线性直流稳压电源电路详解.docx

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线性直流稳压电源电路详解

线性直流稳压电源电路详解

线性直流稳压电源是先把交流电网中的交流电变为单向脉动的直流电，再通过滤波和稳压电路，最终输出稳定的直流电压的器件。

7.1直流稳压电源的组成

电子设备通常需要电压稳定的直流电源对负载供电。

当然可以采用干电池、蓄电池供电，比如：

我们常用的收音机、MP3等，也可以采用其它直流电源供电（如太阳能电池），但它们一般容量小，相对不是很经济，因此，在有交流电网的情况下，一般采用交流电网将交流电转换成稳定的直流电。

直流稳压电源的组成如图7.1所示，一般包括以下几个部分：

（1）电源变压器

将交流电网所提供的单相220V或三相380V的交流电压变换成整流电路所需的交流电压。

（2）整流电路

将电网提供的正负变换的交流电压变为单向脉动的直流电压。

但这种单向脉动的直流电压除含有直流成分外，还包含有很多幅度较大的谐波分量，因此脉动很大，距离理想的直流电压还差很远。

（3）滤波电路

将脉动的直流电压变换成平滑的直流电压。

（4）稳压电路

稳压电路的作用就是使输出电压稳定。

一个好的直流稳压电源，应具备输出电压稳定、电源内阻小、输出纹波小等优点，同时，电路也应具有自我保护功能。

7.2整流电路

利用二极管的单向导电性，可以将交流电变为单向脉动的直流电，这一过程称为整流。

二极管整流电路一般可分为半波整流、全波整流和桥式整流电路。

7.2.1半波整流电路

半波整流电路如图7.2所示。

图中T为电源变压器，将电网电压变换为合适的数值，D为整流二极管，RL为负载；u1、u2分别为变压器一、二次电压，是正弦波，uo是负载电压，uD是二极管上的电压。

7.2.2全波整流电路

全波整流电路如图7.4所示。

它是利用两个二极管交替工作，从而克服半波整流电路纹波电压大的缺点。

变压器的两个二次电压大小相等，同名端如图所示。

电路中D1、D2分别在正半周和负半周内轮流导通,并且保证了流过RL的电流方向一致。

在u1正半周,即极性为上正下负时,D1导通，D2截止，负载电流io的流通路径为：

a→D1→RL→0，

输出电压u0=u2。

在u1负

半周,即极性为上负下正,

此时D1截止，D2导通，负

载电流io流通路径为：

b→D2→RL→0，

输出电压u0=－u2。

我们可以看到，在交流电的正负半周内，流过负载的电流方向一致，因此输出电压的极性不变。

全波整流电路各电压、电流的工作波形如图7.5所示。

与半波整流电路相比较，全波整流电路比半波整流的效率高，功率大，且脉动小，但在全波整流电路中，二极管必须耐压高，而且因为采用了中心抽头，变压器线圈的匝数增加了一半，整个体积增加，所以在实际应用电路中都采用下面介绍的桥式整流电路。

7.2.3桥式整流电路

桥式整流电路的结构及工作原理在第1章中已经阐述，这里我们仅画出其各处电压、电流波形图，如图7.6所示。

桥式整流电路常用的几个参数为：

由以上分析可见，桥式整流电路中二极管所承受的最大反向电压是全波整流电路管子的一半，而ID是半波整流电路管子的两倍，S是半波整流电路的。

所以可以说，桥式整流电路兼有半波和全波整流电路的优点，克服了它们的缺点。

但桥式整流电路的缺点是用四只整流元件，正向压降增大

7.3滤波电路

经过整流电路输出的直流电压含有较大的脉动分量，若采用由电容或电感等储能元件组成的滤波电路进行滤波，可以得到波形平滑的直流电压。

所以我们又常把该电路称为平滑滤波器。

7.3.1电容滤波电路

1.电路的组成及工作原理（半波整流电路）

半波整流电容滤波电路如图7.8（a）所示，各处电压和电流的波形见图7.8（b）。

未接电容时，输出电压如图7.8（b）中虚线所示。

桥式整流电容滤波的原理与半波时相同，其电路和波形如图7.9所示。

2.电容滤波的特点

（1）电容滤波使输出电压脉动成分降低了，而直流成分提高了。

这是由于电容器的储能作用造成的。

当二极管导通时，电容器充电，将能量储存起来；当二极管截止时，再把能量释放出来。

因此，输出电压的波形比较平滑，同时也提高了输出电压的平均值。

（3）电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小。

这是由于输出电流增大时，电容的放电过程加快，输出电压的平均值减小了。

通常把输出电压的平均值Uo和输出电流的平均值Io之间的关系曲线称为电路的外特性。

如图7.10所示。

由图可知，该电路的输出电压随输出电流的增大而下降得很快。

这种特性称之为软特性。

所以电容滤波电路适用于负载电流小而且变化不大的场合。

（4）电容滤波电路中，整流二极管的导电角小于，而且电容放电时间常数越大，导电角越小。

二极管在短暂的导电时间里，有很大的浪涌电流流过，这对管子的寿命不利。

所以在选择二极管时，应考虑它能承受的最大冲击电流。

一般选择它承受的正向电流能力大于输出平均电流的2～3倍。

例7.1某单相桥式整流电容滤波电路如图7.9所示。

已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=250欧，要求输出直流电压UO=20V，试求：

（1）变压器二次电压U2；

（2）流过每个整流二极管的电流ID；

（3）整流二极管承受的最高反向电压URM；

（4）滤波电容的容量和耐压。

7.4稳压电路

为了保证输出直流电压的稳定，我们在整流滤波电路之后接入稳压电路。

7.4.1稳压电路的主要指标

1.稳压系数Sr

稳压系数Sr是当负载固定时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。

这个指标反映了当电网电压波动的影响，表示稳压电路保持输出电压稳定的能力。

Sr越小，输出电压越稳定。

由于工程上常常把电网电压波动±10%作为极限条件，因此也有将此时的输出电压的相对变化作为衡量的指标，称为电压调整率。

2.输出电阻Ro

Ro定义为：

在整流滤波后输入到稳压电路的直流电压不变时，稳压电路的输出电压变化量△UO与输出电流变化量△IO之比。

Ro反映了当负载变化时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。

显然，Ro越小，输出电压越稳定。

除了以上两个主要指标外，还有一些指标，如反映输出电压脉动的最大纹波电压，通常为输出中100Hz的交流成分，常用有效值或峰值表示；还有反映输出受温度影响的温度系数，它定义为输入电压和负载电流保持不变时，并且在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比。

直流稳压电路按电路原理可分为参数型稳压电路（例如稳压管稳压电路）和反馈调整型稳压电路（例如串联稳压电路）两类。

在小功率电子设备中，目前广泛使用的稳压电路多是稳压管稳压电路和串联稳压电路。

硅稳压管稳压电路的工作原理在第一章中已作介绍，该电路结构简单，稳压性能较好，稳压系数可达10-2，内阻是几欧到几十欧，因而得到广泛应用。

缺点是输出电压不能调节，且受稳压管工作电流的限制，输出电流不能太大，尤其输出电流变化不能太大。

因此，在要求输出直流电压连续可调、输出电流大的情况下，就需要采用串联型晶体管稳压电路。

7.4.2串联型直流稳压电路

1.串联型直流稳压电路的引入

从稳压管稳压电路的工作原理可知，稳压管是靠改变它所取的电流来进行调节的，它的调节范围是Izmax～Izmin。

当电网电压不变时，负载电流的变化范围也就是稳压管电流的调节范围，但这个变化范围有所限制，如何扩大呢？

当然首当其冲的想法就是在负载前串一个可变电阻，我们可以调节可变电阻的大小来改变加到负载上的电压，以保持输出电压的稳定，而这个“可变电阻”如何实现呢？

在实际电路中，我们是用晶体管代替可变电阻来实现自动调节的。

其思想是：

共集电极电路在三种基本组态电路中的输出电阻最小，输出电压最稳定。

如果在共集电极电路基础上再引入系统的串联电压负反馈，则输出电阻会进一步减小，输出电压会进一步稳定。

串联型稳压电路由基准电压源、比较放大电路、调整电路和采样电路四部分组成。

2.串联稳压电路

如图7.13所示。

图中DZ和R组成稳压环节，用于产生基准电压。

T是晶体三极管。

稳压过程：

由上述稳压过程可以看到，该电路构成了一个闭合的负反馈系统，三极管T是起调整作用的，所以叫做调整管。

因调整管和负载是串联的，因此叫做串联型稳压电路

该电路与稳压管稳压电路相比较，其优点是输出电流大，且输出电流变化范围大。

在稳压管稳压电路中，负载电流的变化量要由稳压管电流变化量补偿，而在串联稳压电路中，稳压管只需提供基极电流变化量，负载电流变化量则为基极电流变化量的（1+）倍，因此负载电流可以较大。

该电路的缺点是输出电压不能调节。

此外，由于调整管的作用是依靠偏差△UBE=UZ—△U0来实现的，因此必须有偏差才能调整，所以Uo不可能达到绝对稳定，只能基本稳定，因此电路的稳压性能较差。

若将偏差放大后再去控制调整管，那么调整管的作用就会大大提高，从而提高电路的稳压性能，由此引入具有放大环节的稳压电路。

3.具有放大环节的串联稳压电路

（1）电路

图7.14是具有放大环节的串联型晶体管稳压电路的原理图。

它的输入电压UI是由整流滤波电路供给的。

电阻R1和R2组成分压器，其作用是把输出电压的变化量取出一部分加到由T2组成的放大器的输入端，所以叫做取样电路。

电阻R3和稳压管DZ组成稳压管稳压电路，用以提供基准电压，使T2的发射极电位固定不变。

晶体管T2组成放大器，起比较和放大信号的作用。

R4是T2的集电极电阻，也是T1的偏流电阻。

从T2集电极输出的信号直接加到调整管T1的基极。

由图7.14可以看出，具有放大环节的串联型晶体管稳压电路是由调整元件、比较放大、基准电压和取样电路等几部分组成的。

它的方框图如图7.15所示。

（2）工作原理

稳压电路的稳压过程是这样的：

如果由于电网电压降低或负载电流加大使输出电压Uo降低时，通过R1和R2的分压作用，T2的基极电位UB2下降，由于T2的发射极电位UE2被稳压管DZ稳住而基本不变，二者比较的结果，使T2的发射结正向电压UBE2减小，从而使T2的Ic2减小和UC2增高。

UC2的升高又使T1的IB1和IC1增大，UCE1减小，最后使输出电压恢复到接近原来的数值。

以上过程可以表示为

Uo↓→UB2↓→UBE2↓→IC2↓→UC2↑→IB1↑→IC1↑→Uo↑

同理，当Uo升高时，通过负反馈作用使Uo基本保持不变。

很显然，当放大器的放大倍数越大时，输出电压的稳定度就越高。

（3）输出电压的大小和调节方法

在图7.14中，若忽略T2的基极电流的影响，则有

上面所讨论的串联反馈型稳压电路存在一些缺点，而相应地几种改进电路，这里我们综述如下：

①电网电压波动引起Ui波动时，将通过放大管集电极电阻R4影响调整管的基极电位，并引起输出电压Uo的波动。

由此引进带辅助电源的串联稳压电路。

②当环境温度变化引起放大管T2静态工作点漂移时，将引起输出电压的不稳定。

由此引进差动放大电路代替T2进行比较放大。

③当负载电流变化较大时，调整管基极电流的变化也相应较大，势必要求放大管T2的集电极电流也要有相当大的变化范围，一般小功率三极管较难实现。

由此采用复合管代替调整管。

④增加集电极负载电阻R4可增加放大电路的放大倍数，但同时会使调整管得不到合适的静态工作点，而使稳压电流不能正常工作。

由此我们可采用恒流源负载代替R4。

⑤当负载电流过大或负载短路时，流过调整管的电流也大，并承担全部输入电压，极易超过调整管的额定功耗值而烧毁，因此，我们引入限流型、截流型等保护电路。