直流电源讲义.docx

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直流电源讲义

一、概述

1.稳压电源的作用和组成

电子设备一般是由整流器供电的。

当交流电网电压或负载电流变化时，整流器输出电压也会随之发生变化。

但是，许多电子设备，比如精密的电子测试仪器、自动控制仪表设备和电子计算机等，都要求直流电源电压稳定不变，否则，将造成测量和计算误差，或引起自动控制装置工作不稳，甚至根本无法工作。

为了供给稳定的电流电压，必须采用直流稳压电路。

直流稳压电路与整流器和滤波器合在一起，构成直流稳压电源，其方框图如图1所示。

图1直流稳压电源方框图

如果在整流器的前面加入交流稳压器，稳定交流输入电压，如图2所示，也能使整流器的输出电压稳定。

不过，当负载变化时，这种稳压电源的输出电压有较大的变化，所以，这种稳压电源只能适用于固定负载。

图2稳定整流器输入电压的稳压电源方框图

在实际应用中，如果需要负载电流保持稳定，可以采用稳流电路。

在电源电压和负载阻抗发生变化的情况下，稳压电路能够使负载电流保持不变。

2.稳压电源的基本工作原理

对于理想的稳压电源来说，不管输入电压、负载或温度如何变化，输出电压都应保持不变，并且在任一频率上，输出阻抗都应当为零。

理想稳压器的调整特性曲线（即输出电压Vo与负载电流IL的关系曲线）如图3所示。

实际上，稳压器不可能完全具有这种理想特性。

图3理想稳压器的调整特性曲线

稳压器的基本工作原理可用图4所示的基本等效电路来说明。

图4稳压器的基本等效电器

从该电路可以清楚地看出，当输入电压Vi和负载电流IL变化时，只要适当调整电阻R1或R2的阻值，输出电压Vo就能保持稳定不变。

如果R1采用固定电阻，R2采用可变电阻，那么，当输入电压Vi保持不变而负载电阻Rl减小时，必然引起负载电流Il增加，从而使输出电压Vo降低。

此时，如果增大电阻R2的阻值，可以使流过电阻R2的电流IR2减小，这样就能维持流过电阻R1的总电流不变，输出电压Vo也可以维持不变。

同样，假设负载电阻Rl不变而输入电压Vi增加时，只要减小电阻R2的值，增加流过电阻R2的电流，从而增加流过电阻R1的电流，使电阻R1两端的降压增大，也可保持输出电压Vo不变。

在这种电路中，由于能够调整输出电压Vo的电阻R2与负载RL并联，所以这类稳压器叫做并联稳压器。

如果R2采用固定电阻，R1采用可变电阻，因输入电压Vi或负载电流IL变化而使输出电压VO升高时，只要适当增加电阻R1的阻值，就能使R1两端的降压增加，从而使输出电压VO保持不变。

如果由于输入电压或负载电流变化而使输出电压降低时，只要适当减小电阻R1的阻值，使R1两端的降压减小，也能使输出电压VO保持不变。

在这种电路中，由于能够调整输出电压的电阻R1与负载RL串联，所以这类稳压器叫做串联稳压器。

如果电阻R1用开关元件代替，再增加适当的脉冲发生器和滤波器，就组成了开关稳压器。

开关元件通常采用晶体管和可控硅等有源器件。

脉冲民生器根据输出电压的变化来改变其工作状态或频率，以控制开关元件导通或截止的时间。

滤波器能使输出电压比较平稳。

二、直流稳压电源的基本知识

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。

稳压电源的组成如下图所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

　　直流稳压电源的技术指标特性指标：

输入电压、输出电压、输出电流、输出电压范围

1.单相整流电路

　　整流电路是小功率直流稳压电路电源的组成部分。

其主要功能是利用二极管的单向导电性，将正弦交流电转变成单方向的脉动直流电。

桥式整流电路

　　桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。

电容滤波电路

电路组成：

　　如图10.14所示的电路是由运放组成的串联反馈稳压电路。

它由基准电压、比较放大、调整管和取样电路四部分构成。

三、稳压电源的分类

稳压电源的作用是消除或减弱输入电压负载电流和温度变化对输出电压的影响,为了完成这个作用,可以采用各种类型的稳压电路,根据稳压电路与负载连接方法的不同,可分为并联稳压电源和串联稳压电源;根据稳压电路工作状态的不同,可分为线行稳压电源和开关稳压电源.

四、线性直流稳压电源介绍

1.线性稳压电源概述

所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整功率管是工作在线性放大区。

其工作过程为：

将220V、50HZ的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个波纹电压和稳定性能均符合要求的直流电压。

其原理方框图如图1-1所示。

图1-1线性稳压电源原理图

2.线性稳压电源的优点：

（1）电源稳定度及负载稳定度较高；

（2）输出波纹电压小；

（3）瞬态响应速度快；

（4）线路结构简单、便于维修；

（5）没有开关干扰。

3.线性稳压电源的缺点：

（1）功耗大，效率低，其效率一般只有45%；

（2）体积大、重量重、不能微小型化；

（3）必须有较大容量的滤波电容。

4.造成这些缺点的原因：

（1）从图1-1的线性稳压电源的原理图中可以看到，调整管V在电源的整个工作过程中，一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区。

调整管本身的功耗与输出电流成正比。

这样调整管V本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而大慈大悲，使调整管急剧地发热。

为了保证管子能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。

（2）图1-1中的线性稳压电源使用了50HZ工频降压变压器，通常，这种变压器的效率只有80%~90%。

这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。

（3）由于线性稳压电源的工作频率较低，为50HZ。

所以，要降低输出电压中波纹电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。

五、开关直流稳压电源介绍

1.开关稳压电源概述

开关稳压电源的发展

1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

此后，利用这一技术和各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。

由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。

由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压较高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。

60年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要有工频变压器降压了。

从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关稳压电源。

省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小。

开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

70年代以后，与这种技术有关的高频、高反压的功率晶体管，高频电容，开关二极管，开关变压器铁芯等无器件也不断地和被研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛以应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源中的佼佼者。

随着半导体打桩和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使用电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的形状变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子食品和设备微小型化的需要。

2．开关稳压电源的结构

图1-2画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图。

它是由全波整流器、开关管V、激励信号、续流二级管V0、储能电感L和滤波电容C组成。

实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。

这里我们对直流电变换器和逆变器作如下解释。

图1-2开关稳压电源的原理图及其等效原理框图

逆变器。

它是把直流转变为交流的装置。

逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。

直流变换器。

它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。

这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。

采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不相同的多种电流供电电压。

3.开关稳压电源的优点

（1）功耗小，效率高。

在图1-2的稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通一截止和截止一导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50KHZ左右。

在一些技术先进的厂家，可以做到几百KHZ或者近1000KHZ。

这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到80%。

（2）体积小，重量轻。

从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到，这里没有采用笨重的工频变压器。

由于调整管V上的耗散功率大幅度降低以后，又省去了较大的散热片。

由于这两方面的原因，所以开关稳压电源的体积小、重量轻。

（3）稳压范围宽。

开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以开关稳压电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。

此外，改变占空比的方法有脉宽调制和频率调制型两种。

这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选项用各种类型的开关稳压电源。

（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。

开关稳压电源的工作效率目前基本上是工作在50KHZ，是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。

在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/500~1/1000。

V

t

调宽式开关电源稳压原理图

4.开关稳压电源的缺点

（1）存在较为严重的开关干扰。

开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外，由于开关稳压电源振荡器没有工频降压变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

（2）对于国内微电子技术阻容器件产生技术以及磁性材料技术与一些技术先过国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。

这暴露出开关稳压电源的又一个缺点：

那就是电路结构复杂，维修较麻烦。

对此，如果设计者和制造都不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。

当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

六、WYJ-700系列线性直流稳压电源原理及维修

WYJ-700系列直流稳压电源是各种数传（话）系列电台配套使用的专门电源。

本产品是根据电台使用的特点而设计生产的。

具有抗干扰能力强、性能稳定可靠。

本产品亦可作为高稳定度的直流稳压电源使用。

1.主要技术参数及功能

1.1主要技术参数

（1）使用环境条件：

温度：

-10~+55℃

相对湿度：

≤93%（30℃）

（2）使用电网电压：

220V（-15%~+10%，可工作电压176~242V）50~60Hz

（3）输出电压电流：

（a）WYJ-700-1型

+12V5A；+12V0.5A；+24V0.5A

（b）WYJ-700-3型

+12V10A

（c）WYJ-700-4型

+10V15A；+24V1A

（d）WYJ-700-5型

+5V2A；+12V6A；+12V2A；+12V0.5A

（c）WYJ-700-7型

+12V0.5A

（4）电压稳定度：

1×10-4（0.01%）

（5）负载稳定度：

5×10-4（0.05%）

（6）纹波电压：

≤1mV（有效值）

（7）温度系数：

≤150mmV（24小时工作）

（8）连续工作能力：

可不间断工作（其它负载为50%）

（9）充电电流：

0.5、1A分两档

（10）充电停充电压：

13.2~13.7V

（11）放电停放电压：

9.5V~10V

1.2主要功能

（1）过流自动保护：

当负载电流大于额定最大输出电流的1.2倍或短路，立即截止输出。

（2）输出过压自动保护：

当某种原因引起输出电压升高时，超过14.2V立即起保护作用，使电台不会超电压而损坏。

（3）停电自动转换：

备有电池时，当交流220V突然停电，可以立即转换为电池供电。

（4）自动恒流充电，有220V交流时对备用电池作恒流充电，当充到正常值时自动停充。

（5）电池放电时对电池放电保护；电池供电时当电池电压下降到规定值，立即截止输出保护电池。

（6）1型、3型具有交直流自动切换，对电池浮充。

（7）输入、输出设防雷保护。

2.原理

WYJ-700系列稳压电源的工作原理如图所示。

2.1主供电电路：

供电电路由变压器BC21、整流器BG1、基准电压GB8、比较放大IC1；调整器BG6绊脚石；输出电压的大小不一，通过IC1比较放大后控制调整器，从而矫正输出电压，达到稳定的目的。

过流保护电压由BG2、BG3、BG5、BG6组成；当过流时，BG2导通，BG3导通，BG5、BG6截止，停止输出。

过压保护电路由BG22和晶闸管BG9组成；当BG22反向导通，BG9导通，触发过流保护动作。

2.2充电电路：

充电电路由变压器B11，整流器BG11、恒流电路BG15、恒压电路BG18、调整电路BG14等组成。

把电池接上后，通过上述电路使电池得到自动恒流充电，充足后自动停充。

有充电时充电指示灯亮。

停电转换通过继电器J及直流变换电路实现。

欠压保护电路由BG12、BG31组成；当电池电压于10V，BG20截止，继电器J1释放，电池停止向外供电。

过压停充电路由BG19、BG18组成；当电池电压超过14V时，BG19导通，BG18导通，停止充电。

2.3其它供电电路（+5V、+12V、+24V）由带保护的三端稳压块输出。

2.4逆变电路：

逆变电路由IC4振荡产生方波，经BG33放大，再经变压器输出，整流、稳压后输出到负载。

3.使用方法

在本电源的各输出分别把负载电源的正负级接在相应的位置上，接上交流220V电源,启动电源开关，观察面板的电源、充电指示灯同时亮，电压表有电压指示表示工作正常。

4.常见故障排除

4.1主供电电路无电压输出：

先把电台接线解除，停电五分钟后重新开机。

如果有电压输出说明电台有过流或短路现象，否则检查与输出有关的电路。

其它供电电路先检查相应组输出保险丝。

4.2电池不能向电台供电：

要检查直流保险丝（10V6A）有否接触不良，或检查继电器J触点是否接触良好。

直流转换电路是否正常。

4.3充电不正常：

要检查电池是否能使用，电压值是否符合使用要求。

否则检查与充电有关的电路。

4.4带负载后，电源保护过于灵敏：

交流电不足（V<170V）或发射天线靠近电源，应尽量拉开天线与电源的距离。

5.维修技巧

5.1主供电电路（+12V、6A或10A）输出部分

启动电源开关，无电压输出

首先观察电源指示灯，过载指示灯，电压表。

①电源指示灯不亮——就要检查交流电源插头座、电源形状及交流电保险丝。

若保险丝烧，可能桥堆已损坏。

②电源指示灯，过载灯亮——应先把负载接线解除，停电源三分钟重新开机，如果有电压输出，说明负载有过流或短路现象，否则检查有关电路，具体步骤如下：

a.断开过压保护可控硅BG9,判别是否因输出电压高引起过压保护，若此时仍时无电压输出，可测量基准管BG8两端电压，若有6V电源，主要故障是过流保护电路BG2，BG3击穿短路或BG5、BG6开路引起，若BG8两端电压不正常，则是BG8或IC1型号UA741已损坏，也有可能是输出导线松脱，L1开路引起。

b.若断开BG9，输出电压正常，则是BG9击穿短路，若断开BG9，输出电压高，则是另一故障现象——输出电压偏高，具体检修步骤如下：

先断开电阻R12，若无电压输出，主要是BG8、运放IC1或滤波电容C5损坏。

若输出电压仍高，则是BG5、BG6击穿或漏电引起。

③输出电压低，测基准管BG8两端电压，若不正常BG8或IC4已损坏。

5.2其它供电电路

应先检查相应输出保险丝是否烧断。

5.2.1接上电池充电灯不亮或电池不能向负载供电

应检查电池保护电路BG31，继电器J1，直流保险丝（10V，6A），继电器J1触点是否接触良好，若充电不正常，应无测量BG17两端电压应为6.8V，BG19两端电压为9.1V，若以上两电压正常，则是BG14、BG15、BG16其中有损坏。

5.2.2带负载后，电源过载保护过于灵敏

则是交流市电电压不足（如小于170V）或是发射天线接触不良，发射天线靠近电源，应量拉开天线与电源的距离。

5.2.3特殊故障现象

继电器有响声——继电器线圈滤波电容（100P/25V）失效，更换即可排除。

射频干扰引起过载电路动作——调整IC12、3脚间30~100P的高频电容。

七、P系列开关直流稳压电源原理及维修

P100B-3A型开关稳压电源

1．特点

此开关电源是高精度输出、多保护功能，结构紧凑坚固，专门为通讯电台配套使用的带有充电功能和24V逆变的开关电源，特别适合电力系统电力负荷监控管理装置、水利系统水情测报装置、市政系统自来水公用调度管理及路灯监控管理装置等遥测、遥信、遥控系统。

2.技术指标

2．1输入电压：

单相交流AC170V～265V/46Hz～66Hz。

2．2输入方式：

单相三线制。

2．3输出电压：

V0=+13.8V（外接12V电池），V1=+12V，V2=+24V

2．4输出电流：

I0=0～1.2A，I1=7A，I2=1A

2．5输出精度：

V0=12.0～13.9V，V1=11.80～12.20V，

V2=23.6～24.4V

2．6输出纹波：

VPP0≤80mV，VPP1≤80mV，VPP2≤80mV。

2．7输出保护：

V0、V1、V2具备短路过流保护。

2．8输出方式：

V0、V1、V2共地与机壳相联。

2．9充电电流：

起冲：

2.0A、浮冲：

0.1A。

2．10体积：

220mm115mm55mm

2．11重量：

1.1kg

2．12输入过压保护：

280～400VAC

2．13工作环境温度：

-25℃～　＋55℃

2．14相对湿度：

小于93%

2．15可靠性：

MTBF大于10万小时。

2．16安全性及电磁兼容性

●绝缘电阻：

输入线L、N与机壳地及输出回路之间绝缘电阻大于100M（常规）

●工频耐压：

输入线L、N与机壳地及输出回路之间施加工频2KV1分钟，漏电流小于

10mA。

●抗冲击耐压试验：

输入线L、N与机壳地之间施加脉冲电压6KV冲击10次，电源不应该损坏。

●抗电压瞬变影响：

在电源电压突降或电压序列中断试验中，电源不应该损坏。

●抗静电放电影响：

8KV静电放电试验中，电源应该能正常工作。

●抗浪涌电压影响：

从输入线L、N传入浪涌电压时，电源不应该损坏。

浪涌脉冲宽度：

50us，上升时间：

1.2us。

●浪涌电压幅度：

共模4KV，差模2KV。

●抗高频传导（脉冲群）影响：

从输入线L、N传入1MHz高频衰减振荡波时，电源应该正常工作。

●抗磁场影响：

在交流频率为50Hz,磁通密度为0.5mT的磁场影响下，电源应该正常工作。

3.辅助功能

●电池适用范围：

12V电池MF12-7型、MF12-17型、MF12-38型（由用户订货时选定）。

●充电方式：

电池充电时采用限流限压浮充方式。

●电池充/放电转换：

自动切换。

当输入交流有电时电源设备自动给电池充电，当输入交流断电时电池给电源设备供电（电池放电）。

●电池欠压保护：

电源设备具有电池过放电保护功能。

当电池放电时，若电池电压低于10.8±0.1V，电源设备强制切断电池供电。

当输入交流有电时电源设备自动恢复给电池充电

●具有交直流供电指示

红灯表示交流供电，绿灯表示电池供电。

●具有交流失电状态输出功能

交流有电：

导通（接地）；交流失电：

截止（高阻）。

在印板上表示为

“+ACOK-”

●具有电池独立供电（12V/7A，24V/1A）功能

在交流停电状态下开机，可由电池供出所需电源，此时需触发“启动按钮”

来实现。

当交流来电时可自动切回交流供电状态，而无需再次按键。

4.连接方法（如图所示）

把电台电源引线的正极（红色）连接在+12V、负极（黑色）连接在GND上。

连接电池时须把电池的正极与BAT+端相连，电池的负极与BAT-端相连。

使用24V电源时，应注意其正负极性，在连接交流输入时，应把相线与L相连，零线与N相连，地线与FG相连。

AC/DC

+24VGNDGND+12V+12V

+ACOK--BAT+

启动按钮

5.维护

本电源应放在室内或机箱内使用，工作在允许使用电压范围内，若超出范围，可能引起本开关电源的功能或指标不正常，若电源出现故障，应由专业的电器工程师修理或送厂方修理，维修后要经过。

使用时，电源的外壳应接地。

常见故障及原因分析见下表：

故障现象

原因

无正常电压输出

输入电压不在正常工作电压内

输入电源线插头接触不良

交流保险丝接触不良

输出电压与额定值不符

集成电路损坏或取样电阻及连线接触不良

不能充电

蓄电池的电压低于8V或连接线没接好