【圖】線性直流穩壓電源電路詳解
(2023/10/14 11:00:00)
線性直流穩壓電源電路詳解
線性直流穩壓電源電路詳解
線性直流穩壓電源是先把交流電網中的交流電變為單向脈動的直流電，再通過濾波和穩壓電路，最終輸出穩定的直流電壓的器件。
7.1 直流穩壓電源的組成
電子設備通常需要電壓穩定的直流電源對負載供電。當然可以采用干電池、蓄電池供電，比如：我們常用的收音機、MP3等，也可以采用其它直流電源供電(如太陽能電池)，但它們一般容量小，相對不是很經濟，因此，在有交流電網的情況下，一般采用交流電網將交流電轉換成穩定的直流電。直流穩壓電源的組成如圖7.1所示，一般包括以下幾個部分：
(1) 電源變壓器
將交流電網所提供的單相220V或三相380V的交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓。
(2) 整流電路
將電網提供的正負變換的交流電壓變為單向脈動的直流電壓。但這種單向脈動的直流電壓除含有直流成分外，還包含有很多幅度較大的諧波分量，因此脈動很大，距離理想的直流電壓還差很遠。
(3) 濾波電路
將脈動的直流電壓變換成平滑的直流電壓。
(4) 穩壓電路
穩壓電路的作用就是使輸出電壓穩定。
一個好的直流穩壓電源，應具備輸出電壓穩定、電源內阻小、輸出紋波小等優點，同時，電路也應具有自我保護功能。
7.2 整流電路
利用二極管的單向導電性，可以將交流電變為單向脈動的直流電，這一過程稱為整流。二極管整流電路一般可分為半波整流、全波整流和橋式整流電路。
7.2.1 半波整流電路
半波整流電路如圖7.2所示。圖中T為電源變壓器，將電網電壓變換為合適的數值，D為整流二極管，RL為負載；u1、u2分別為變壓器一、二次電壓，是正弦波，uo是負載電壓，uD是二極管上的電壓。
7.2.2 全波整流電路
全波整流電路如圖7.4所示。它是利用兩個二極管交替工作，從而克服半波整流電路紋波電壓大的缺點。變壓器的兩個二次電壓大小相等，同名端如圖所示。電路中D1、D2分別在正半周和負半周內輪流導通,并且保證了流過RL的電流方向一致。
在u1正半周,即極性為上正下負時,D1導通，D2截止，負載電流io的流通路徑為：
a→D1→RL→0，
輸出電壓u0 = u2。在u1負
半周,即極性為上負下正,
此時D1截止，D2導通，負
載電流io流通路徑為：
b→D2→ RL→0，
輸出電壓u0 =－u2。
我們可以看到，在交流電的正負半周內，流過負載的電流方向一致，因此輸出電壓的極性不變。全波整流電路各電壓、電流的工作波形如圖7.5所示。
與半波整流電路相比較，全波整流電路比半波整流的效率高，功率大，且脈動小，但在全波整流電路中，二極管必須耐壓高，而且因為采用了中心抽頭，變壓器線圈的匝數增加了一半，整個體積增加，所以在實際應用電路中都采用下面介紹的橋式整流電路。
7.2.3 橋式整流電路
橋式整流電路的結構及工作原理在第1章中已經闡述，這里我們僅畫出其各處電壓、電流波形圖，如圖7.6所示。
橋式整流電路常用的幾個參數為：
由以上分析可見，橋式整流電路中二極管所承受的最大反向電壓是全波整流電路管子的一半，而ID是半波整流電路管子的兩倍，S是半波整流電路的。所以可以說，橋式整流電路兼有半波和全波整流電路的優點，克服了它們的缺點。但橋式整流電路的缺點是用四只整流元件，正向壓降增大。
線性直流穩壓電源電路詳解
線性直流穩壓電源是先把交流電網中的交流電變為單向脈動的直流電，再通過濾波和穩壓電路，最終輸出穩定的直流電壓的器件。
7.1 直流穩壓電源的組成
電子設備通常需要電壓穩定的直流電源對負載供電。當然可以采用干電池、蓄電池供電，比如：我們常用的收音機、MP3等，也可以采用其它直流電源供電(如太陽能電池)，但它們一般容量小，相對不是很經濟，因此，在有交流電網的情況下，一般采用交流電網將交流電轉換成穩定的直流電。直流穩壓電源的組成如圖7.1所示，一般包括以下幾個部分：
(1) 電源變壓器
將交流電網所提供的單相220V或三相380V的交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓。
(2) 整流電路
將電網提供的正負變換的交流電壓變為單向脈動的直流電壓。但這種單向脈動的直流電壓除含有直流成分外，還包含有很多幅度較大的諧波分量，因此脈動很大，距離理想的直流電壓還差很遠。
(3) 濾波電路
將脈動的直流電壓變換成平滑的直流電壓。
(4) 穩壓電路
穩壓電路的作用就是使輸出電壓穩定。
一個好的直流穩壓電源，應具備輸出電壓穩定、電源內阻小、輸出紋波小等優點，同時，電路也應具有自我保護功能。
7.2 整流電路
利用二極管的單向導電性，可以將交流電變為單向脈動的直流電，這一過程稱為整流。二極管整流電路一般可分為半波整流、全波整流和橋式整流電路。
7.2.1 半波整流電路
半波整流電路如圖7.2所示。圖中T為電源變壓器，將電網電壓變換為合適的數值，D為整流二極管，RL為負載；u1、u2分別為變壓器一、二次電壓，是正弦波，uo是負載電壓，uD是二極管上的電壓。
7.2.2 全波整流電路
全波整流電路如圖7.4所示。它是利用兩個二極管交替工作，從而克服半波整流電路紋波電壓大的缺點。變壓器的兩個二次電壓大小相等，同名端如圖所示。電路中D1、D2分別在正半周和負半周內輪流導通,并且保證了流過RL的電流方向一致。
在u1正半周,即極性為上正下負時,D1導通，D2截止，負載電流io的流通路徑為：
a→D1→RL→0，
輸出電壓u0 = u2。在u1負
半周,即極性為上負下正,
此時D1截止，D2導通，負
載電流io流通路徑為：
b→D2→ RL→0，
輸出電壓u0 =－u2。
我們可以看到，在交流電的正負半周內，流過負載的電流方向一致，因此輸出電壓的極性不變。全波整流電路各電壓、電流的工作波形如圖7.5所示。
與半波整流電路相比較，全波整流電路比半波整流的效率高，功率大，且脈動小，但在全波整流電路中，二極管必須耐壓高，而且因為采用了中心抽頭，變壓器線圈的匝數增加了一半，整個體積增加，所以在實際應用電路中都采用下面介紹的橋式整流電路。
7.2.3 橋式整流電路
橋式整流電路的結構及工作原理在第1章中已經闡述，這里我們僅畫出其各處電壓、電流波形圖，如圖7.6所示。
橋式整流電路常用的幾個參數為：
由以上分析可見，橋式整流電路中二極管所承受的最大反向電壓是全波整流電路管子的一半，而ID是半波整流電路管子的兩倍，S是半波整流電路的。所以可以說，橋式整流電路兼有半波和全波整流電路的優點，克服了它們的缺點。但橋式整流電路的缺點是用四只整流元件，正向壓降增大。
7.3 濾波電路
經過整流電路輸出的直流電壓含有較大的脈動分量，若采用由電容或電感等儲能元件組成的濾波電路進行濾波，可以得到波形平滑的直流電壓。所以我們又常把該電路稱為平滑濾波器。
7.3.1 電容濾波電路
1.電路的組成及工作原理（半波整流電路）
半波整流電容濾波電路如圖7.8(a)所示，各處電壓和電流的波形見圖7.8(b)。未接電容時，輸出電壓如圖7.8(b)中虛線所示。
橋式整流電容濾波的原理與半波時相同，其電路和波形如圖7.9所示。
2.電容濾波的特點
(1) 電容濾波使輸出電壓脈動成分降低了，而直流成分提高了。這是由于電容器的儲能作用造成的。當二極管導通時，電容器充電，將能量儲存起來；當二極管截止時，再把能量釋放出來。因此，輸出電壓的波形比較平滑，同時也提高了輸出電壓的平均值。
(3) 電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而減小。這是由于輸出電流增大時，電容的放電過程加快，輸出電壓的平均值減小了。通常把輸出電壓的平均值Uo和輸出電流的平均值Io之間的關系曲線稱為電路的外特性。如圖7.10所示。
由圖可知，該電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而下降得很快。這種特性稱之為軟特性。所以電容濾波電路適用于負載電流小而且變化不大的場合。 
(4) 電容濾波電路中，整流二極管的導電角小于，而且電容放電時間常數越大，導電角越小。二極管在短暫的導電時間里， 有很大的浪涌電流流過，這對管子的壽命不利。所以在選擇二極管時，應考慮它能承受的最大沖擊電流。一般選擇它承受的正向電流能力大于輸出平均電流的2～3倍。
例7.1 某單相橋式整流電容濾波電路如圖7.9所示。已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=250歐 ，要求輸出直流電壓UO=20V，試求：
(1) 變壓器二次電壓U2；
(2) 流過每個整流二極管的電流ID；
(3) 整流二極管承受的最高反向電壓URM；
(4) 濾波電容的容量和耐壓。
7.4 穩壓電路
為了保證輸出直流電壓的穩定，我們在整流濾波電路之后接入穩壓電路。
7.4.1 穩壓電路的主要指標
1.穩壓系數Sr
穩壓系數Sr是當負載固定時，穩壓電路輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。
這個指標反映了當電網電壓波動的影響，表示穩壓電路保持輸出電壓穩定的能力。Sr越小，輸出電壓越穩定。由于工程上常常把電網電壓波動±10%作為極限條件，因此也有將此時的輸出電壓的相對變化作為衡量的指標，稱為電壓調整率。
2.輸出電阻Ro
Ro定義為：在整流濾波后輸入到穩壓電路的直流電壓不變時，穩壓電路的輸出電壓變化量△UO與輸出電流變化量△IO之比。
Ro反映了當負載變化時，穩壓電路保持輸出電壓穩定的能力。顯然，Ro越小，輸出電壓越穩定。
除了以上兩個主要指標外，還有一些指標，如反映輸出電壓脈動的最大紋波電壓，通常為輸出中100Hz的交流成分，常用有效值或峰值表示；還有反映輸出受溫度影響的溫度系數，它定義為輸入電壓和負載電流保持不變時，并且在規定的溫度范圍內，單位溫度變化所引起的輸出電壓相對變化量的百分比。
直流穩壓電路按電路原理可分為參數型穩壓電路（例如穩壓管穩壓電路）和反饋調整型穩壓電路（例如串聯穩壓電路）兩類。在小功率電子設備中，目前廣泛使用的穩壓電路多是穩壓管穩壓電路和串聯穩壓電路。硅穩壓管穩壓電路的工作原理在第一章中已作介紹，該電路結構簡單，穩壓性能較好，穩壓系數可達10-2，內阻是幾歐到幾十歐，因而得到廣泛應用。缺點是輸出電壓不能調節，且受穩壓管工作電流的限制，輸出電流不能太大，尤其輸出電流變化不能太大。因此，在要求輸出直流電壓連續可調、輸出電流大的情況下，就需要采用串聯型晶體管穩壓電路。
7.4.2 串聯型直流穩壓電路
1.串聯型直流穩壓電路的引入
從穩壓管穩壓電路的工作原理可知，穩壓管是靠改變它所取的電流來進行調節的，它的調節范圍是Izmax～Izmin。當電網電壓不變時，負載電流的變化范圍也就是穩壓管電流的調節范圍，但這個變化范圍有所限制，如何擴大呢？當然首當其沖的想法就是在負載前串一個可變電阻，我們可以調節可變電阻的大小來改變加到負載上的電壓，以保持輸出電壓的穩定，而這個“可變電阻”如何實現呢？在實際電路中，我們是用晶體管代替可變電阻來實現自動調節的。其思想是：共集電極電路在三種基本組態電路中的輸出電阻最小，輸出電壓最穩定。如果在共集電極電路基礎上再引入系統的串聯電壓負反饋，則輸出電阻會進一步減小，輸出電壓會進一步穩定。
串聯型穩壓電路由基準電壓源、比較放大電路、調整電路和采樣電路四部分組成 。
2.串聯穩壓電路
如圖7.13所示。圖中DZ和R組成穩壓環節，用于產生基準電壓。T是晶體三極管。
穩壓過程：
由上述穩壓過程可以看到，該電路構成了一個閉合的負反饋系統，三極管T是起調整作用的，所以叫做調整管。因調整管和負載是串聯的，因此叫做串聯型穩壓電路
該電路與穩壓管穩壓電路相比較，其優點是輸出電流大，且輸出電流變化范圍大。在穩壓管穩壓電路中，負載電流的變化量要由穩壓管電流變化量補償，而在串聯穩壓電路中，穩壓管只需提供基極電流變化量，負載電流變化量則為基極電流變化量的(1+ )倍，因此負載電流可以較大。該電路的缺點是輸出電壓不能調節。此外，由于調整管的作用是依靠偏差△ UBE=UZ—△U0來實現的，因此必須有偏差才能調整，所以Uo不可能達到絕對穩定，只能基本穩定，因此電路的穩壓性能較差。
若將偏差放大后再去控制調整管，那么調整管的作用就會大大提高，從而提高電路的穩壓性能，由此引入具有放大環節的穩壓電路。
3.具有放大環節的串聯穩壓電路
(1) 電路
圖7.14是具有放大環節的串聯型晶體管穩壓電路的原理圖。
它的輸入電壓UI是由整流濾波電路供給的。電阻R1和R2組成分壓器，其作用是把輸出電壓的變化量取出一部分加到由T2組成的放大器的輸入端，所以叫做取樣電路。電阻R3和穩壓管DZ組成穩壓管穩壓電路，用以提供基準電壓，使T2的發射極電位固定不變。晶體管T2組成放大器，起比較和放大信號的作用。R4是T2的集電極電阻，也是T1的偏流電阻。從T2集電極輸出的信號直接加到調整管T1的基極。
由圖7.14可以看出，具有放大環節的串聯型晶體管穩壓電路是由調整元件、比較放大、基準電壓和取樣電路等幾部分組成的。它的方框圖如圖7.15所示。
(2) 工作原理
穩壓電路的穩壓過程是這樣的：如果由于電網電壓降低或負載電流加大使輸出電壓Uo降低時，通過R1和R2的分壓作用，T2的基極電位UB2下降，由于T2的發射極電位UE2被穩壓管DZ穩住而基本不變，二者比較的結果，使T2的發射結正向電壓UBE2減小，從而使T2的Ic2減小和UC2增高。UC2的升高又使T1的IB1和IC1增大，UCE1減小，最后使輸出電壓恢復到接近原來的數值。以上過程可以表示為
Uo↓→UB2↓→UBE2↓→IC2↓→UC2↑→IB1↑→IC1↑→Uo↑
同理，當Uo升高時，通過負反饋作用使Uo基本保持不變。
很顯然，當放大器的放大倍數越大時，輸出電壓的穩定度就越高。
(3) 輸出電壓的大小和調節方法
在圖7.14中，若忽略T2的基極電流的影響，則有
上面所討論的串聯反饋型穩壓電路存在一些缺點，而相應地幾種改進電路，這里我們綜述如下：
①電網電壓波動引起Ui波動時，將通過放大管集電極電阻R4影響調整管的基極電位，并引起輸出電壓Uo的波動。由此引進帶輔助電源的串聯穩壓電路。
②當環境溫度變化引起放大管T2靜態工作點漂移時，將引起輸出電壓的不穩定。由此引進差動放大電路代替T2進行比較放大。
③當負載電流變化較大時，調整管基極電流的變化也相應較大，勢必要求放大管T2的集電極電流也要有相當大的變化范圍，一般小功率三極管較難實現。由此采用復合管代替調整管。
④增加集電極負載電阻R4可增加放大電路的放大倍數，但同時會使調整管得不到合適的靜態工作點，而使穩壓電流不能正常工作。由此我們可采用恒流源負載代替R4。
⑤當負載電流過大或負載短路時，流過調整管的電流也大，并承擔全部輸入電壓，極易超過調整管的額定功耗值而燒毀，因此，我們引入限流型、截流型等保護電路。
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