直流稳压电源的设计Word格式文档下载.docx

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它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。

电流调整率公式见图2－2－2。

　　（3）纹波抑制比SR

　　纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰－峰值与输出纹波电压峰－峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。

　　（4）温度稳定性K

　　集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（Tmin≤Ti≤Tmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。

温度稳定性公式见图2－2－3。

　　3、极限指标

（1）最大输入电压

　　是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。

（2）最大输出电流

是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。

三、基础电路

一般直流稳压电源都使用220伏市电作为电源，经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源。

这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。

1、变压电路

通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。

电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。

初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。

通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。

即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。

次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。

变压器的电路图符号见图2－3－1。

2、整流电路

经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。

在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。

（1）半波整流电路

半波整流电路见图2－3－2。

其中B1是电源变压器，D1是整流二极管，R1是负载。

B1次级是一个方向和大小随时间变化的正弦波电压，波形如图2－3－3（a）所示。

0～π期间是这个电压的正半周，这时B1次级上端为正下端为负，二极管D1正向导通，电源电压加到负载R1上，负载R1中有电流通过；

π～2π期间是这个电压的负半周，这时B1次级上端为负下端为正，二极管D1反向截止，没有电压加到负载R1上，负载R1中没有电流通过。

在2π～3π、3π～4π等后续周期中重复上述过程，这样电源负半周的波形被“削”掉，得到一个单一方向的电压，波形如图2－3－3（b）所示。

由于这样得到的电压波形大小还是随时间变化，我们称其为脉动直流。

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：

整流二极管D1承受的反向峰值电压为：

由于半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。

（2）全波整流电路

由于半波整流电路的效率较低，于是人们很自然的想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路。

全波整流电路图见图2－3－6。

相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。

这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。

在0～π期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其波形如图2－3－7（b）所示，其电流流向如图2－3－8所示；

在π～2π期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其波形如图2－3－7（c）所示，其电流流向如图2－3－9所示。

在2π～3π、3π～4π等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，其波形如图2－3－7（d）所示。

整流二极管D1和D2承受的反向峰值电压为：

全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。

（3）桥式整流电路

由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。

这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极管。

由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。

由图2－3－13可以看出在电源正半周时，B1次级上端为正，下端为负，整流二极管D4和D2导通，电流由变压器B1次级上端经过D4、R1、D2回到变压器B1次级下端；

由图2－3－14可以看出在电源负半周时，B1次级下端为正，上端为负，整流二极管D1和D3导通，电流由变压器B1次级下端经过D1、R1、D3回到变压器B1次级上端。

R1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。

设B1次级电压为E，理想状态下负载R1两端的电压可用下面的公式求出：

桥式整流电路每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。

通常情况下桥式整流电路都简化成图2－3－17的形式。

（4）倍压整流电路

前面介绍的三种整流电路输出电压都小于输入交流电压的有效值，如果需要输出电压大于输入交流电压有效值时可以采用倍压电路，见图2－3－18。

由图2－3－19可知，在电源的正半周，变压器B1次级上端为正下端为负，D1导通，D2截止，C1通过D1充电，充电后C1两端电压接近B1次级电压峰值，方向为左端正右端负；

由图2－3－20可知，在电源的负半周，变压器B1次级上端为负下端为正，D1截止，D2导通，C2通过D1充电，充电后C2两端电压接近C1两端电压与B1次级电压峰值之和，方向为下端正上端负。

由于负载R1与C1并联，当R1足够大时，R1两端的电压即为接近2倍B1次级电压。

二倍压整流电路还有另外一种形式的画法，见图2－3－21，其原理与图2－3－18完全一致，只是表现形式不一样。

二倍压电路还可以很容易的扩展为n倍压电路，具体电路见图2－3－22。

3、滤波电路

交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。

滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。

（1）电容滤波电路

电容滤波电路图见图2－3－23，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。

在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；

在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。

在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。

这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用。

滤波电容C1两端的电压波形见图2－3－24（b）。

选择滤波电容时需要满足下式的条件：

（2）电感滤波电路

电感滤波电路图见图2－3－26。

电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。

电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很大的场合。

（3）RC滤波电路

使用两个电容和一个电阻组成RC滤波电路，又称π型RC滤波电路。

见图2－3－27所示。

这种滤波电路由于增加了一个电阻R1，使交流纹波都分担在R1上。

R1和C2越大滤波效果越好，但R1过大又会造成压降过大，减小了输出电压。

一般R1应远小于R2。

（4）LC滤波电路

与RC滤波电路相对的还有一种LC滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。

其电路图见图2－3－28。

（5）有源滤波电路

当对滤波效果要求较高时，可以通过增加滤波电容的容量来提高滤波效果。

但是受电容体积限制，又不可能无限制增大滤波电容的容量，这时可以使用有源滤波电路。

其电路形式见图2－3－29，其中电阻R1是三极管T1的基极偏流电阻，电容C1是三极管T1的基极滤波电容，电阻R2是负载。

这个电路实际上是通过三极管T1的放大作用，将C1的容量放大β倍，即相当于接入一个（β+1）C1的电容进行滤波。

图2－3－29中，C1可选择几十微法到几百微法；

R1可选择几百欧到几千欧，具体取值可根据T1的β值确定，β值高，R可取值稍大，只要保证T1的集电极－发射极电压（UCE）大于1.5V即可。

T1选择时要注意耗散功率PCM必须大于UCEI，如果工作时发热较大则需要增加散热片。

有源滤波电路属于二次滤波电路，前级应有电容滤波等滤波电路，否则无法正常工作。

四、并联稳压电源

经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。

其原因主要有以下几个方面：

1、由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有±

10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；

2、由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化；

3、由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化；

4、整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。

所以，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。

常用的直流稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。

（一）硅稳压管并联稳压电源

1、电路原理分析

图3－1－1是硅稳压管稳压电源。

其中D1是稳压二极管，R1是限流电阻，R2是负载。

由于D1与R2是并联，所以称并联稳压电路。

此电路必须接在整流滤波电路之后，上端为正下端为负。

由于稳压管D1反向导通时两端的电压总保持固定值，所以在一定条件下R2两端的电压值也能够保持稳定。

下面我们来分析一下具体工作原理：

假设设输入电压为UI，当某种原因导致UI升高时，UD1相应升高，有稳压管的特性可知UD1上升很小都会造成ID1急剧增大，这样流过R1上的IR1电流也增大，R1两端的电压UR1会上升，R1就分担了极大一部分UI升高的值，UD1就可以保持稳定，达到负载上电压UR2保持稳定的目的。

这个过程可用下面的变化关系图表示：

UI↑→UD1↑→ID1↑→IR1↑→UR1↑→UD1↓

相反的，如果UI下降时，可用下面的变化关系图表示：

UI↓→UD1↓→ID1↓→IR1↓→UR1↓→UD1↑

通过前面的分析可以看出，硅稳压管稳压电路中，D1负责控制电路的总电流，R1负责控制电路的输出电压，整个稳压过程由D1和R1共同作用完成。

2、元件选择

下面我们来看看已知负载电压UR1和负载电流IR1时如何设计硅稳压管稳压电源。

（1）初选稳压管D1

一般情况下，可以按照UD1＝UR2和ID1≈（IR2）max来初步选定稳压管D1，如果负载有可能开路则应选择（ID1）max≈（2－3）（IR2）max，这是因为当负载时所有电流全部都会流过D1，所以ID1应该适当选择大一点。

。

（2）选定输入电压

一般可选择UI＝（2－3）UR2

（3）选定限流电阻R1

R1＝（UI－UR2）/（ID1＋IR2）

但是需要考虑两种极限情况：

当UI最大，且负载开路时（即IR2＝0），流过D1的电流最大。

为了不超过D1的最大允许电流（ID1）max，需要有足够大的电流电阻，否则会烧坏D1。

则R1需要满足：

R1>

（（UI）max－UR2）/ID1）max

当UI最小，且负载电流最大时，流过D1的电流最小。

为了保证此时D1能够工作在击穿区起到稳压的作用，要有一定的电流流过D1，一般取5mA－10mA。

R1<

（（UI）min－UR2）/（ID1＋（IR2）max）

限流电阻R1的值应该在上面两个公式的范围内选择。

（4）检查电路稳定度

电路稳定度需要根据实际电路的要求来确定，如果稳定度不够，可以适当增加R1和UI，还可以选择动态电阻r比较小的稳压管。

（二）晶体管并联稳压电源

图3－1－2是晶体管并联稳压电源。

其中T1是调整管、D1是基准稳压管，R1是D1的限流电阻，R2是限流电阻，R3是负载。

这个稳压电路的输出电压约等于稳压管D1的稳压值（实际上要加上T1发射结电压，一般锗管取0.3V，硅管取0.7V）。

这是由于电源在工作时，T1发射结导通，发射极电压与基极电压保持一致，而基极电压被D1稳定在一个固定值。

这个电路可以看作T1将D1的稳压作用放大了β倍，相当于接入一个稳压值为D1稳压值，稳压效果为β倍D1稳压效果的稳压管。

电路工作原理是：

UI↑→UD1↑→（UT1）EC↑→（IT1）EC↑→IR2↑→UR2↑→（UT1）EC↓

UI↓→UD1↓→（UT1）EC↓→（IT1）EC↓→IR2↓→UR2↓→（UT1）EC↑

这个电路选择元件的步骤与硅稳压管并联稳压电路类似，主要从下面几个方面考虑。

（1）初选调整管T1和稳压管D1

选择调整管T1时，主要考虑其额定电流ICM要大于输出电流IO，以保证负载开路时调整管不会因为电流过大而损坏。

另外，为了保证调整管有良好的调整作用，还要求β值大、漏电流小。

选择稳压管D1时，主要考虑其稳定电压与T1发射结电压之和要等于输出电压。

为保证稳压电源的效率，输入电压一般不要选择过高，以不超过2UI为宜。

（3）选定限流电阻R2

对于并联稳压电路而言，限流电阻R2是整个电路工作好坏的关键。

R2选择大，稳压效果较好，但功耗大（因为电阻功耗P＝I2R），同时要求输入电压增大，电源的效率就比较低。

具体计算方法可参考硅稳压管并联稳压电路元件选择的第三步。

整个电路的稳定度需要根据实际电路的要求来确定，如果稳定度不够，可以适当增加R1和UI，还可以选择β值较大、漏电流较小的调整管。

3、使用复合调整管的并联稳压电源

图3－1－3是一种使用复合调整管的并联稳压电源，与图3－1－2电路最大的区别是将调整管改为符合管结构，这样既可以得到较大的β值，又能够有较大的ICM。

元件选择时可采用与图3－1－2类似的方法，但是由于这个电路的电流较大，要注意限流电阻R1选择时除考虑阻值外还要考虑其功率。

以免负载断路时烧坏限流电阻。

4、并联稳压电源的优缺点

并联稳压电源的优点：

·

有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏。

在负载变化小时，稳压性能比较好。

对瞬时变化的适应性较好。

并联稳压电路的缺点：

效率较低，特别是轻负载时，电能几乎全部消耗在限流电阻和调整管上。

输出电压调节范围很小。

稳定度不易做得很高。

其实并联稳压电源的这些优点对于串联稳压电源而言，都可以通过采用一些特殊的电路实现。

但是并联稳压电源的这些固有的缺点却很难改进，所以现在普遍使用的都是串联稳压电源。

下一章我们将重点介绍一下串联稳压电源的原理、设计方法和一些实用电路。

五、串联稳压电源

上一章我们谈到并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。

而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。

（一）简易串联稳压电源

1、原理分析

图4－1－1是简易串联稳压电源，T1是调整管，D1是基准电压源，R1是限流电阻，R2是负载。

由于T1基极电压被D1固定在UD1，T1发射结电压（UT1）BE在T1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7V，锗管为0.3V），所以输出电压UO＝UD1－（UT1）BE。

当输出电压远大于T1发射结电压时，可以忽略（UT1）BE，则UO≈UD1。

下面我们分析一下建议串联稳压电源的稳压工作原理：

假设由于某种原因引起输出电压UO降低，即T1的发射极电压（UT1）E降低，由于UD1保持不变，从而造成T1发射结电压（UT1）BE上升，引起T1基极电流（IT1）B上升，从而造成T1发射极电流（IT1）E被放大β倍上升，由晶体管的负载特性可知，这时T1导通更加充分管压降（UT1）CE将迅速减小，输入电压UI更多的加到负载上，UO得到快速回升。

这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示：

UO↓→（UT1）E↓→UD1恒定→（UT1）BE↑→（IT1）B↑→（IT1）E↑→（UT1）CE↓→UO↑

当输出电压上升时，整个分析过程与上面过程的变化相反，这里我们就不再重复，只是简单的用下面的变化关系图表示：

UO↑→（UT1）E↑→UD1恒定→（UT1）BE↓→（IT1）B↓→（IT1）E↓→（UT1）CE↑→UO↓

这里我们只分析了输出电压UO降低的稳压工作原理，其实输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都与此类似，最终都是反应在输出电压UO降低上，因此工作原理大致相同。

从电路的工作原理可以看出，稳压的关键有两点：

一是稳压管D1的稳压值UD1要保持稳定；

二是调整管T1要工作在放大区且工作特性要好。

其实还可以用反馈的原理来说明简易串联稳压电源的工作原理。

由于电路是一个射极输出器，属于电压串联负反馈电路，电路的输出电压为UO＝（UT1）E≈（UT1）B，由于（UT1）B保持稳定，所以输出电压UO也保持稳定。

简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1，所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1，这样调整输出电压非常不方便。

另外由于直接通过输出电压UO的变化来调节T1的管压降（UT1）CE，这样控制作用较小，稳压效果还不够理想。

因此这种稳压电源仅仅适合一些比较简单的应用场合。

2、电路实例

图4－1－1是简易串联稳压电源的一个实际应用电路，这个电路用在无锡市无线电五厂生产的“咏梅”牌771型8管台式收音机上。

其中T8、DZ、R18构成简易稳压电路，B6、D4～D7、C21组成整流滤波电路。

由于T8发射结有0.7V压降，为保证输出电压达到6V，应选用稳压值为6.7V左右的稳压管。

（二）串联负反馈稳压电源

由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，当需要改变输出电压时必须更换稳压管，造成电路的灵活性较差；

同时由输出电压直接控制调整管的工作，造成电路的稳压效果也不够理想。

所以必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。

由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。

图4－2－1是串联负反馈稳压电路电路图，其中T1是调整管，D1和R2组成基准电压，T2为比较放大器，R3～R5组成取样电路，R6是负载。

其电路组成框图见图4－2－2。

假设由于某种原因引起输出电压UO降低时，通过R3～R5的取样电路，引起T2基极电压（UT2）O成比例下降，由于T2发射极电压（UT2）E受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压（UT2）BE将减小，于是T2基极电流（IT2）B减小，T2发射极电流（IT2）E跟随减小，T2管压降（UT2）CE增加，导致其发射极电压（UT2）C上升，即调整管T1基极电压（UT1）B将上升，T1管压降（UT1）CE减小，使输入电压UI更多的加到负载上，这样输出电压UO就上升。

UO↓→（UT2）O↓→UD1恒定→（UT2）BE↓→（IT2）B↓→（IT2）E↓→（UT2）CE↑

→（UT2）C↑→（UT1）B↑→（UT1）CE↓→UO↑

当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反，这里就不再赘述，简单的用下图表示：

UO↑→（UT2）O↑→UD1恒定→（UT2）BE↑→（IT2）B↑→（IT2）E↑→（UT2）CE↓

→（UT2）C↓→（UT1）B↓→（UT1）CE↑→UO↓

与简易串联稳压电源相似，当输入电压UI或者负载等其他情况发生时，都会引起输出电压UO的相应变化，最终都可以用上面分析的过程说明其工作原理。

在串联负反馈稳压电源的整个稳压控制过程中，由于增加了比较放大电路T2，输出电压UO的变化经过T2放大后再去控制调整管T1的基极，使电路的稳压性能得到增强。

T2的β值越大，输出的电压稳定性越好。

2、调节输出电压

前面我们还说到R3～R5是取样电路，由于取样电路并联在稳压电路的输出端，而取样电压实际上是通过这三个电阻分压后得到。

在选取R3～R5的阻值时，可以通过选择适当的电阻值来使流过分压电阻的电流远大于流过T2基极的电流。

也就是说可以忽略T2基极电流的分流作用，这样就可以用电阻分压的计算方法来确定T2基极电压（UT2）B。

当R4滑动到最上端时T2基极电压（UT2）B为：

此时输出电压为：

这时的输出电压是最小值。

当R4滑动到最下端时T2基极电压（UT2）B为：

这时的输出电压是最大值。

以上计算中，当（UT2）BE<

<

UD1时可以忽略（UT2）BE的值。