交流/直流电源示例

　　为了有效地排除故障，您需要了解您的电路。我们将使用一个示例 AC/DC 电源，它将 230V AC 转换为 5V DC。其框图如下图1所示。

　　图 1.图片由新加坡国立大学提供。
　　首先，我们先来简单回顾一下这些块。
　　变压器

　　变压器将高压市电转换为较低的交流电压。例如，如果我们想要生成 12V 直流电，则变压器可以设计为生成幅值 22V 的交流电压，如图 2 所示。

　　图2
　　整流器

　　整流器将交流电压转换为直流电压，如图 3 所示。这是通过反转交流电压的负部分以生成正电压来完成的。结果是直流电压，因为电流现在只能沿一个方向流过假设的负载（图中未显示）。但电压和电流仍然存在较大变化，不能作为电力电子电路的直流电源。图 3 显示了整流器输出的一个非常重要的属性：由于负值部分翻转为正值，因此整流器输出是一个周期信号，其周期为输入周期的一半。因此，如果输入是 50 Hz 信号，则输出频率将为 100 Hz。此观察结果有助于排除交流/直流电源故障。

　　图3
　　筛选

　　为了消除大的波动，我们对整流器输出应用低通滤波器。滤波器将给出类似于图 4 中红色曲线的波形。

　　图4
　　调节器
　　由于仍然存在一些纹波，我们可以将滤波器输出应用于调节器，该调节器使用反馈概念来进一步抑制波动并生成所需的直流电压。

　　让我们检查与二极管桥式整流器和低通滤波器相关的故障，如图 5 所示。

　　图5
　　现在我们已经熟悉了我们的示例，我们可以开始讨论一些可能需要解决的常见问题。
　　问题：二极管开路故障

　　在 $$V_{AC1}$$ 输入的每个半周期中，四个二极管中的两个将导通。例如，当$$V_{AC1}$$为正时，D1和D2将导通电流，而D3和D4则阻断（反向）电流。在下一个半周期，D3和D4将导通。如果这四个二极管中的任何一个出现开路故障，则相应的半周期将被省略，电路将充当半波整流器。图 6 显示了二极管开路故障对输出电压的影响。

　　图6
　　正如您所看到的，波纹的幅度增加了大约两倍。此外，与故障二极管相关的曲线的周期是蓝色曲线周期的两倍，因为故障电路充当半波整流器。因此，当二极管开路失败时，$$V_{DC1}$$ 的频率将与 VAC1 相同。对于正常工作的电路，纹波将以输入频率的两倍的频率出现。使用示波器，我们可以轻松验证二极管桥式整流器的运行情况。如果市电频率为50赫兹，则波动频率必须为100赫兹。这是示波器比万用表更有帮助的例子。
　　问题：二极管短路
　　在上一节中，我们假设二极管出现开路故障。然而，失效的二极管也可能发生短路。在这种情况下，二极管在两个方向上都会表现出较小的电阻。二极管失效的常见原因是正向电流过大和反向电压过大。通常，大的反向电压会导致二极管短路，而过电流则导致二极管无法开路。

　　让我们看看短路的二极管将如何影响全波整流器。假设图5中的D1被短路，则电路如图7所示。

　　图7
　　假设 $$V_{AC1}$$ 为正。在这种情况下，D2 将导通，D3 和 D4 将反向偏置。电流将流过负载和 D2 二极管回到变压器的次级，就像图 5 中那样。因此，假设二极管是理想的并且正向压降为零，则正半周期不会受短路二极管的影响。但是负半周期呢？当$$V_{AC1}$$变为负值时，D3将导通。电流将通过短路二极管而不是负载流回变压器。因此，$$V_{DC1}$$ 将为零，并且大电压将直接施加到 D3。过大的正向电流可能会迫使 D3 无法打开。变压器和短路二极管 (D1) 是另外两个可能烧断的组件。
　　问题：滤波电容老化
　　AC/DC电源一般采用电解电容来抑制纹波。这些电容器在给定的工作电压下提供高电容（它们几乎具有的可用电容乘以电压或 CV）。此外，这种高 CV 是以实惠的价格实现的。
　　尽管有这些优点，电解电容器也有其局限性。一个主要缺点是它们的预期寿命比其他电容器短得多。这是因为电容器内的电解质随着时间的推移而蒸发，电容减小。到电容器寿命结束时，电容将减少约 20%。
　　还值得注意的是，电容器的等效串联电阻 (ESR) 随着使用而增加。 ESR越大，产生的热量越多，热量是加速电解液蒸发的主要因素。这将导致热失控情况。

　　关键是，在正确设计的电子系统中，电解电容器可能是个出现故障的元件。设计者为了简单地降低成本而忽略了这个可靠性问题。随着老化，电容会减小，$$V_{DC1}$$ 上会有更大的纹波。我们使用 $$C_L=220 μF$$ 和 $$R_L= 1 k \Omega$$ 来创建本文的图形。让我们将 $$C_L$$ 减少 20%，以可视化电容器老化的影响（为了使事情更简单，我们忽略 ESR 的增加）。当 $$C_L=176 μF$$ 时，我们得到图 8 中的红色曲线。

　　图8
　　正如预期的那样，较小的电容器会导致较大的波动。因此，当纹波比预期大时，我们应该检查纹波的频率：如果频率是输入频率的两倍，则二极管工作正常，电容器可能有问题。
　　问题：滤波电容器短路

　　电解电容器通常会开路。事实上，形成电容器电介质的氧化铝层具有自恢复特性，通常可以立即纠正微小的短路。然而，当相对较小的电阻器与电容器并联时，仍然有可能出现漏电容器。如果漏电阻太小，电容器就会显得短路。对电容器施加反向电压可能会导致元件漏电。次制造电路板时可能会发生一些事情。在这种情况下，电路可以如图 9 所示进行建模。

　　图9
　　漏电阻将使电容器放电更快，因此我们会产生更大的纹波，类似于图 8 的红色曲线。如果漏电阻太小，输出将短路到地。因此，短路的电容器可能导致二极管或变压器无法开路。