變壓器適用於交流電,為什麼有些手機充電器是220V電壓,要先通過橋式整流器再通過變壓器?

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可能不少人跟提問者一樣有個疑問,普通的變壓器可以改變交流電壓,為何手機充電器不直接用變壓器對AC220V降壓,而是先對AC220V進行橋式整流再用變壓器降壓?手機充電器之所以不直接用變壓器對AC220V進行降壓,是為了減小充電器的體積,便於攜帶使用。下面我們來看一款簡單手機充電器的電路原理圖。

▲ 手機充電器電路原理圖。

上圖是一個老式手機充電器的電路原理圖,從圖中可見,充電器工作時,AC220V先通過電阻R1及D1~D4組成的整流橋變為直流電(圖中濾波電容未畫出,一般整流之後還要經過濾波),再經三極管Q1和Q2組成的高頻振盪電路將橋式整流後的直流電轉為數十千赫的高頻交流電,然後才通過變壓器B降壓,並經高頻整流管D7整流後變成低壓直流電來給手機充電。▲ 手機充電器電路板。

現在的手機充電器之所以不直接用變壓器對AC220V降壓,是為了減小變壓器的體積。我們知道,變壓器感應電勢的大小取決於磁通量改變的速率,磁通量變化越快,感應電勢就越大。手機充電器先通過整流及振盪將50赫茲的低頻交流電轉為數十千赫的高頻交流電,然後再用變壓器降壓,這樣在相同的功率下,高頻變壓器只需較小的磁芯及較少的匝數即可實現電壓的變換,從而減小手機充電器的體積與重量,以方便攜帶及使用。▲ 手機充電器內部的高頻變壓器。

手機充電器內部的高頻變壓器還有一個作用就是隔離,亦即將AC220V高壓與充電器輸出端隔離,以免充電器輸出端帶有AC220V高壓,使用戶遭到電擊,故手機充電器裡面這個高頻變壓器的質量及可靠性很重要,儘可能不要使用那些劣質的充電器。


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手機充電器使用的是開關電源的設計方案,通高過高頻化轉換使效能轉化效率更高

變壓器利用電磁感應原理來改變交流電壓。我們平常用的交流電頻率是50Hz,由於頻率比較低,如果直接用變壓器來降壓,效率一般小於40%,做出來的手機充電器體積就會很大。聰明的人們就發明了開關電源。先把交流電整流為直流電,用開關電源芯片把直流電變為頻率很高的交流電再用高頻變壓器實現高效能電壓轉換。

開關電源工作原理

開關電源是高頻化的電壓轉換裝置,開關電源的主要器件有:整流橋、開關電源控制芯片、變頻變壓器等

整流橋:把交流電整流為直流電,需要根據開關電源的功率選擇合適的整流橋,當然也可以用四個整流二極管搭建整流電路。

開關電源控制芯片:整個開關電源的核心部分,提供高頻開關信號,把直流電變為高頻交流電;要根據開關電源的功率選擇合適合的開關電源控制芯片

高頻變壓器:實現高頻化的電壓轉換,需要根據開關電源的功率及選用的開關電源控制芯片來設計高頻變壓器。

當然還需要有整流濾波電路、反饋電路、EMC防護電路

整流濾波電路:把高頻變壓器轉換過來的高頻交流電整流濾波為直流電

反饋電路:

把輸出端的電壓反饋給開關電源控制芯片,開關電源控制芯片會根據反饋自動調節PWM信號,把輸出電壓穩定在設定值。

EMC防護電路:包括防護浪湧、共摸開擾、差摸開擾、ESD等等

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這是一種叫開關電源的電路,優點是體積小,重量輕,穩定輸出電壓較優,能節省銅材等,廣泛應用電腦,電視機充電器及工業上等。缺點是比較易損壞。而直接用工資變壓器比較笨重,但耐用不易壞。


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如題主所說,變壓器確實只適用於交流電,不過手機充電器中採用的並不是工頻變壓器降壓,而是應用了開關電源技術,內部採用的是一種高頻變壓器,它的工作頻率可達幾十KHz,遠比我們市電的50Hz頻率高的多,下面我們就來看下兩種變壓器的區別。

工頻變壓器


首先,所謂工頻就是指我們的市電220V 50Hz交流電,工頻變壓器就是工作在50Hz頻率下來改變電壓的一種變壓器,如上圖,這種變壓器在很早以前經常應用在各種家電的電源電路中,由於工作頻率較低,輸出電壓很穩定,沒有紋波干擾,故障率很低,但它的缺點也是顯而易見的,就是太笨重,而且轉換效率低下,成本高,所以現在的各種低壓電源基本都是採用開關電源來實現了。

高頻變壓器和開關電源


高頻變壓器,顧名思義,它是工作在高頻狀態,是開關電源電路的重要組成部分,從上圖中我們可以看出,這種變壓器體積較小,可以很方便的應用在便攜式充電器中,基本上我們現在生活中可以看到的充電器都是採用的這種,開關電源的的工作過程基本如下:

  1. 整流部分。220V 50Hz交流電經過整流濾波得到300V左右的直流電。
  2. 高頻變換。通過控制開關管的快速導通和截止,將直流電轉換為高頻脈動直流方波,施加在高頻變壓器的初級。(高頻變換電路一般都是集成芯片,一些小功率的內部都集成有開關管)。
  3. 電壓變換。高頻方波施加在變壓器的初級線圈,會在次級感應出相同頻率不同電壓的交流方波,然後經過快恢復二極管整流、電容濾波得到我們所需要的低壓直流電。

從上圖中我們可以看出,開關電源的電路構造相對比較複雜,而且由於工作在高頻狀態,很容易對電網形成干擾,但它的電源轉換效率很高,而且有利於小型化,所以在現有的電子產品中基本上取代了笨重的電源變壓器了。

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變壓器適用於交流電,這裡的交流電可以是50Hz的交流電,也可以是幾百,甚至幾M的交流電。

根據“交變的電場產生交變的磁場,交變的磁場又產生交變的電場“。

變壓器的初級線圈將初級的電流變成了變化的磁場,變化的磁場穿過次級的線圈,在次極的線圈感應出電動熱。

初級的線圈匝數為N1,流過線圈的電流為i1,磁通量為φ=μ*N1*I1*S。

μ為磁芯的磁導率,S為磁芯的截面積。

根據法拉第電場感應定律,如果次極的線圈匝數為N2,次極的電壓為:

u2=dφ/dt*N2=N1*N2*μ*S*dI1/dt。

如果I1的頻率為f,I1可以表示為Im*sin(2*π*f*t)。

所以u2=N1*N2*μ*S*Im*2*π*f*cos(2*π*f*t)。

可見,二次電壓的最大幅度為N1*N2*μ*S*Im*2*π*f。

比如,我們要在次極獲取峰值為8V的交流電壓,頻率為50Hz時,和頻率為50KHz時,N1*N2*μ*S*Im*2*π的數值可以相差1000倍,而這個數值與線圈的匝數、磁芯的截面積有關,也就是與變壓器的體積有關。

可見,對於同樣的次極輸出電壓,頻率越高,變壓器體積越小。

幾十K高頻變壓器的體積一般為工頻變壓器的體積的幾十分之一。

根據這樣的知識,對於題主的問題, 我想有幾個要點:

1)通過變壓器的電壓、電流肯定是交流信號,變壓器的直流電阻就是導線的電阻,可能就幾十、幾百毫歐。220V交流整流出來的310V的直流電壓直接加到變壓器上,直接就把變壓器炸飛了。交流信號輸入變壓器時,除了變壓器的導線電阻,還有交流的感抗,頻率越高,阻抗越高。

2) 開關電源的初級實際上有一個逆變電路,輸入的220v的電壓,經過了這樣的逆變,220V交流->橋式整流器->310V直流->頻率為高頻、佔空比可調MOSFET控制->高頻交流信號->高頻變壓器->變壓器次極,所以經過變壓器的電壓是經過逆變得到的高頻電壓,變壓器為高頻變壓器。

3)把工頻50Hz的220V交流輸入逆變成高頻交流電壓的最主要目的在於降低變壓器的體積,從而降低整個充電器的體積。

高頻變壓器加上工頻到高頻逆變電路的體積遠遠小於工頻變壓器的體積。
4)另外一個好處在於,在310V直流逆變成高頻電壓的階段,控制變壓器導通的信號是PWM信號,可以根據次極的反饋電壓動態調整佔空比。從而可以根據次極負載的大小調整市電的輸入,避免在次極的電能的浪費,提高的電能使用效率,降低了整個充電器的發熱。

如果是工頻變壓器,由於沒有控制電路,市電的輸入沒有辦法根據負載情況動態調整,大量電能被浪費在次級的降壓電路中,電能使用效率低,充電器發熱也比較厲害。


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那不是橋式整流器,而是放反插電路,進入電路的總是正向全波。

放在變壓器之前是高壓小電流,成本低。

放在變壓器之後需要低壓大電流,成本高。


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