低壓直流供電電路中高壓直流的產(chǎn)生
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時(shí)間：2013-05-31
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以低壓直流作基礎(chǔ)產(chǎn)生較高的直流電壓，常見(jiàn)的方式有3種類(lèi)型：利用電容充電后再墊高負(fù)極電位，即自舉升壓；利用電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電容強(qiáng)制充電；利用振蕩電路將直流變?yōu)榻涣骰蛑绷髅}沖，再通過(guò)倍壓整流產(chǎn)生高壓。
1 利用電容充電后再墊高負(fù)極電位
電容被電源E充電后，其正、負(fù)極之間將維持一定的電壓Uc=U+-U-=E，若負(fù)極電位為零，即U-=0，則正極電位與電容上充的電壓相等，U+=Uc；若充電完畢后，將負(fù)極接到某一電位U0上，盡管此時(shí)電容上的電壓不變，但其正極電位就等于電容上的電壓與負(fù)極所接電位之和，即U+=Uc+U0，從而可以實(shí)現(xiàn)U+>E，即得到高于電源的電壓，有時(shí)將這種升壓方式叫自舉升壓。
(1)黑白電視機(jī)行掃描電路中的倍壓電路
在黑白電視機(jī)中，整機(jī)內(nèi)部采用12 V直流供電，但為了改善行掃描的線(xiàn)性，需要提高行輸出級(jí)上的行偏轉(zhuǎn)使用的電壓，一般是將電源12 V提高到24 V左右加到偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈上，采用的方法如圖1所示：該圖是黑白電視機(jī)的行輸出級(jí)電路，整體看該級(jí)使用的電源為12 V，但工作時(shí)經(jīng)過(guò)電容C0、二極管D0、電感L0組成的升壓電路轉(zhuǎn)換，行輸出管集電極c實(shí)際得到的直流電壓為24 V左右，即行偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈實(shí)際使用的電源為24 V左右，達(dá)到了改善行線(xiàn)性的目的。
(2)OTL功放電路中的自舉升壓
電子線(xiàn)路上常用的OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，如圖2所示。
(3)手機(jī)讀卡電路
在手機(jī)讀卡電路上要用到5 V的電壓，而手機(jī)所用電池早期為4.8 V，現(xiàn)在的手機(jī)均為3.6 V，因電池電壓往往隨所剩電量的多少有所變化，為確保手機(jī)工作穩(wěn)定，不因電池電壓的變化而影響通話(huà)質(zhì)量，電池電壓并未直接供給手機(jī)各部分使用，而是通過(guò)穩(wěn)壓IC變?yōu)?.2 V，2.8 V，3 V等更低的電壓供各部分使用。在這種情況下就需要通過(guò)升壓電路將3 V左右的電壓升為5 V。如圖3(a)所示，是用在愛(ài)立信788手機(jī)上的升壓電路。
2 利用電感的自感電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)制對(duì)電容充電升壓
電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的大小ε=L×di／dt，即電感量大小一定后，自感電動(dòng)勢(shì)的大小只與電感中電流的變化速度有關(guān)，而與電感上原來(lái)施加的電壓無(wú)關(guān)。若電感中注入電流脈沖，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，無(wú)論電感上施加的電壓如何，上面就會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于施加電壓的自感電動(dòng)勢(shì)，然后再對(duì)這一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流，并對(duì)電容充電就會(huì)輸出一較高的直流電壓。
(1)黑白電視機(jī)行掃描電路中的高壓電路
在上述圖1所示的行輸出級(jí)電路中，產(chǎn)生的24 V倍壓直流不僅用于改善行線(xiàn)性，其實(shí)在電視機(jī)中該級(jí)還承擔(dān)著產(chǎn)生10 000 V直流高壓的任務(wù)。該電壓由行輸出變壓器次級(jí)輸出，加到顯像管上形成光柵，其產(chǎn)生過(guò)程為：由于行管的集電極有24 V的倍壓，該電壓同樣也出現(xiàn)在與行管T的c，e極相連的電容Cs上，工作時(shí)行輸出管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，Cs放電，電流經(jīng)Ly，T的c，e極流過(guò)；當(dāng)T截止后，由于Ly中的電流急劇變小，內(nèi)部產(chǎn)生的較大的自感電動(dòng)勢(shì)，促使電流還要繼續(xù)流動(dòng)以釋放電感上的磁能。由于此時(shí)T已截止，故剛剛通過(guò)T流動(dòng)的電流，會(huì)對(duì)逆程電容C1做強(qiáng)制性的充電，最終Ly上的磁能會(huì)轉(zhuǎn)化為C1上的電場(chǎng)能，根據(jù)可知，能量一定后，適當(dāng)選取C1的容量小一點(diǎn)，就可以使電容上的電壓u=Q／C變得較高，即在電容上會(huì)出現(xiàn)較高的脈沖電壓。該電壓以行頻率出現(xiàn)，幅值可達(dá)200 Vpp左右，由于C1與行輸出變壓器Tr的初級(jí)相并聯(lián)，故該脈沖又相當(dāng)于直接加到了Tr的初級(jí)，再經(jīng)Tr次級(jí)升壓可得一萬(wàn)多伏的脈沖，通過(guò)高壓整流二極管整流，即可得到一萬(wàn)多伏的直流電壓。
(2)摩托羅拉手機(jī)讀卡電源電路
如圖4所示，是摩托羅拉V998電源模塊U900的升壓電路。由于該機(jī)供電電池電壓為3.6 V，故內(nèi)部使用的+B約3.6 V，但手機(jī)有些電路需用+5 V的電壓，為此在電源模塊的C5，B6端，要通過(guò)B10端得到5.6 V直流電壓。方法是：+B經(jīng)L901接到U900的B10端，B10端內(nèi)部等效于與地?cái)嗬m(xù)相連的電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)B10端與地相連時(shí)，電源電流流經(jīng)L901入地。顯然，電感L901上施加的電壓為+B，當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，B10內(nèi)的電子開(kāi)關(guān)突然與地?cái)嚅_(kāi)，L901上的電流會(huì)突然變小而產(chǎn)生較強(qiáng)的自感電動(dòng)勢(shì)ε，該電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)樽筘?fù)右正，該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整流管CR901對(duì)電容C934充電，使C934上瞬時(shí)出現(xiàn)峰值接近于自感電動(dòng)勢(shì)的電壓，B10內(nèi)下次與地接通后，電源電流又經(jīng)L901流向B10內(nèi)部，C934上剛才充的電壓由于CP901的存在而將C934與B10引腳隔離開(kāi)，使C934上維持約5.6 V的直流電壓，并通過(guò)C5、B6端向U900供電。
倍壓整流是對(duì)直流脈沖或交流而言的，在直流電路中要通過(guò)倍壓整流電路將較低的電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓，就需將低壓直流首先通過(guò)振蕩電路轉(zhuǎn)換出直流脈沖或交流，然后通過(guò)二極管及電容組成倍壓整流得到較高直流電壓。
(1)LCD液晶顯示偏壓電路
如圖5所示，是愛(ài)立信788中文手機(jī)顯示屏顯示偏壓生成電路，該屏正常工作時(shí)需要-5 V的顯示偏壓VLCD，而整機(jī)電路使用的是3 V左右的電壓，-5 V的顯示偏壓VLCD產(chǎn)生過(guò)程是利用CPU D60095959696腳輸出2.5 V左右的脈沖經(jīng)倍壓整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替輸出幅值約2.5 V的矩形脈沖U0，9696有脈沖時(shí)9595電壓為零，該脈沖通過(guò)D1對(duì)C773充電，使C773充的電壓為U0，通過(guò)D3使C770，G771上的電壓為U0的一半，電容上的電壓極性為左負(fù)右正；9595有脈沖時(shí)9696電壓為零，該脈沖經(jīng)D2對(duì)C770充電，由于此時(shí)C773左極板的電位是-U0故充電的結(jié)果是C770上出現(xiàn)2U0，的電壓，方向左正右負(fù)；9696脈沖到來(lái)9595電壓為零，該脈沖又經(jīng)D3對(duì)C771充電，由于C770右極板的電位是-2U0，故C771上會(huì)出現(xiàn)3U0的電壓，并且方向是左負(fù)右正，所以下一時(shí)刻9696電位為零，C771左極板電位約為-3U0=-3×2.5V=-7.5 V，因而C772經(jīng)D4到C771的負(fù)極會(huì)有一放電電流，使C772上出現(xiàn)上負(fù)下正的電量，即電路的輸出端對(duì)地是一負(fù)電壓，由于每一只電容充電放電是交替進(jìn)行的，經(jīng)幾個(gè)周期后，各電容上的平均電壓會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，最終C772上的電壓介于0與最大值-3U0之間，約為-5 V左右，型然輸出電壓的高低不僅與脈沖的高度有關(guān)也與脈沖的寬度有關(guān)，還與-5 V輸出電流的大小有關(guān)。
這種電路局部由低壓直流供電，并產(chǎn)生自激振蕩，在變壓器的初級(jí)產(chǎn)生脈沖電流，若變壓器設(shè)計(jì)成升壓變壓器，則次級(jí)就會(huì)輸出更高的交流脈沖，該脈沖經(jīng)倍壓整流濾波后即可得到較高的直流電壓。
如圖6所示，是在小型電器中常用的DC-AC-DC直流變換電路。晶體管T與定時(shí)電容C，電阻R以及變壓器Tr的初級(jí)帶抽頭的線(xiàn)圈L1，L2構(gòu)成振蕩電路，使T處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。故L2上流過(guò)的是直流脈沖，該部分使用的電源約為3 V，振蕩電路工作后，L2上會(huì)出現(xiàn)峰值為3 V左右，頻率約30 kHz的脈沖電壓，波形如圖7所示。
由于變壓器次級(jí)匝數(shù)較多，故它是升壓變壓器，其次級(jí)會(huì)輸出較高的脈沖電壓，當(dāng)然其頻率與初級(jí)一樣，后續(xù)電路為倍壓整流電路，當(dāng)脈沖的正半周到來(lái)時(shí)，方向上正下負(fù)，電壓會(huì)經(jīng)D1對(duì)C1充電，使Cl上出現(xiàn)等于Tr次級(jí)峰值的電壓，負(fù)半周到來(lái)時(shí)，電壓方向相反，脈沖電壓與C1上的電壓之和經(jīng)D2對(duì)C2充電，使C2上出現(xiàn)2倍的峰值電壓，下一周期的正半周到來(lái)，次級(jí)電壓與C1，C2上的電壓合成后會(huì)經(jīng)D3對(duì)C3充電，最終使C3上出現(xiàn)峰值的2倍壓，經(jīng)過(guò)n個(gè)周期后，除C1上為峰值的1倍壓外其余均為2倍壓，這樣只要電路輸出電流不太大，就可以確保從不同的位置取出峰值的1倍壓、2倍壓、…、n倍壓的直流。
綜合上述3種形式的升壓電路，它們都是建立在電容儲(chǔ)能后兩極維持一定數(shù)值的電壓這一基礎(chǔ)之上。當(dāng)單只電容上的電壓達(dá)不到要求數(shù)值時(shí)，利用2只或2只以上的電容按一定方式進(jìn)行組合，最終從電容器所在電路的某2 點(diǎn)取出所需電壓。但無(wú)論采取何種形式的變換電路，最后得到的較高電壓其能量均是取自低壓直流電流，即在遵從能量守恒的前提下電壓轉(zhuǎn)換只是電能表現(xiàn)形式的改變。
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