聪明文档网

聪明文档网

最新最全的文档下载
当前位置: 首页> 【精品】稳压电源具体介绍

【精品】稳压电源具体介绍

时间:    下载该word文档
稳压电源具体介绍
第一章稳压电源的分类
一、稳压电源的分类
稳压电源的分类方法繁多,按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源;按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源;按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源;按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源,等等。如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着头脑,不知道从哪里入手。其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系,只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。
既然我们谈的是稳压电源的分类,那么首先就应该清楚电源的输出是什么,是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了,首先应该根据电源的输出类型来分类。接下来的分类就要麻烦一些,是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢?其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类,一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源,比如收音机、小型音响等;一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源,比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大,就不好一概而论,应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。当然这里所谈的分类只是根
1/53

稳压电源具体介绍
据直流稳压电源的特点给出一个大致的分类思路,图111是根据上面的思路划分的稳压电源种类:
2/53

稳压电源具体介绍
二、专题结构介绍
直流稳压电源技术专题将基本根据图111的结构对直流稳压电源进行系统的介绍,主要的内容有:
·稳压电源的分类
·直流稳压电源基础(基本性能指标、元器件基础、电路基础)
·并联稳压电源(硅稳压二极管型、晶体管型)
·串联稳压电源(简单串联型、串联反馈型、带放大器的串联反馈型、其他串联型)
·集成串联稳压器(三端稳压器、低压差稳压器等)
·开关电源原理
·各类常见开关电源
·集成开关电源
希望我们这个专题能够给广大电子爱好者带来帮助。
第二章稳压电源基础
2/53

稳压电源具体介绍
一、电子元件基础知识
直流稳压电源中主要使用这些电子元件:电阻、电容、变压器、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路等,有些直流稳压电源可能还有发光二极管、电流表、电压表元件用于工作状态的指示。这些电子元件主要分为无源器件和有源器件两大类。其中无源器件是电阻、电容、变压器、电感;有源器件是二极管、三极管、场效应管、集成电路。无源器件就不必说了,下面我们主要介绍一下有源器件的基础知识。
1、二极管
二极管是我们通常情况下的俗称,它的学名叫晶体二极管或半导体二极管。二极管就是由一个PN结,加上相应的电极引线封装而成。二极管按材料分类有硅材料和锗材料;按功能分类又可以分为整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、肖特基二极管、发光二极管等。常用的二极管主要是利用PN结的单向导电性进行工作如:整流二极管、检波二极管、开关二极管等。但是二极管还有一些比较特殊的性能,比如稳压二极管反向击穿后两端电压保持不便;变容二极管PN结间的结电容会随着外加电压的变化而发生变化;发光二极管通电后能够发光。
1)二极管的主要参数
正向电流IF
3/53

稳压电源具体介绍
在额定功率下,允许通过二极管的电流值。
正向电压降VF
二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降。
波电流的平均值。
反向电压值。
最大整流电流(平均值)IOM
在半波整流连续工作的情况下,允许的最大半反向击穿电压VB
二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的4/53

稳压电源具体介绍
正向反向峰值电压VRM
二极管正常工作时所允许的反向电压峰值,通VRMVP的三分之二或略小一些。
反向电流IR
在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。
结电容C
电容包括电容和扩散电容,在高频场合下使用时,要求结电容小于某一规定数值。
最高工作频率FM
二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。
2)直流稳压电源中常用的二极管
直流稳压电源中常用的二极管有整流二极管、稳压二极管和发光二极管。
3/53

稳压电源具体介绍
整流二极管
将交流电流变为直流电流的二极管叫作整流二极管,它是面结合型晶体二极管,因结电容大,故工作频率低。通常,IF1安以上的二极管采用金属壳封装,以利于散热;IF1安以下的采用塑料封装。由于近代工艺水平的提高,也有一些较大功率的二极管也采用塑封形式。在电路原理图中整流二极管用图211的符号表示。
稳压二极管
稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管,它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点来达到稳压的目的。因为它能在电路中起稳压作用,故称为稳压二极管(简称稳压管)。在电路原理图中稳压二极管用图212的符号表示。

4/53

稳压电源具体介绍

5/53

稳压电源具体介绍
稳压管的伏安特性曲线如图213所示。当反向电压达到VZ时,即使电压有一微小的增加,反向电流亦会猛增(反向击穿曲线很徒直)这时,二极管处于击穿状态,如果把击穿电流限制在一定的范围内,管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作。
2、三极管
三极管的学名叫晶体三极管或半导体三极管,可以说它是电子电路中最重要的器件。三极管最基本的作用是放大作用。它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,当然这种转换仍然遵循能量守恒,它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管还可以作电子开关,配合其它元件还可以构成振荡。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成,而三极管由两PN结构成。共用的一个电极称为三极管的基极(用字母b表示),其他的两个电极称为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式,形成了一种是NPN型的三极管,另一种是PNP型的三极管。因此三极管的电路图符号有两种:箭头朝外的是NPN型三极管,而箭头朝内的是PNP
4/53

稳压电源具体介绍
型。有一个箭头的电极是发射极,实际上箭头所指的方向是电流的方向。这两种类型的三极管电路图符号见图:214
5/53

稳压电源具体介绍
三极管的种类很多,并且不同型号各有不同的用途。前面说PNP型和NPN型是从结构工艺上来分类。按照制造材料分类,有锗管和硅管;按照工作频率分类,有低频管和高频管;一般低频管用以处理频率在3MHz以下的电路中高频管的工作频率可以达到几百兆赫。按照允许耗散的功率大小分类,有小功率管和大功率管;一般小功率管的额定功耗在1W以下,而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上。常见的三极管大多采用是塑料封装或金属封装。
1)三极管的主要参数
电流放大系数β
在静态情况下,三极管集电极的直流电流Ic与基极电流Ib的比值,称为三极管的静态电流放大系数。在动态情况下,集电极电流的变化量ΔIc基极电流的变化量ΔIb的比值,称为三极管的动态电流放大系数(或交流放大系数)。因为通常情况下三极管的静态电流放大系数与动态电流放大系统相差很小,实际使用时一般混用这两个参数而不加以区别。集电极反向饱和电流Icbo
发射极开路,在集电极与基极之间加上一定的反向电压时,所对应的反向电流。
穿透电流Iceo
指基极开路,集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流IcboIceo的关系为:Iceo=(β1Icbo
IcboIceo都是衡量三极管热稳定性的重要参数。共射极截止频率fβ
三极管的β值是频率的函数,中频段β=βo几乎与频率无关。但是随着频率的增高,β值下降。当β值下降到中频段0.707βO时,所对应的频率,称为共射极截止频率,用fβ表示。特征频率fT
当三极管的β值下降到β1时所对应的频率,称为特征频率。在f
β值与f几乎成线性关系,f越高,β越小,当工作频率ffTβfT的范围内,
时,三极管便失去了放大能力。最大允许集电极耗散功率PCM
PCM是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时,集电极耗散的最大功率。当实际功耗Pc大于PCM时,不仅使三极管的参数发生变化,甚至还会烧毁三极管。
5/53

稳压电源具体介绍
最大允许集电极电流ICM
IC很大时,β值逐渐下降。一般规定在β值下降到额定值的23(或12)时所对应的集电极电流为ICM。当ICICM时,β值已减小到不实用的程度,且有烧毁三极管的可能。反向击穿电压BVCEOBVCEO
BVCEO是指基极开路时,集电极与发射极间的反向击穿电压。BVCBO是指发射极开路时,集电极与基极间的反向击穿电压。2)三极管的三种工作状态
截止状态
当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。
6/53

稳压电源具体介绍
放大状态
当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数βΔIc/ΔIb,这时三极管处放大状态。饱和导通状态
当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作用,集电极与发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。3、场效应管
场效应晶体管FET简称场效应管,它属于电压控制型半导体器件具有输入电阻高(108109Ω)、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中,应用最为广泛的是MOS场效应管,简MOS管(即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET);此外还有PMOSNMOSVMOS功率场效应管,以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分,场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。部分场效应管的电路图符号见图215所示。
6/53

稳压电源具体介绍
由于场效应管的
种类比较多,后面介绍具体电路时在详细介绍每种场效应管的内容,这里就不详细介绍了。
7/53

稳压电源具体介绍
二、直流稳压电源的技术指标

直流稳压电源的技术指标可以分为两大类:一类是特性指标,反映直流稳压电源的固有特性,如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围;另一类是质量指标,反映直流稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电压及温度系数等。
1、特性指标
1)输出电压范围
符合直流稳压电源工作条件情况下,能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入-输出电压差所规定,而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。2)最大输入-输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下,所允许的最大输入-输出之间的电压差值,其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。
3)最小输入-输出电压差
该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下,所需的最小输入-输出之间的电压差值。4)输出负载电流范围
输出负载电流范围又称为输出电流范围,在这一电流范围内,直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。
2、质量指标
1)电压调整率SV
电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标,又称为稳压系数或稳定系数,它表征当输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压VO稳定的程度,通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。电压调整率公式见图221
2)电流调整率SI

7/53

稳压电源具体介绍
电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标,又称为电流稳定系数。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222

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223
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
8/53

稳压电源具体介绍
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231

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232。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233a)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。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233b)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。


9/53

稳压电源具体介绍

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236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。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237b)所示,其电流流向如图238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237c)所示,其电流流向如图239所示。在2π~3π、3π~4π等后续
10/53

稳压电源具体介绍
周期中重复上述过程,这样电源正负两个半周的电压经过D1D2整流后分别加R1两端,R1上得到的电压总是上正下负,其波形如图237d)所示。
11/53

稳压电源具体介绍


11/53

稳压电源具体介绍

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D1D2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。
12/53

稳压电源具体介绍

由图2313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D4D2导通,电流由变压器B1次级上端经过D4R1D2回到变压器B1次级下端;由图2314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D1D3导通,电流由变压器B1次级下端经过D1R1D3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。

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D1D2承受的反向峰值电压为:
13/53

稳压电源具体介绍

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。
14/53

稳压电源具体介绍
通常情况下桥式整流电路都简化成图2317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2318。由图2319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2320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R1C1并联,R1足够大时,R1两端的电压即为接近2B1次级电压。

14/53

稳压电源具体介绍

二倍压整流电路还有另外一种形式的画法,见图2321,其原理与图2318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2322

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2323,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
15/53

稳压电源具体介绍
电压波形见图2324b)。
16/53

稳压电源具体介绍


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2326。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。

3RC滤波电路
16/53

稳压电源具体介绍
使用两个电容和一个电阻组成RC滤波电路,又称πRC滤波电路。见图2327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。R1C2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
17/53

稳压电源具体介绍

4LC滤波电路
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2328

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2329,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。

2329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T1β值确定,β值高,R可取值稍大,只要
17/53

稳压电源具体介绍
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。4、整流滤波电路总结
18/53

稳压电源具体介绍
1)常用整流电路性能对照
每个原件承受
每个原件的

平均电流
最大反向电压
3.14UI3.14U0.5I1.571U0.5I
变压器次级
电压有效值2.221Ue1.111Ue1.111U2e
变压器次级电流有效值1.571I0.786I1.111I
电路名称半波整流全波整流桥式整流
注:U为负载两端电压值;I为负载上电流值;e为整流二极管压降,一般取0.7V2)常用无源滤波电路性能对照
电路名称滤波效果输出电压输出电流电容滤波
稍差

稍小
应用特点
结构简单。由于大容量滤波电容的广泛使用,克服了滤波效果稍差的缺点,广泛用于各类电源电路。
电源电路中较少使用。
常用于电子管收音机电路和各种高低频退耦电路。
电源电路中较少使用
电感滤波RC滤波LC滤波
较差较好很好
较高
稍小
3)电容滤波电路输出电流大小与滤波电容量的关系输出电流A电容量(μF)
4)常用整流滤波电路计算表
电路名称输入交流负载开路带负载时每个二极每个二极需要使用(均使用电压时输出输出电压管的最大管通过的的二极管电容滤波)(有效值)电压(估计值)反向电压电流数量半波整流E1.414EE2.828EI1
18/53
24000
12000
0.510.10.50.0511000
500
200500
0.05200

稳压电源具体介绍
全波整流桥式整流二倍压
2EEE1.414E1.414E2.828E1.2E1.2E2E2.828E1.414E2.828E0.5I0.5II242
19/53

稳压电源具体介绍
第三章并联稳压电源
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
311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D1R2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
19/53

稳压电源具体介绍
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D1R1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UD1UR2ID1≈(IR2max来初步选定稳压管D1,如果负载有可能开路则应选择(ID1max≈(23)(IR2max,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=(23UR23)选定限流电阻R1
R1=(UIUR2/ID1IR2但是需要考虑两种极限情况:
UI最大,且负载开路时(即IR20),流过D1的电流最大。为了不超过D1的最大允许电流(ID1max,需要有足够大的电流电阻,否则会烧坏D1。则R1需要满足:
R1>((UImaxUR2/ID1max
UI最小,且负载电流最大时,流过D1的电流最小。为了保证此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5mA10mA。则R1需要满足:
R1<((UIminUR2/ID1+(IR2max
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R1UI,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
1、电路原理分析
312是晶体管并联稳压电源。其中T1是调整管、D1是基准稳压管,R1D1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T1D1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βD1稳压效果的稳压管。
20/53

稳压电源具体介绍

电路工作原理是:
UI↑→UD1↑→(UT1EC↑→(IT1EC↑→IR2↑→UR2↑→(UT1ECUI↓→UD1↓→(UT1EC↓→(IT1EC↓→IR2↓→UR2↓→(UT1EC2、元件选择
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。2)选定输入电压
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PI2R),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。4)检查电路稳定度
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R1UI,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
313是一种使用复合调整管的并联稳压电源,与图312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312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。
21/53

稳压电源具体介绍

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。
第四章串联稳压电源
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
411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UD1T1发射结电压(UT1BET1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UOUD1-(UT1BE。当输出电压远大于T1发射结电压时,可以忽略(UT1BE,则UO≈UD1
22/53

稳压电源具体介绍

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,T1的发射极电压UT1E降低,由于UD1保持不变,从而造成T1发射结电压(UT1BE上升,引起T1基极电流(IT1B上升,从而造成T1发射极电流(IT1E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(UT1CE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↓→(UT1E↓→UD1恒定→(UT1BE↑→(IT1B↑→(IT1E↑→(UT1CE↓→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↑→(UT1E↑→UD1恒定→(UT1BE↓→(IT1B↓→(IT1E↓→(UT1CE↑→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UO=(UT1E≈(UT1B,由于(UT1B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(UT1CE,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
411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7718管台式收音机上。其中T8DZR18构成简易稳压电路,B6D4D7C21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。
23/53

稳压电源具体介绍

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。1、原理分析
421是串联负反馈稳压电路电路图,其中T1是调整管,D1R2组成基准电压,T2为比较放大器,R3R5组成取样电路,R6是负载。其电路组成框图见图422
假设由于某种原因引起输出电压UO降低时,通过R3R5的取样电路,引起T2基极电压(UT2O成比例下降,由于T2发射极电压(UT2E受稳压管D1的稳压值控制保持不变,所以T2发射结电压(UT2BE将减小,于是T2基极电流(IT2B减小,T2发射极电流(IT2E跟随减小,T2管压降(UT2CE增加,导致其发射极电压(UT2C上升,即调整管T1基极电压(UT1B将上升,T1管压降(UT1CE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。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示:
UO↓→(UT2O↓→UD1恒定→(UT2BE↓→(IT2B↓→(IT2E↓→(UT2CE→(UT2C↑→(UT1B↑→(UT1CE↓→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↑→(UT2O↑→UD1恒定→(UT2BE↑→(IT2B↑→(IT2E↑→(UT2CE→(UT2C↓→(UT1B↓→(UT1CE↑→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。
24/53

稳压电源具体介绍

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。T2β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R3R5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R3R5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(UT2B

R4滑动到最上端时T2基极电压(UT2B为:
此时输出
电压为:
25/53

稳压电源具体介绍

这时的输出电压是最小值。
R4滑动到最下端时T2基极电压(UT2B为:

此时输出电压为:
这时的输
出电压是最大值。
以上计算中,当(UT2BE<D1时可以忽略(UT2BE的值。通过上面的计算我们可以看出,只要合适选择R3R5的阻值就可以控制输出电压UO的范围,改变R3R5的阻值就可以改变输出电压UO边界值。
3、增加输出电流
当输出电流不能达到要求时,可以通过采用复合调整管的方法来增加输出电流。一般复合调整管有四种连接方式,如图427所示。
26/53

稳压电源具体介绍

427中的复合管都是由一个小功率三极管T2和一个大功率三极管T1连接而成。复合管就可以看作是一个放大倍数为βT1βT2极性和T2一致,功率为(PT1PCM的大功率管,而其驱动电流只要求(IT2B
428是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图427a)中的复合管连接方法来增加输出电流大小。另外还增加了一个电容C2它的主要作用是防止产生自激振荡,一旦发生自激振荡可由C2其旁路掉。
27/53

稳压电源具体介绍

三、设计实例
这一节我们综合运用前面各章节的知识,根据给定条件实际设计一个直流稳压电源,通过这个设计实例更好的掌握串联负反馈稳压电源的设计。由于是业余条件下的设计,有些参数指标并没有过多考虑,有部分参数以经验值进行估算。这样可以避免涉及过深、过多的理论知识,对于业余条件下的应用完全可以满足。1、电路指标
①直流输出电压UO6V15V②最大输出电流IO500mA
③电网电压变化±10%时,输出电压变化小于±1%;2、电路初选
431:直流稳压电源电路设计初选电路图
由于桥式整流、电容滤波电路十分成熟,这里我们选择桥式整流、电容滤波电路作为电源的整流、滤波部分。由于要求电源输出电压有一定的调整范围,稳压电源部分选择串联负反馈稳压电路。同时由于对输出电流要求比较大,调整管必须采用复合管。综合这些因素可以初步确定电路的形式,参见图429
28/53

稳压电源具体介绍
3、变压部分
这一部分主要计算变压器B1次级输出电压UB1O和变压器的功率PB1
一般整流滤波电路有2V以上的电压波动(设为ΔUD调整管T1的管压降UT1CE应维持在3V以上,才能保证调整管T1工作在放大区。整流输出电压最大值为15V。根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知,桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍。
当电网电压下降-10%时,变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作,那么变压器B1次级输出电压(UB1OMIN应该是:UB1OMIN=(ΔUD+(UT1CE+(UOMAX)÷1.2
UB1OMIN=(2V3V15V)÷1.2=20V÷1.2=16.67V则变压器B1次级额定电压为:UB1O=(UB1OMIN÷0.9
UB1O=16.67V÷0.9=18.5V
当电网电压上升+10%时,变压器B1的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流(IOMAX500mA。此时变压器次级电压(UB1OMAX为:UB1OMAX=(UB1O×1.1
UB1OMAX=18.5V×1.1=20.35V
变压器B1的设计功率为:PB1=(UB1OMAX×(IOMAX
PB1=20.35V×500mA=10.2VA
为保证变压器留有一定的功率余量,确定变压器B1的额定输出电压为18.5V额定功率为12VA实际购买零件时如果没有输出电压为18.5V的变压器可以选用输出电压为18V或以上的变压器。当选用较高输出电压的变压器时,后面各部分电路的参数需要重新计算,以免由于电压过高造成元件损坏。
4、整流部分
这一部分主要计算整流管的最大电流(ID1MAX和耐压(VD1RM由于四个整流管D1D4参数相同,所以只需要计算D1的参数。
29/53

稳压电源具体介绍

30/53

稳压电源具体介绍
根据第二章《常用整流滤波电路计算表》可知,整流管D1的最大整流电流为:ID1MAX=0.5×IO
ID1MAX=0.5×500mA=0.25A
考虑到取样和放大部分的电流,可选取最大电流(ID1MAX0.3A
整流管D1的耐压VD1RM即当市电上升10%时D1两端的最大反向峰值电压为:
VD1RM≈1.414×(UB1OMAX=1.414×1.1×(UB1O≈1.555×(UB1OVD1RM≈1.555×18.5V≈29V
得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表,这里我们选择额定电流1A,反向峰值电压50VIN4001作为整流二极管。5、滤波部分
这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。
根据根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为35×0.5×T÷R,一般系数取5由于市电频率是50Hz所以T0.02SR为负载电阻。
当最不利的情况下,即输出电压为15V负载电流为500mA时:C1=5×0.5×T÷(UO÷IO
C1=5×0.5×0.02S÷(15V÷0.5A)≈1666μF
当市电上升10%时整流电路输出的电压值最大,此时滤波电容承受的最大电压为:VC1=(UB1OMAX20.35V
实际上普通电容都是标准电容值,只能选取相近的容量,这里可以选择2200μF的铝质电解电容。耐压可选择25V以上,一般为留有余量并保证长期使用中的安全,可将滤波电容的耐压值选大一点,这里选择35V6、调整部分
调整部分主要是计算调整管T1T2的集电极-发射极反向击穿电压BVT1最大允许集电极电流IT1最大允许集电极耗散功率PT1CEOCMCM
在最不利的情况下,市电上升10%,同时负载断路,整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上,这时调整管T1的集电极-发射极反向击穿电压(BVT1CEO为:
BVT1CEO=(UB1OMAX20.35V
考虑到留有一定余量,可取(BVT1CEO25V
当负载电流最大时最大允许集电极电流(IT1CM为:IT1CMIO500mA
考虑到放大取样电路需要消耗少量电流,同时留有一定余量,可取(IT1CM600mA
这样大允许集电极耗散功率(PT1CM为:PT1CM=((UB1OMAXUOMIN)×(IT1CMPT1CM=(20.35V-6V)×600mA=8.61W
考虑到留有一定余量,可取(PT1CM10W
查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为:PCM20WICM1ABVCEO≥50V,完全可以满足要求。如果实在无法找到
30/53

稳压电源具体介绍
3DD155A也可以考虑用3DD15A代替,该管参数为:PCM50WICM5ABVCEO≥60V。选择调整管T1时需要注意其放大倍数β≥40。
31/53

稳压电源具体介绍
调整管T2各项参数的计算原则与T1类似,下面给出各项参数的计算过程。
BVT2CEO=(BVT1CEO=(UB1OMAX20.35V
同样考虑到留有一定余量,取(BVT2CEO25VIT2CM=(IT1CM÷βT1IT2CM=600mA÷40=15mA
PT2CM=((UB1OMAXUOMIN)×(IT2CM
PT2CM=(20.35V6V)×15mA=0.21525W
考虑到留有一定余量,可取(PT2CM250mW
查询晶体管参数手册后选择3GD6D作为调整管T2。该管参数为:PCM500mWICM20mABVCEO≥30V,完全可以满足要求。还可以采用9014作为调整管T2,该管参数为:PCM450mWICM100mABVCEO≥45V,也可以满足要求。
选择调整管T2时需要注意其放大倍数β≥80。则此时T2所需要的基极驱动电流为:IT2MAX=(IT2CM÷βT1=15mA÷80=0.1875mA7、基准电源部分
基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN,但是也不能过小,否则会影响稳定度。这里选择稳压值为3V2CW51,该型稳压管的最大工作电流为71mA,最大功耗为250mW。为保证稳定度,稳压管的工作电流ID5该尽量选择大一些。而其工作电流ID5=(IT3CEIR2,由于(IT3CE在工作中是变化值,为保证稳定度取IR2>>(IT3CE,则ID5≈IR2这里初步确定IR2MIN8mA,则R2为:R2=(UOMINUD5)÷IR2MIN
R2=(6V3V)÷8mA=375Ω
实际选择时可取R2390Ω当输出电压UO最高时,IR2MAX为:IR2MAXUOMAX÷R2
IR2MAX=15V÷390≈38.46mA
这时的电流IR2MAX小于稳压管D5的最大工作电流,可见选择的稳压管能够安全工作。8、取样部分
取样部分主要计算取样电阻R3R4R5的阻值。
由于取样电路同时接入T3的基极,为避免T3基极电流IT3B取样电路分压比产生影响,需要让IT3B>>IR3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区,需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流(IT1CEMIN由于3DD155A最小工作电流(IT1CEMIN1mA,因此取IR3MIN10mA。则可得:R3R4R5UOMIN÷IR3MIN
R3R4R5=6V÷10mA=600Ω
当输出电压UO6V时:
UD5+(UT3BE=(R4R5)÷(R3R4R5)×UO
R4R5)=(UD5+(UT3BE)×(R3R4R5)÷UOR4R5)=(3V0.7V)×600Ω÷6V=370Ω
31/53

稳压电源具体介绍
当输出电压UO15V时:
32/53

稳压电源具体介绍
UD5+(UT3BE=R5÷(R3R4R5)×UO
R5=(UD5+(UT3BE)×(R3R4R5)÷UOR5=(3V0.7V)×600Ω÷15V=148Ω
实际选择时可取R5150Ω。这样R4220Ω,R3230Ω。但实际选择时可取R3220Ω。9、放大部分
放大部分主要是计算限流电阻R1和比较放大管T3的参数。由于这部分电路的电流比较小,主要考虑T3的放大倍数β和集电极-发射极反向击穿电压(BVT1CEO
这里需要T3工作在放大区,可通过控制T3的集电极电流IT3C来达到。而(IT3C是由限流电阻R1控制,并且有:IR1=(IT3C+(IT2B
一方面,为保证T1能够满足负载电流的要求,要求满足IR1>(IT2B;另一方面,为保证T3稳定工作在放大区,以保证电源的稳定度,其集电极电流(IT3C不能太大。
这里可以选IR11mA,当输出电压最小时,则R1为:R1=((UB1OUO-(UT1BE-(UT2BE)÷IR1R1=(15V6V0.7V0.7V)÷1mA=7.6KΩ实际选择时可取R17.5KΩ。当输出电压最大时,IR1为:IR1=((UB1OUO-(UT1BE-(UT2BE)÷R1
IR1=(15V6V0.7V0.7V)÷7.5KΩ≈1.013mA
可见当输出电压最大时IR1上升幅度仅1%,T3工作点影响不大,可满足要求。
由于放电电路的电流并不大,各项电压也都小于调整电路,可以直接选用3GD6D9014作为放大管T310、其他元件
T2的基极与地之间并联有电容C2此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性,一般可取0.01μF/35V。在电源的输出端并联的电容C3是为提高输出电压的稳定度,特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用,可选470μF/25V铝电解电容。10、总结
通过前面的计算,已经得到了所有元件的参数。可以将这些参数标注到图431中,这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图,见432这里计算的其实都还只是初步的参数,实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求,各部分元件工作是否正常。如果发现问题,应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数,最终完成稳压电源的设计。
32/53

稳压电源具体介绍
四、串联稳压电源的改进措施

前面介绍的串联负反馈稳压电源只是一种基本的稳压电路,实际使用中的稳压电源可能会有各种各样的特殊要求。有些要求更高的电压稳定度,有些要求更大的输出电流能力,有些要求有短路保护。这样就需要针对不同的要求对前面介绍的电路进行改进。下面就对串联负反馈稳压电源的各种改进措施进行介绍。1、改善稳定度
一般改善稳定度的方法有:使用恒流源负载、增加电压放大部分的级数、采用辅助的稳定电源、增加补偿电路等方法。使用恒流源负载
由于串联负反馈稳压电路是通过输出电压的变化量,经放大后来调节调整管的管压降达到稳压的目的。当放大倍数越高,电源的稳定度就越高。对于三极管放大器,当集电极电阻越大同时输入电阻越小时,放大倍数就越大。但集电极电阻过大会造成集电极电流过小,会造成输入电阻增大。为解决这个矛盾,可以使用恒流源负载代替集电极电阻。
441是一种使用三极管恒流源的稳压电路。图中虚线框内的T4D2R6R7组成恒流源电路,作为T3发射极负载。
33/53

免费下载 Word文档免费下载: 【精品】稳压电源具体介绍

  • 29.8

    ¥45 每天只需1.0元
    1个月 推荐
  • 9.9

    ¥15
    1天
  • 59.8

    ¥90
    3个月

选择支付方式

  • 微信付款
郑重提醒:支付后,系统自动为您完成注册

请使用微信扫码支付(元)

订单号:
支付后,系统自动为您完成注册
遇到问题请联系 在线客服

常用手机号:
用于找回密码
图片验证码:
看不清?点击更换
短信验证码:
新密码:
 
绑定后可用手机号登录
请不要关闭本页面,支付完成后请点击【支付完成】按钮
遇到问题请联系 在线客服