，没有多个故障）：

驱动电路在恒定的“低”(0伏)输出信号时发生故障:

驱动电路在恒定的“高”(V)输出信号时发生故障:

二极管失败做空:

电感失败打开：

电容器不做空:

对于每一种情况，请解释为什么将发生产生的效果。

预测该升压变换器电路的运行将如何受到下列故障的影响。独立地考虑每个故障（即一次一个，没有多个故障）：

驱动电路在恒定的“低”(0伏)输出信号时发生故障:

驱动电路在恒定的“高”(V)输出信号时发生故障:

二极管失败做空:

电感失败打开：

电容器不做空:

对于每一种情况，请解释为什么将发生产生的效果。

所谓的线性稳压器的工作原理是通过调节串联电阻或分流电阻，使输出电压保持在输入电压的某个小数值上:

通常，这些可变电阻是由晶体管提供的，而不是实际的变阻器，后者必须手动控制。

解释为什么转换稳压电路可以执行与线性稳压电路相同的任务，而且效率更高。另外，确定哪种类型的开关稳压器电路最适合于将输入电压降低到较小的输出电压的任务。

这里显示的是两种降压电路:它们都能将负载的13.5伏特的电源电压降低到5伏特。

计算平均电源电流(I_供给)用于这两种电路。假设开关电路的晶体管、电感、电容和二极管的功率损耗可以忽略不计。如果13.5伏的电源是一个电化学电池，哪个电池会持续更长的供电相同的负载?

a的输出电压降压变换器电路是输入电压和开关信号占空比的函数，用变量D表示(取值范围为0% ~ 100%)，其中\(D=\frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}\):

根据这个数学关系，假设输入电压为40伏，计算该变换器电路在这些占空比下的输出电压:

d = 0％;V_出＝

d = 25％;V_出＝

D = 50%;V_出＝

D = 75%;V_出＝

d = 100％;V_出＝

a的输出电压升压变换器电路是输入电压和开关信号占空比的函数，用变量D表示(取值范围为0% ~ 100%)，其中D = [(t_在…上) / (t_在…上t_从):

根据这个数学关系，假设输入电压为40伏，计算该变换器电路在这些占空比下的输出电压:

d = 0％;V_出＝

d = 25％;V_出＝

D = 50%;V_出＝

D = 75%;V_出＝

d = 100％;V_出＝

输出电压反相器电路是输入电压的函数和开关信号的占空比，由变量d表示（从0％的值范围为0％至100％），其中\（d = \ frac {t_ {上}} {t_ {ON} + T_ {OFF}} \）：

根据这个数学关系，假设输入电压为40伏，计算该变换器电路在这些占空比下的输出电压:

d = 0％;V_出＝

d = 25％;V_出＝

D = 50%;V_出＝

D = 75%;V_出＝

d = 100％;V_出＝

a的输出电压Cuk变换器电路(以发明它的工程师命名)是输入电压和开关信号占空比的函数，用变量D(取值范围为0%到100%)表示，其中\(D = \frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}\):

基于该数学关系，在这些占空比下计算该转换器电路的输出电压，假设输入电压为25伏：

d = 0％;V_出＝

d = 25％;V_出＝

D = 50%;V_出＝

D = 75%;V_出＝

d = 100％;V_出＝

在给定开关占空比D和输入电压的情况下，各开关变换器电路(无负载)的输出电压为:

$ $ V_{出}= DV_ { } \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ( 巴克\ \转换器\ \电路)$ $

$ $ V_{出}= \压裂{V_{在}}{一维 } \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ( 提高\ \转换器\ \电路)$ $

$ $ V_{出}= \压裂{DV_{在}}{一维 } \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ( 反相\ \或\ \ Cuk \ \转换器\ \电路)$ $

操纵这些方程中的每一个以在输入电压方面解决占空比（D）（V._在)和所需输出电压(V_出）。请记住，占空比始终是0到1之间的数量，包括在内。

许多切换转换器电路使用交换MOSFET代替自由轮二极管，如下所示：

二极管是一种简单的解决方案，用于在主开关晶体管关闭时为电感器提供电流路径。为什么会有人用另一个MOSFET来代替它，特别是如果这意味着驱动电路必须变得更复杂（在不同的时间驱动两个晶体管而不是一个晶体管）来完成相同的任务？

一个“boost”开关转换器工作在90%的效率提供50伏的直流负载。当输入电压为17伏特，输入电流为9.3安培时，计算负载电流。

一个“buck”开关转换器工作在85%的效率提供10安培电流在5伏特的直流负载。如果输入电压为23伏，计算输入电流。

在80％效率下运行的“升压”开关转换器以1AMP为直流负载提供178伏。如果输入电流为11放大器，请计算输入电压。

降压变换器的输出电压是开关晶体管占空比的直接函数。特别是\ (V_{出}= V_{在}(\压裂{t_{}上识别}{t_{总}}识别)\)。下面的PWM控制电路是如何调节降压变换器的输出电压的:

开关转换器电路的能效（η）通常在宽范围的电压转换比率上保持相当恒定。描述如何交换监管机构如果稳压器的负载是恒定的，电路(控制负载电压到预先设定的值)“出现”到电压变化的电源。换句话说，当输入电压改变时，输入电流会怎样?

下面的直流-直流变换器电路称为向前转换器．之所以这样说，是因为从输入到输出的能量转移是在晶体管导电时发生的，而不是在晶体管关闭时。当晶体管打开时，通过跟踪电流通过电路的所有部分来验证电路的这一特性:

现在，晶体管关闭的同时通过电路跟踪电流，并解释该目的重启在变压器中绕组：

虽然简单的“蛮力”交直流电源电路(变压器、整流、滤波器、稳压器)仍在各种电子设备中使用，但另一种形式的电源在设计要求体积小和效率高的系统中更为普遍。这种类型的电源被称为电源开关电源．

解释什么是“开关电源”，并提供一个原理图以供演示和讨论。(提示:大多数电子计算机使用“开关”电源，而不是“蛮力”电源，所以不难找到原理图。)

假设你的一个朋友最近买了一辆越野车。这位朋友还买了一个军用剩余的聚光灯，他认为这将是一个伟大的配件，在夜间越野照明。唯一的问题是，聚光灯的额定电压是24伏，而他车里的电力系统是12伏。

你的朋友让你设计一个解决方案，用他车上的12伏电压为24伏的聚光灯供电。当然，您不允许修改车辆的电气系统(将其改为24伏发电机、电池、启动电机等)，因为它是新的，还在保修期内。你向你的朋友推荐什么?

为这个问题的解决方案绘制组件级示意图。

描述该电路的用途和功能:

由这个电路提供的120伏交流输出是肯定的不是正弦波，电路频率随负载而变化。你能想出任何方法来改善电路的这些方面(你不需要显示你的设计修改的细节)?

电子功率转换电路被称为逆变器通过使用晶体管开关元件周期性地反转直流电压的极性，将直流电压转换为交流电压。通常，逆变器还通过将开关直流电压加到升压变压器的初级绕组上来增加输入功率的电压水平。你可能会认为逆变器的开关电子类似于每秒来回多次的双极双掷开关:雷竞技最新app

第一个商用逆变器产生简单的方波输出:

然而，这给大多数设计用于运行正弦波交流电源的电力变压器带来了问题。当由这种逆变器的方波输出供电时，大多数变压器会饱和这是由于在波形周期的某些点的磁芯中积累了过多的磁通。用最简单的术语来描述这一点，方波具有更大的振幅伏秒积比具有相同峰值振幅和基频的正弦波强。

这个问题可以通过降低方波的峰值电压来避免，但是一些类型的供电设备会因为(最大)电压不足而遇到困难:

解决这一困境的可行方法是对方波的占空比进行修正:

计算该修正方波“开启”的半周期分数，以便在半周期内（从0到π弧度）具有与正弦波相同的伏秒乘积：

提示:这是一个计算各自的问题区域在半周期域的每个波形下面。

DC-AC功率转换器电路的常见拓扑使用一对晶体管通过升压变压器的中心抽头绕组切换直流电流，如下所示：

为了使这种形式的电路正常工作，晶体管的“点火”信号必须精确地同步，以确保两者不会同时打开。下面的原理图显示了产生必要信号的电路:

解释此电路的工作原理，并确定频率控制和脉冲占空比控制电位计的位置。