畢業(yè)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 1緒論1.1課題研究背景 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國紛紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證

2、。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05v的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50w的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目

3、前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。利用數(shù)控電源，可以達(dá)到每步0.1v的精度，輸出電壓范圍09.9v，電流可以達(dá)到500ma。數(shù)控技術(shù)方面的發(fā)展是以51系列單片機(jī)為主控單元電路的拓?fù)浜蛙涢_關(guān)技術(shù)等電子技術(shù)的完善為主要標(biāo)志。數(shù)字化則應(yīng)屬于控制方面的重要發(fā)展方向，隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，將對(duì)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展起到巨大推進(jìn)作用。數(shù)控電源目前的發(fā)展，主要朝著更高的數(shù)控精度和分辨率及更好的動(dòng)態(tài)特性;更好的環(huán)保性能;智能化與高可靠性;更廣泛的應(yīng)用等方向發(fā)展。 1.2數(shù)控電源發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了一種叫作開關(guān)式穩(wěn)壓電源，這種電源是采用功率半導(dǎo)體器

4、件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高。開關(guān)電源的種類很多，按調(diào)整管與負(fù)載的連接方式可分為串聯(lián)和并聯(lián)型，串連開關(guān)穩(wěn)壓電路是降壓型電路，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是升壓型電路。按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制型（pwm）、脈沖頻率調(diào)制型（pfm）和混合調(diào)制。這其中尤以pwm最為盛行，這種電源在開關(guān)和穩(wěn)壓方面功能非常優(yōu)越，但在電壓輸出精度方面仍存在缺陷，旋鈕式遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)需求，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展給電源的發(fā)展注入新的活力，數(shù)控逐漸成為一種趨勢(shì)隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,

5、其中數(shù)控制直流穩(wěn)壓電源就是一個(gè)很好的典型例子,但人們對(duì)它的要求也越來越高,要為現(xiàn)代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的設(shè)施就需要從數(shù)字電子技術(shù)入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。數(shù)字化智能電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn):(1)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。(2)控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路。(3)控制系統(tǒng)

6、的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)(或不同型號(hào)的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。(4)系統(tǒng)維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試,也可以通過modem遠(yuǎn)程操作。(5)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。(6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進(jìn)行均流

7、控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。1.3穩(wěn)壓電源分類1.3.1交流穩(wěn)壓電源又稱交流穩(wěn)壓器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到各工業(yè)、科研領(lǐng)域后，各種電子設(shè)備都要求穩(wěn)定的交流電源供電，電網(wǎng)直接供電已不能滿足需要，交流穩(wěn)壓電源的出現(xiàn)解決了這一問題。常用的交流穩(wěn)壓電源有：鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器。由飽和扼流圈與相應(yīng)的電容器組成，具有恒壓伏安特性。磁放大器式交流穩(wěn)壓器。將磁放大器和自耦變壓器串聯(lián)而成，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩(wěn)定輸出電壓?；瑒?dòng)式交流穩(wěn)壓器。通過改變變壓器滑動(dòng)接點(diǎn)位置穩(wěn)定輸出電壓。感應(yīng)式交流穩(wěn)壓器

8、?？扛淖冏儔浩鞔?、初級(jí)電壓的相位差，使輸出交流電壓穩(wěn)定。晶閘管交流穩(wěn)壓器。用晶閘管作功率調(diào)整元件。穩(wěn)定度高、反應(yīng)快且無噪聲。但對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備造成干擾。20世紀(jì)80年代以后，又出現(xiàn)3種新型交流穩(wěn)壓電源：補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器。數(shù)控式和步進(jìn)式交流穩(wěn)壓器。凈化式交流穩(wěn)壓器。具有良好隔離作用，可消除來自電網(wǎng)的尖峰干擾。數(shù)控穩(wěn)壓電源：是通過觀察區(qū)在設(shè)備輸出端取樣，對(duì)現(xiàn)時(shí)電壓跟額定電壓作出比較、核對(duì)，如比較為負(fù)值，則發(fā)送數(shù)據(jù)到中央處理器（cpu），由中央處理器作出電壓加的命令。同時(shí)，檢測(cè)區(qū)檢測(cè)半導(dǎo)體是否已開、關(guān)。確認(rèn)無誤后，中央處理器做出電壓加的命令控制半導(dǎo)體工作，從而達(dá)到額定電壓的標(biāo)準(zhǔn)。1.3.2直流穩(wěn)

9、壓電源又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當(dāng)交流供電電壓的電壓或輸出負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的參數(shù)有電壓穩(wěn)定度、紋波系數(shù)和響應(yīng)速度等。前者表示輸入電壓的變化對(duì)輸出電壓的影響。紋波系數(shù)表示在額定工作情況下，輸出電壓中交流分量的大??；后者表示輸入電壓或負(fù)載急劇變化時(shí)，電壓回到正常值所需時(shí)間。直流穩(wěn)壓電源分連續(xù)導(dǎo)電式與開關(guān)式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當(dāng)值，然后經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓(或電流)。這種電源線路簡單、紋波小、相互干擾小，但體積大、耗材多，效率低(常低于40%60%)。后者以改變調(diào)整元件(或開

10、關(guān))的通斷時(shí)間比來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到穩(wěn)壓。這類電源功耗小，效率可達(dá)85%左右，但缺點(diǎn)是紋波大、相互干擾大。所以，80年代以來發(fā)展迅速。從工作方式上可分為：可控整流型。用改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整輸出電壓。斬波型。輸入是不穩(wěn)定的直流電壓，以改變開關(guān)電路的通斷比得到單向脈動(dòng)直流，再經(jīng)濾波后得到穩(wěn)定直流電壓。變換器型。不穩(wěn)定直流電壓先經(jīng)逆變器變換成高頻交流電，再經(jīng)變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反饋控制逆變器工作頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出直流電壓的目的。 1.3.3逆變式穩(wěn)壓電源所謂逆變式穩(wěn)壓電源也叫變頻電源， 本變頻電源采用16位摩托羅拉處理器控制、高頻pwm設(shè)計(jì)、原裝進(jìn)口三菱1gbt

11、推動(dòng).效率達(dá)85%以上。反應(yīng)快速，對(duì)100%除載/加載，穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在 2ms以內(nèi)。本變頻電源超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的300%。波形純正，頻率高穩(wěn)定,不產(chǎn)生干擾磁波（emi、emc）。變頻電源不但是研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室，計(jì)量室的最佳電源，也是em/emc/安規(guī)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)電源。該變頻電源具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、效率高，穩(wěn)定度佳，輸出波形品質(zhì)好、操作簡便、體積小、重量輕的特點(diǎn)。本變頻電源針對(duì)世界各地不同電源種類，使用者不僅可以模擬其電壓和頻率（4763hz）作測(cè)試應(yīng)用；其中按國家軍標(biāo)特制的中頻電源還可以支援400hz頻率的國防軍事偵測(cè)、航空電子及航海、通訊等應(yīng)用設(shè)備。本變頻電源不管是純阻性，容性，電

12、感性或非線性負(fù)載均可長期正常使用。三相可單相使用?？蓭ж?fù)載調(diào)節(jié)電壓和頻率。其中部分機(jī)型可設(shè)置開機(jī)密碼，方便生產(chǎn)車間安全使用。1.3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源是由全波整流器，開關(guān)管v，激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流二極管vp，儲(chǔ)能電感和濾波電容c組成。實(shí)際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。 逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)：（1）功耗小，效率高

13、。開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管v在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50khz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，可以做到幾百或者近1000khz。這使得開關(guān)晶體管v的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。（2）體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管v上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。（3）穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工

14、頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50khz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波

15、電容的1/5001/1000。（5）電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)：是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管v工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。目前，由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生

16、產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國家還有一定的差距，因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低，也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在中國的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對(duì)于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在中國還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對(duì)此，如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推

17、廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)、要求與方案選擇1.設(shè)計(jì)任務(wù)單片機(jī)控制數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源2.任務(wù)的技術(shù)要求1).輸出電壓為(1.2610)v2).輸出誤差0.1v3).額定輸出電流500ma3方案選擇數(shù)控穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的重要部分，其質(zhì)量好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來自電源。因此電源越來越受到人們的重視。電子電路及電子設(shè)備對(duì)電源最基本的要求就是電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定。通過查閱大量資料，顯示電路和控制電路是本電路的核心部分，對(duì)它的選擇有以下三種方案：方案一：采用模擬電路采用模擬電路的可調(diào)穩(wěn)壓電路就是用

18、一個(gè)多檔開關(guān)來控制輸出電壓,而所謂的顯示系統(tǒng)只是在多檔開關(guān)的每個(gè)檔的旁邊注明電壓值。隨著電子行業(yè)的發(fā)展，它不耐用的弊端已經(jīng)使它逐漸離開歷史的舞臺(tái)。方案二：采用純數(shù)字電路純數(shù)字電路的穩(wěn)壓電源避免了硬件之間的磨損，使得使用壽命大大提高，而且其輸出電壓也不會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生誤差。但是它的電路較為復(fù)雜，制作時(shí)很困難，由于電路的復(fù)雜產(chǎn)生的問題也會(huì)很多。方案三：采用單片機(jī)的方法采用單片機(jī)的數(shù)字穩(wěn)壓電源是將數(shù)字電路和單片機(jī)很好地結(jié)合在一起，不但能夠達(dá)到數(shù)字電路的效果，而且能夠大大地簡化復(fù)雜的純數(shù)字電路。采用單片機(jī)后，還可以用軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，要擴(kuò)展其他的功能也非常容易。 經(jīng)過全方位的對(duì)比，使電路的設(shè)計(jì)更加合理化，

19、切合技術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，覺得使用方案三單片機(jī)的方法簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好更加的適合這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，并能夠達(dá)到指標(biāo)要求數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求是采用單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源輸出的可調(diào)控制以及輸出的顯示。該電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。從圖中可以看出，該系統(tǒng)主要由主電路、變換器控制電路以及單片機(jī)控制電路組成。單片機(jī)顯示電路按鍵d/a轉(zhuǎn)換控制電路穩(wěn)壓電路輸出電路整流濾波變壓器220v圖1-1 整機(jī)方框圖 方框圖的論述：本電路通過按鍵設(shè)置數(shù)字電壓值并且在數(shù)碼管上顯示，而設(shè)置的電壓值通過單片機(jī)的p0口的8位數(shù)據(jù)線傳輸給d/a轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，通過模擬放大器將電壓放大后送給穩(wěn)壓電路最終輸

20、出。各部分功能：單片機(jī)：只要是起到控制作用顯示電路：用來顯示預(yù)置電壓按鍵單元：對(duì)預(yù)置電壓的改變d/a轉(zhuǎn)換：將數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成為模擬電壓控制電路：對(duì)穩(wěn)壓電路起到了控制作用穩(wěn)壓電路：輸出恒定的電壓本章小結(jié) 本章主要介紹了對(duì)該研究題目有關(guān)背景知識(shí)的介紹。以及對(duì)課題的分析論證和方案的確立，以及方框圖的設(shè)計(jì)及原理的闡述，在下一章節(jié)當(dāng)中，將對(duì)穩(wěn)壓電源的工作原理做相關(guān)說明。2數(shù)控穩(wěn)壓電源工作原理2.1 穩(wěn)壓電源的基本原理穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流池波電路及穩(wěn)壓電路組成，其基本框圖如圖1所示。圖1穩(wěn)壓電源2.1.1電源變壓器將電網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓u1。變壓器副邊與原邊的功

21、率比為=，式中是變壓器的效率。2.1.2整流渝波電路整流電路里利用具有單方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓u1整流變換成單方向脈動(dòng)的直流電壓 再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓u1。常用的整流溥波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。一般，在全波式橋式整流情況下，根據(jù)下式選擇濾波電容c的容量：，式中t為輸入交流信號(hào)周期，因而；rl為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。2.2 穩(wěn)壓電流的性能指標(biāo)及測(cè)試方法穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸人電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量箱出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸

22、出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。2.2.1紋波電壓疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測(cè)其峰峰值一般為毫伏量級(jí)。也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。2.2.2穩(wěn)壓系數(shù)在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸人電壓的相對(duì)變化引起摘出電壓的相對(duì)變化 ，即穩(wěn)壓系數(shù)： (i0=常數(shù)，t0=常數(shù)) 2.2.3電壓調(diào)整率s通常工頻電壓200v10%作為變化范圍，將輸人電壓相對(duì)變化為10% 時(shí)的輸出電壓相對(duì)變化量的百分比作為衡量的指標(biāo)稱為電壓調(diào)整率，即：穩(wěn)壓系和電壓調(diào)整率均說明輸人電壓變化對(duì)輸出電壓的影響 ，因此只需測(cè)試其一即可。2.2.4輸出電阻及

23、電流調(diào)整率輸出電阻：輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對(duì)值，即：=，=常數(shù)電流調(diào)整率：在工程中常用輸出電流i0從0變到最大定額值時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對(duì)變化值來表征這個(gè)性能，稱為電流調(diào)整率，即：=輸出電阻和電流調(diào)整率均說明負(fù)載電流變化對(duì)輸出電壓的影響，因此只需測(cè)試其中之一即可。本章小結(jié)本章主要介紹了穩(wěn)壓電源的工作原理，穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)，及測(cè)試方法。下一章中將對(duì)該課題中各單元電路的具體設(shè)計(jì)方案、元器件的選擇作進(jìn)一步論述。第3章 單元電路的設(shè)計(jì)3.1 整流電路的設(shè)計(jì) 利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電壓（電流）變成單向脈動(dòng)電壓（電流）的電路

24、，稱為整流電路。交流電分為三相交流電和單相交流電，在小功率電路中一般采用單相半波、全波、橋式整流電路和倍壓整流電路。本節(jié)主要研究單相橋式整流電路，對(duì)于倍壓整流電路及全波整流電路，可通過相應(yīng)參考書來了解。 為簡化分析，假定二極管是理想器件，即當(dāng)二極管承受正向電壓時(shí)，將其作為短路處理；當(dāng)承受反向電壓時(shí)，將其作為開路處理。3.1.1 單相半波整流電路 單相半波整流電路是最簡單的整流電路，圖2-2是單相半波阻性負(fù)載的整流電路。 圖2-2 單相半波整流電路電路中，t為變壓器，其作用是將市電220v的交流電壓變成所需要的直流電壓，vd是整流二極管，其作用是方向變化的交流電變?yōu)閱蜗嗟拿}動(dòng)直流?，F(xiàn)介紹電路的基

25、本原理。當(dāng)交流電源為正半周，即上正下負(fù)時(shí)。二極管vd因加正向電壓而導(dǎo)通，v2通過二極管vd加至負(fù)載電阻rl上，負(fù)載電壓v0=v2為正弦半波電壓。當(dāng)交流電元為負(fù)半周，即上負(fù)下正時(shí)。二極管vd上加反相電壓，故vd不導(dǎo)通，若忽略二極管vd的反向漏電流，則負(fù)載電阻rl中無電流通過，負(fù)載電壓為零。由此可見，由于二極管的單向?qū)щ娮饔茫挥幸粋€(gè)方向的電流流過負(fù)載電阻rl，因此在負(fù)載電阻rl上的電壓v0是單向的脈動(dòng)直流電壓，以后各周期情況和第一周期相同。 輸出直流電壓的平均值，即直流電壓v0可按下式求出 (2-1)整流輸出的是脈動(dòng)電壓，即包含有直流成分，同時(shí)又有交流成分，其中的脈動(dòng)程度一般用紋波系數(shù)來衡量，即

26、紋波系數(shù)輸出電壓的交流成分有效值/輸出電壓直流成分。對(duì)于直流電源來說，紋波越小越好。為了得到教平滑的直流電壓就必須進(jìn)行濾波，對(duì)于輸出在幾安一下的各種單相整流器來說，常在整流電路輸出端并聯(lián)一個(gè)一定電容量的濾波電容c，即為容性負(fù)載。半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元器件少。但缺點(diǎn)是輸出的波形脈動(dòng)大，直流成分比較低；變壓器有半個(gè)周期不導(dǎo)電，利用率低；變壓器電流含有直流成分，容易飽和。所以只能用在輸出功率較小、負(fù)載要求不高的場(chǎng)合11。3.1.2單向全波整流電路 單向全波整流電路如圖2-3所示。變壓器t次級(jí)線圈具有中心抽頭，即得到幅值相等而相位差的電壓v21和v22。在未接濾波電容時(shí)，當(dāng)變壓器t的次

27、級(jí)線圈的交流電壓上(1)正而下(2)負(fù)時(shí)，vd1受正向電壓而導(dǎo)通，vd2受反向電壓而截至。于是電流id1通過vd1流過負(fù)載rl。另半個(gè)周期，即上(1)負(fù)而下(2)正時(shí)，vd2受正向電壓而導(dǎo)通，vd1受反向電壓而截至。于是電流id2通過vd2流過負(fù)載rl。在一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電流i0=id1+id2為單向脈動(dòng)電流。負(fù)載電壓為雙半波，因此直流輸出平均電壓為單相半波整流電路的2倍，即v00.9v2。 圖2-3 單相全波整流電路全波整流電路接入濾波電容c，其充放電過程與半波整流相同，但由于v21和v22輪流通過vd1和vd2向電容c充電，所以輸出電壓的脈動(dòng)比半波整流時(shí)小。3.1.3 橋式整流電路 橋式整流

28、電路如圖2-4所示。工作原理簡介如下：在v2的正半周內(nèi)，vd1，vd4導(dǎo)通，vd2,vd3截至，在rl上建立起上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓，如果忽略二極管的管壓降及變壓器的內(nèi)阻，則v0=v2。而在v2的負(fù)辦周，二極管vd2,vd3導(dǎo)通，vd1,vd4截至，在負(fù)載rl上仍建立起上正下負(fù)的脈動(dòng)電壓，如果忽略二極管的管壓降及變壓器的內(nèi)阻，則v0=v2。由此可以看出，正負(fù)辦周都有電流流過負(fù)載電阻rl，而且流過負(fù)載電阻的電流方向是一致的，因而輸出電壓的直流成分提高，脈動(dòng)成分降低。橋式整流電路的電壓可作如下估算。整流元件仍認(rèn)為是理想的，在純電阻負(fù)載條件下，電壓的順時(shí)值為： (2-2)負(fù)載直流電壓平均值為 (2-3)

29、 圖2-4 橋式整流電路每個(gè)二極管截止時(shí)的反向電壓相同，為v2的幅值。即： (3-4)導(dǎo)通二極管的電流平均值為負(fù)載電流平均值的一半，最大值與負(fù)載電流最大值相同。綜上，橋式整流電路的特點(diǎn)是：與半波整流電路相比，在v2,rl相同的條件下，輸出的直流電壓提高了一倍；電流脈動(dòng)程度減??；變壓器正負(fù)半周都有對(duì)稱電流流過，既得到充分利用，又不存在單向磁化的問題。所以它的應(yīng)用較為廣泛。但是需要4個(gè)整流二極管，線路稍復(fù)雜。以上簡單介紹了幾種整流電路，根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)的判斷，所以在我的設(shè)計(jì)中采用了橋式整流電路。一方面，能使電能得到充分利用，另一方面，由于有現(xiàn)成的整流橋集成元件，設(shè)計(jì)起來也比較方便。3.2 濾波電路交流

30、電經(jīng)整流電路后可變?yōu)槊}動(dòng)直流電流，其中含有較大的交流分量，為了使設(shè)備能用上純凈的直流電，還必須用濾波電路濾除脈動(dòng)電壓中的交流成份。濾波電路一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)上電容器c，或在負(fù)載中串聯(lián)上電感器l，或由電容，電感組合而成的各中復(fù)式濾波電路。3.2.1 電容濾波電路 電容濾波就是在整流電路后面,用大量的電解電容與負(fù)載并聯(lián)例如以橋式電路為例,整流濾波電路如圖2-5所示:并聯(lián)在負(fù)載兩端的電容器c即起濾波作用。下面以有負(fù)載rl和無負(fù)載rl 兩種情況來分析濾波電路的工作原理。 無負(fù)載，即rl開路時(shí)，電路接通瞬間設(shè)電容c上起始電壓為零。電源接通后，通過整流管及變壓器次級(jí)給c充電，因?qū)ǖ?/p>

31、二極管及變壓器次級(jí)電源內(nèi)阻很小，所以充電時(shí)間常數(shù)很小，充電電流很大。只要合理選擇元件參數(shù)，便不會(huì)發(fā)生過熱或燒壞晶體管的現(xiàn)象。當(dāng)v2達(dá)到最大值時(shí)，vc也基本上達(dá)到最大值。此后，v2開始減小，導(dǎo)通的二極管由于v2的絕對(duì)值小于vc，處于反偏截至狀態(tài)。此后，輸出電壓保持為vc而不變，。當(dāng)v2的負(fù)半周到來時(shí)，因vc不變，晶體管也不在導(dǎo)電。 圖2-5電容濾波電路 當(dāng)有負(fù)載rl時(shí)，設(shè)rl為定值，當(dāng)電源接通且c上還有近似峰值電壓時(shí)，電壓波形如圖所示。在t1t4間隔內(nèi)，輸入電壓v2vc，vd1,vd2導(dǎo)電，電容c充電，vc隨充電過程而上升，到t2以后，v2按正弦規(guī)律下降，當(dāng)vcv2時(shí)，整流管vd1,vd2處于反

32、向偏置，停止導(dǎo)通；已充電的電容開始對(duì)負(fù)載電阻rl放電，即暫時(shí)代替電源向負(fù)載供電。電容c的放電電壓按指數(shù)曲線下降。在t3瞬間，v2上升到vc；t3以后，v2vc，電容由放電轉(zhuǎn)換為充電，vd3,vd4導(dǎo)通，構(gòu)成電源向負(fù)載及電容供電的通路。t4以后，v2vc，vd3,vd4截至，電容又處于放電狀態(tài)，其過程和t2t3間隔內(nèi)相同，以后情況如此反復(fù)。當(dāng)電源切斷后，需帶電容放電完畢，輸出電壓才能為零。 電容濾波器的特點(diǎn)如下： 1 加了濾波電容以后，輸出電壓的直流成分提高，脈動(dòng)成分減小。這是利用電容的儲(chǔ)能作用來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容充電將能量儲(chǔ)存起來；二極管截至?xí)r，再把儲(chǔ)存的能量釋放給負(fù)載，一方面使輸出

33、電壓波形比較平滑，同時(shí)也增加了輸出電壓的平均值。2 電容濾波放電的時(shí)間常數(shù)（）愈大，放電過程愈緩慢，輸出電壓愈高，同時(shí)脈動(dòng)成分愈小，濾波效果愈好。當(dāng)時(shí)，（如負(fù)載開路），電容沒有放電通路，故vlv2。當(dāng)不加電容濾波時(shí)，橋式整流后負(fù)載上輸出電壓的平均值為vl0.9v2。3電容濾波電路的輸出電壓隨輸出電流的增大而減小。這是由于濾波電路的負(fù)載電阻rl減小時(shí)，電容的放電過程加快，輸出電流的平均值io增大，而輸出電壓的平均值vl卻減小了。通常把輸出電壓vl和輸出電流io之間的關(guān)系曲線稱為電源的外特性。電路輸出電壓隨電流的增大而下降的很快，這種外特性稱之為軟特性。所以電容濾波電路適合用于負(fù)載電流變化不大的場(chǎng)

34、合。4 電容濾波電路中，整流二極管的導(dǎo)通角小于180度，而且電容放電時(shí)間常熟越大，導(dǎo)通角越小。二極管在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)，有很大的浪涌電流流過，這對(duì)管子的壽命不利。所以選用二極管時(shí)，應(yīng)考慮它能承受最大沖擊電流的情況。一般選管子時(shí)，要求它承受的正向電流的能力應(yīng)大于平均輸出電流的23倍。電容濾波電路簡單，制作方便。但是它的輸出電流不宜太大，而且要求輸出電壓的脈動(dòng)成分較小時(shí)，必須增加電容器的容量，因此電路的體積大也不經(jīng)濟(jì)。為此，rc-型濾波電路在實(shí)際電路中經(jīng)常使用。rc-型濾波電路如圖2-6所示：它實(shí)際上就是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加上1級(jí)rc濾波電路構(gòu)成的。采用這種濾波電路可以進(jìn)一步降低輸出電壓的脈動(dòng)系

35、數(shù)。但是，這種濾波電路的缺點(diǎn)是在r上有直流壓降，因而必須提高變壓器次級(jí)電壓；因而整流管的沖擊電流仍然比較大；同時(shí)，由于r產(chǎn)生壓降，外特性比電容濾波更軟。所以這種電路只適用于小電流的場(chǎng)合。圖2-6 rc-型濾波電路3.2.2電感濾波器 利用電感具有阻止電流變化的特點(diǎn)，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)電感l(wèi)，如圖2-7所示，即構(gòu)成電感濾波電路。 圖2-7 電感濾波電路當(dāng)整流后的脈動(dòng)電流增大時(shí)，電感l(wèi)將產(chǎn)生反電勢(shì)l(di/dt)，阻止電流增大；相反，當(dāng)電流減小時(shí)，電感l(wèi)將阻止電流減小，從而使負(fù)載電流脈動(dòng)成分大大降低，達(dá)到濾波的目的。 由于電感交流電阻很大，而直流電阻很小，輸出直流分量在電感上損失很小，所以

36、它適用于負(fù)載電流比較大的場(chǎng)合，而且外特性較好，即負(fù)載電流變化時(shí)，輸出直流電壓變化較小，另外，電感濾波的二極管導(dǎo)通角不會(huì)減小，避免了浪涌電流的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步改善濾波效果，可以采用lc濾波電路，它是在電感濾波電路的基礎(chǔ)上，再在負(fù)載電阻rl上并聯(lián)電容器c，如圖2-8所示 圖2-8 lc型濾波電路不難看出，當(dāng)l 值很小，或rl很大時(shí)，該電路和電容濾波電路很類似，呈現(xiàn)電容濾波的特點(diǎn)，為了保證整流二極管的導(dǎo)電角仍為180度，一般要求l值很大，對(duì)基波信號(hào)而言應(yīng)滿足rl3。 lc濾波電路中輸出電壓中的基波分量應(yīng)由jl和rl/(1/c)分壓得到，所以輸出電壓的脈動(dòng)成分比僅用電感濾波時(shí)更小；而負(fù)載電流變化時(shí)均能

37、有良好的濾波效果，所以說他對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性比較強(qiáng)。 在大功率輸出的電源穩(wěn)壓電路中，由于輸出電流較大，為了減少功率損耗，一般不用電阻做濾波器件，經(jīng)常使用的是lc元件構(gòu)成的型濾波電路。為了增大電感量，一般來說，l選用鐵心電感，c選用電解電容，如圖2.10所示： 圖2-10 型lc濾波電路3.3 穩(wěn)壓電路 經(jīng)過整流和濾波后的直流電壓，會(huì)由于交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及負(fù)載電阻的變動(dòng)而發(fā)生變化。在絕大多數(shù)情況下，這種輸出電壓的變化波動(dòng)顯得太大，仍需要進(jìn)一步對(duì)其穩(wěn)定，這就需要采用穩(wěn)壓電路。通常，完整的穩(wěn)壓電源電路包括有整流、濾波、和穩(wěn)壓電路。下面就穩(wěn)壓電路作一下介紹。3.3.1 穩(wěn)壓電路的指標(biāo) 衡量穩(wěn)壓器的性能

38、有許多指標(biāo)，例如額定輸出電壓、電流和電壓調(diào)節(jié)范圍等，這屬于特性指標(biāo)；穩(wěn)壓系數(shù)、等效內(nèi)阻、紋波電壓（即交流電壓分量）等屬于質(zhì)量指標(biāo)。自動(dòng)化程度，用來說明維護(hù)人員離開時(shí)，例如，是否具有自動(dòng)開機(jī)、停機(jī)性能，故障檢測(cè)等。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，主要有效率和功率因數(shù)等。下面簡單介紹下質(zhì)量指標(biāo)。 1 穩(wěn)壓系數(shù) 當(dāng)負(fù)載電流一定時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比稱為穩(wěn)壓系數(shù)，即：(=額定值) （2-5） 上式中，為穩(wěn)壓系數(shù)；為穩(wěn)壓器的額定輸出電壓；為穩(wěn)壓器額定輸入電壓；為輸出電壓的變化量；為輸入電壓的變化量；為負(fù)載電流。 另外還有以的倒數(shù)s為標(biāo)準(zhǔn)，稱s1/為穩(wěn)定系數(shù)的。 2 等效電阻 又稱為動(dòng)態(tài)電阻，是包括

39、整流、濾波和穩(wěn)壓在內(nèi)的等效電阻。當(dāng)保持不變時(shí)，輸出電壓增量與輸出電流增量之比稱為等效內(nèi)阻：（額定值） （2-6） 上式中，為正值，由于電流增加（增量為正）時(shí)其兩端電壓受內(nèi)阻影響要下降（增量為負(fù)），故上式中加了個(gè)“”號(hào)，使得為正值。通常穩(wěn)壓器在額定范圍內(nèi)使用時(shí)，約在1.5以下。 3 紋波電壓 紋波電壓就是疊加在輸出直流電壓上的交流電壓分量，通常經(jīng)濾波及穩(wěn)壓后，它的數(shù)值在幾毫伏以內(nèi)，以不影響電子設(shè)備工作為準(zhǔn)?？捎靡粋€(gè)容量較大的電容器與交流毫伏表串聯(lián)進(jìn)行測(cè)量，此電容是隔直流用的8。3.3.2 穩(wěn)壓管基本應(yīng)用電路硅穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管，其伏安特性如圖所示。從伏安特性可以看到，當(dāng)流過穩(wěn)壓管的電流在一個(gè)

40、較大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不變。穩(wěn)壓管的這一特性將穩(wěn)壓管和負(fù)載并聯(lián)，若能保證穩(wěn)壓管中的電流在一定范圍內(nèi)，則負(fù)載電壓就能在一定程度上得到穩(wěn)定，因此，穩(wěn)壓電路的關(guān)鍵就是限定穩(wěn)壓管中的電流。因?yàn)槿绻ぷ麟娏魈?，則電壓隨電流的變化很大，達(dá)不到穩(wěn)壓的目的；但工作電流也不能太大，以免超過管子的額定功率，造成損壞。小功率穩(wěn)壓管的工作電流大致幾毫安至幾十毫安，大功率的穩(wěn)壓管可到幾安培到十幾安培。 圖2-12是由穩(wěn)壓管構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路：圖2-12 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電路中，r決定了向穩(wěn)壓管和負(fù)載輸送電流的總量，起著限流和調(diào)壓的作用，穩(wěn)壓管起著調(diào)節(jié)電流的作用。如負(fù)載減小，要求更多的電流流過時(shí)，通過穩(wěn)壓

41、管的電流將隨之減小，使基本不變，以保證輸出電壓基本不變。如果不變，但輸入電壓由于電網(wǎng)電壓或元件參數(shù)改變而增加時(shí)，則將增加，此時(shí)也隨之增加，保證基本不變，即基本不變。如果和都變化，則將綜合二者的變化加以調(diào)整，只要的變化在它的允許的工作范圍之內(nèi)，就能保證起到較好的穩(wěn)壓作用。 其穩(wěn)壓過程簡述如下：若電壓升高，而負(fù)載不變，則電壓降低，而負(fù)載不變，則而負(fù)載不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反。 若負(fù)載電阻減?。ㄘ?fù)載電流增大），而輸入電壓不變，則若負(fù)載電阻增大，而數(shù)輸入電壓不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反?；痉€(wěn)壓電路中限流電阻r的選用非常重要，若r選的太大，則供應(yīng)電流不足，當(dāng)較大時(shí)，穩(wěn)壓管的電流將減小到臨界值以下，失去

42、穩(wěn)壓作用；若r選的太小，則當(dāng)變到很大或開路時(shí)，都流向穩(wěn)壓管，可能超過允許定額而造成損壞。為此，要合理需用r。 設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為，最大工作電流為，最小工作電流為；市電電壓最高時(shí)的整流輸出電壓為，最低時(shí)為；負(fù)載電流的最小值為，開路時(shí)為0，最大值為。要使穩(wěn)壓管能正常工作，必須滿足下列條件。1 當(dāng)市電電壓最高和負(fù)載電流為0，即負(fù)載開路時(shí)，應(yīng)不超過允許最大值，既限流電阻r的最小值應(yīng)滿足： （2-7）2 當(dāng)市電電壓最低和負(fù)載電流最大時(shí)，應(yīng)不低于允許最小值，即： （2-8）如上兩式不能同時(shí)滿足，則說明在給定條件下已超過穩(wěn)壓管的工作范圍，需限制變化范圍或選用較大功率的穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有線路簡單，調(diào)

43、試方便等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流受穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流的限制，而且輸出電壓又不能任意調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能不高，只適用于輸出電流小，負(fù)載變動(dòng)不到和穩(wěn)定性能要求不高的場(chǎng)合，或作為輔助穩(wěn)壓源。若負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)，要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，穩(wěn)定性能好，就要采用晶體管穩(wěn)壓源。3.3.3 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路比穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路要復(fù)雜的多，它是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。所以必須具有執(zhí)行元件和反饋支路。一般情況下，它包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源及誤差比較放大器等主要部分。調(diào)整管是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其余部分都是反饋控制支路所必需的，原理框圖如圖2-13所示。從框圖上可以看出輸入電壓經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)之后，變成穩(wěn)定的輸出

44、電壓。 圖2-13 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路框圖取樣電路和基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較后的誤差信號(hào)送放大器，增強(qiáng)反饋控制效果，因?yàn)槿拥脕淼檬请妷盒盘?hào)，所以這種電壓源實(shí)際上是一個(gè)以電壓為調(diào)節(jié)對(duì)象得自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)模式如圖2.14所示。圖中，為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)時(shí)的電壓傳遞函數(shù)，也就是系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)壓系數(shù)；為執(zhí)行機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)的電壓傳遞函數(shù)，也就是調(diào)整管電路的電壓放大倍數(shù)；k時(shí)誤差放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)；n為取樣電路的電壓傳遞系數(shù)，也就是取樣分壓器的分壓比。根據(jù)調(diào)節(jié)原理可知，該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)函數(shù)為： （2-9）由此可知，無論輸入電壓波動(dòng)還是負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響，反饋系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)的1/（1+*k*n）倍，更具

45、體點(diǎn)說，就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等主要技術(shù)性能方面，都是以硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源為代表的參數(shù)型穩(wěn)壓電源的（1+*k*n）倍，這就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源比參數(shù)型穩(wěn)壓電源應(yīng)用得更普遍得主要原因。 圖2-14 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)模式串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓原理是調(diào)整元件的動(dòng)態(tài)電阻是隨著輸出電壓的變化而自動(dòng)改變的。其優(yōu)點(diǎn)是，輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以做的很高。其缺點(diǎn)是線路比較復(fù)雜，過載能力差，順時(shí)過載會(huì)使調(diào)整元件損壞，需要過載保護(hù)。因此，串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源廣泛用在負(fù)載變動(dòng)較大，穩(wěn)壓性能要求較高，輸出電壓可調(diào)等場(chǎng)合。由以前學(xué)習(xí)的晶體管工作原理時(shí)

46、已經(jīng)知道，工作在放大區(qū)的晶體管，它的集射極之間的電壓和集電極電流隨基極電流的變化而變化。當(dāng)基極電流增加時(shí)，將減小，將增大，這相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間的電阻減??；而當(dāng)基極電流減小時(shí)，將增大，將減小，這就相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間所呈現(xiàn)的電阻增大。由此可見，在線性放大區(qū)工作的晶體管，在基極電流的控制下，集射極之間的電阻時(shí)可以改變的。所以，晶體管完全可以充當(dāng)串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中的調(diào)整元件，稱為調(diào)整管。用晶體管作調(diào)整管的串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源，它是串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最普遍、最有代表性的一種。（1）簡單的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 圖2-15是一個(gè)最簡單的串聯(lián)反饋型

47、晶體管穩(wěn)壓電路。晶體管vt做調(diào)整元件，vd做基準(zhǔn)電壓源，它給晶體管發(fā)射結(jié)提供一個(gè)固定的偏壓使其能正常工作。當(dāng)負(fù)載變小或輸入電壓變大，使得負(fù)載兩端的輸出電壓增大時(shí)，由于基準(zhǔn)電壓不變，所以晶體管的基極電位也不變，那么集射極電壓（）將減小，從而減小，管壓降增大，使輸出電壓減少，抵消了由于電網(wǎng)電壓增加或負(fù)載減小引起的的增加，使輸出電壓保持基本不變。如果當(dāng)輸入電壓減小或負(fù)載增大，使得輸出電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)過程與上述正好相反。 圖2-15 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路從上邊的穩(wěn)壓過程可以看出，當(dāng)輸入電壓增大或負(fù)載變小時(shí)，這種穩(wěn)壓電路是通過輸出電壓的變化反過來控制調(diào)整管vt的管壓降，從而使輸出電壓保持不變，以達(dá)到

48、自動(dòng)穩(wěn)壓的作用，這實(shí)際是一種負(fù)反饋，所以這種電路叫做串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路。 該電路存在兩個(gè)問題：其一，該電路是用輸出電壓的變化部分直接去控制調(diào)整管的基極，故控制作用小，穩(wěn)壓性能較差；其二，輸出電壓固定不可調(diào)。（2） 帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 簡單的反饋型晶體管穩(wěn)壓電路，是直接利用輸出電壓的變化量來控制調(diào)整管的電壓變化的所以其靈敏度和電壓穩(wěn)定性都不夠理想。采用帶放大器的穩(wěn)壓電路，可以彌補(bǔ)這些不足。圖2.16是一個(gè)帶有放大器的典型電路，圖中vt1是調(diào)整管，接成射極輸出器的形式，負(fù)載電阻是它的射極電阻。r1、r2與并聯(lián)組成分壓器，起到取出輸出電壓的作用，叫做取樣電路。vd是硅穩(wěn)壓二極管，它

49、與限流電阻r3一起組成基準(zhǔn)電壓源。vt2是比較放大器，r4是它的集電極電阻，同時(shí)也是管的偏流電阻。晶體管把從取樣電路送來的輸出電壓上升或下降的變化信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較結(jié)果產(chǎn)生的差值電壓（或者叫做誤差電壓）加以放大，以此來控制調(diào)整管的管壓降，從而使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。因?yàn)榉糯笃鞯淖饔?，很小的輸出電壓的變化，反?yīng)到調(diào)整管上就有比較大的變化，大大提高了調(diào)整管的靈敏度，提高的輸出電壓的穩(wěn)定性。 圖2-16 帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路當(dāng)輸入電壓下降或負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓減小，取樣電壓相應(yīng)的減小，管基極電位也隨之減小，因?yàn)楣璺€(wěn)壓管兩端的電壓基準(zhǔn)不變所以管的基射極之間的電壓（-）減小，

50、于是管的集電極電流減小，r4兩端的壓降變小，迫使調(diào)整管的基射極間的電壓（-）增大，增大，管的壓降下降，結(jié)果使得輸出電壓（-）上升，從而使輸出電壓基本恢復(fù)到原來的數(shù)值。同理，當(dāng)輸入電壓上升或負(fù)載變小時(shí)，升高，當(dāng)經(jīng)過反饋調(diào)整作用又會(huì)使下降，從而使輸出電壓基本保持不變。為了提高串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能，使用方便，在實(shí)用的穩(wěn)壓電源中有許多改進(jìn)電路： 1 采用輔助電源提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變而反饋電壓來不及調(diào)整時(shí)，輸出電壓同樣會(huì)發(fā)生跳變，為此，采用輔助電源，使得穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善。 2 比較放大器采用恒流源負(fù)載提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 在串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中

51、，比較放大器的增益越大，穩(wěn)壓性能就越好。在圖2.16中，為了提高放大器的增益，r4的值盡可能選大些，但又不能選的太大，故可采用恒流源代替電阻r4。在恒流源的情況下，對(duì)交變電壓能產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)電阻，使得比較放大器有很大的電壓增益，從而提高了穩(wěn)壓性能。 3 采用兩級(jí)直流放大器提高電路的穩(wěn)定性 提高比較放大器電壓增益的另一個(gè)方法是增大放大器的級(jí)數(shù)，在高穩(wěn)定性電壓電路中常采用這種方法。但多級(jí)直流放大器的設(shè)計(jì)和制造比較困難，很容易產(chǎn)生自激振蕩，而破壞了穩(wěn)壓器的工作。在實(shí)際電路中，多用兩級(jí)放大，總放大倍數(shù)可達(dá)幾百倍。 4 采用電阻補(bǔ)償提高穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，一般的串連反饋型晶

52、體管穩(wěn)壓電源不可能使輸出電壓十分穩(wěn)定，只是因?yàn)樗抢幂敵鲭妷旱淖兓瘉碚{(diào)節(jié)的。但若采用電阻補(bǔ)償，在調(diào)整合適的時(shí)候，可以使輸出電壓穩(wěn)定不變。用輸入電壓的變化來進(jìn)行補(bǔ)償，將輸入電壓通過一個(gè)電阻直接加到取樣電路上，這樣，取樣時(shí)能得到更大的變化量，加強(qiáng)了穩(wěn)壓性能，使輸出電壓更加穩(wěn)定。 5 采用差動(dòng)放大器比較放大減小穩(wěn)壓電源的溫度漂移 前面介紹的穩(wěn)壓電路，電路簡單，但溫度穩(wěn)定性差，利用差動(dòng)放大器作比較放大級(jí)，可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。 6 基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)壓管恒流供電 提高穩(wěn)壓電路穩(wěn)定性和溫度特性 穩(wěn)壓管的主要特點(diǎn)是流過它的電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓變化很小。如果能使穩(wěn)壓管的工作電流保持不變，穩(wěn)壓管兩端的電壓會(huì)更加穩(wěn)定。采用恒流源為穩(wěn)壓管提供工作電流的基準(zhǔn)電壓源，穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性及溫度特性將會(huì)得到大大的提高。 7 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電流輸出電流擴(kuò)大方法 在帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與放大管電流分配情況是：放大管一般在小電流狀態(tài)下工作，具體點(diǎn)說，1ma量級(jí)，這樣的集電極電阻r4才可以取較大的數(shù)值，以提高放大倍數(shù)。因此，調(diào)整管的基極電流必然很?。?000次）isp flash r