維修電工基礎(chǔ)知識(shí)：直流穩(wěn)壓電源

第9章直流穩(wěn)壓電源9.1概述9.2硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路9.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路9.4三端集成穩(wěn)壓器9.5開關(guān)穩(wěn)壓電源9.1概述

9.1.1演示電路

1.演示電路如圖9.1所示,T1為自耦變壓器,T2為電源變壓器,V1～V4為整流二極管,C1為濾波電容,CW7812為三端穩(wěn)壓器,R和RP組成負(fù)載RL,兩塊電壓表分別接在整流濾波電路的輸出端及穩(wěn)壓電路的輸出端。圖9.1直流穩(wěn)壓電源演示電路

2.操作過(guò)程

(1)負(fù)載電阻RL保持不變,調(diào)節(jié)自耦變壓器在一定范圍內(nèi)220(1±10%)V變化,觀察整流濾波電路輸出端的電壓表及負(fù)載兩端的電壓表的變化,你會(huì)發(fā)現(xiàn),濾波電路輸出端的電壓表指針發(fā)生了變化,而負(fù)載兩端的電壓表讀數(shù)卻不變。(2)輸入電壓（自耦變壓器調(diào)到AC220V）不變,調(diào)節(jié)RP,觀察負(fù)載兩端的電壓表,讀數(shù)仍不變。可以看出:該電路在電源電壓及負(fù)載RL變化時(shí),負(fù)載兩端電壓值均不變,即實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓功能。

9.1.2穩(wěn)壓電源

1．穩(wěn)壓電源的組成從9.1.1節(jié)演示可知,直流穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成,其框圖如圖9.2所示。各部分作用介紹如下。圖9.2直流穩(wěn)壓電源組成方框圖電源變壓器的作用是為用電設(shè)備提供所需的交流電壓,整流器和濾波器的作用是把交流電變換成平滑的直流電,穩(wěn)壓器的作用是克服電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化所引起的輸出電壓的變化,提高輸出電壓的穩(wěn)定性。直流穩(wěn)壓電源的類型可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型及開關(guān)型。2．穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)

1）特性指標(biāo)特性指標(biāo)指表明穩(wěn)壓電源工作特征的參數(shù),例如,輸入、輸出電壓及輸出電流,電壓可調(diào)范圍等。

2）質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)指衡量穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性能狀況的參數(shù),如穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、紋波電壓及溫度系數(shù)等。具體含義簡(jiǎn)述如下:(1)穩(wěn)壓系數(shù)γ:指通過(guò)負(fù)載的電流和環(huán)境溫度保持不變時(shí),穩(wěn)壓電路輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比。即(9.1)式中,UI為穩(wěn)壓電源輸入直流電壓,UO為穩(wěn)壓電源輸出直流電壓,γ數(shù)值越小,輸出電壓的穩(wěn)定性越好。

(2)輸出電阻ro:指當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度不變時(shí),輸出電壓的變化量與輸出電流變化量之比。即(9.2)ro的值越小,帶負(fù)載能力越強(qiáng),對(duì)其它電路影響越小。

(3)紋波電壓S:指穩(wěn)壓電路輸出端中含有的交流分量,通常用有效值或峰值表示。

S值越小越好,否則影響正常工作,如在電視接收機(jī)中表現(xiàn)交流“嗡嗡”聲和光柵在垂直方向呈現(xiàn)S形扭曲。(4)溫度系數(shù)ST:指在UI和IO都不變的情況下,環(huán)境溫度T變化所引起的輸出電壓的變化。即

(9.3)式中,ΔUO為漂移電壓。ST越小,漂移越小,該穩(wěn)壓電路受溫度影響越小。另外,還有其它的質(zhì)量指標(biāo),如負(fù)載調(diào)整率、噪聲電壓等。9.2硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1．電路組成

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖9.3所示。

圖9.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

2．工作原理

(1）當(dāng)穩(wěn)壓電路的輸入電壓ui保持不變,負(fù)載電阻RL增大時(shí),輸出電壓UO將升高,穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ上升,電流IZ將迅速增大,流過(guò)R的電流IR也增大,導(dǎo)致R上的壓降UR上升,從而使輸出電壓UO下降。上述過(guò)程簡(jiǎn)單表述如下:

RL↑UO↑IZ↑IＲ↑UR↑

UO↓←如果負(fù)載RL減小,其工作過(guò)程與上述相反,輸出電壓UO仍保持基本不變。

(2）當(dāng)負(fù)載電阻RL保持不變,電網(wǎng)電壓下降導(dǎo)致UI下降時(shí),輸出電壓UO也將隨之下降,但此時(shí)穩(wěn)壓管的電流IZ急劇減小,則在電阻R上的壓降減小,以此來(lái)補(bǔ)償U(kuò)I的下降,使輸出電壓基本保持不變。上述過(guò)程簡(jiǎn)單表述如下:

UI↓UO↓IZ↓IR↓UR↓

UO↑←

如果輸入電壓UI升高,R上壓降增大,其工作過(guò)程與上述相反,輸出電壓UO仍保持基本不變。由以上分析可知,硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理是利用穩(wěn)壓管兩端電壓UZ的微小變化,引起電流IZ的較大的變化,通過(guò)電阻R起電壓調(diào)整作用,保證輸出電壓基本恒定,從而達(dá)到穩(wěn)壓作用。

3．元件選擇穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)首先選定輸入電壓和穩(wěn)壓二極管,然后確定限流電阻R。

(1）輸入電壓ui的確定:考慮電網(wǎng)電壓的變化,ui可按下式選擇:

(2）穩(wěn)壓二極管的選取:穩(wěn)壓管的參數(shù)可按下式選取:（9.4）（9.5）（9.6）

(3）限流電阻的確定:當(dāng)輸入電壓UI上升10%,且負(fù)載電流為零（即RL開路）時(shí),流過(guò)穩(wěn)壓管的電流不超過(guò)穩(wěn)壓管的最大允許電流IZmax,當(dāng)輸入電壓下降10%,且負(fù)載電流最大時(shí),流過(guò)穩(wěn)壓管的電流不允許小于穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流的最小值IZmin,即故限流電阻選擇應(yīng)按下式確定:

9.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

1．電路組成

如圖9.4所示

圖9.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電源方框圖如圖9.5所示。圖9.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電源方框圖

2．工作原理

(1）當(dāng)負(fù)載RL不變,輸入電壓UI減小時(shí),輸出電壓UO有下降趨勢(shì),通過(guò)取樣電阻的分壓使比較放大管的基極電位UB2下降,而比較放大管的發(fā)射極電壓不變（UE2=UZ）,因此UBE2也下降,于是比較放大管導(dǎo)通能力減弱,UC2升高,調(diào)整管導(dǎo)通能力增強(qiáng),調(diào)整管V1集射之間的電阻RCE1減小,管壓降UCE1下降,使輸出電壓UO上升,保證了UO基本不變。上述穩(wěn)壓過(guò)程表示如下:當(dāng)輸入電壓減小時(shí),穩(wěn)壓過(guò)程與上述過(guò)程相反。下降趨勢(shì)不變

(2）當(dāng)輸入電壓UI不變,負(fù)載RL增大時(shí),引起輸出電壓UO有增長(zhǎng)趨勢(shì),則電路將產(chǎn)生下列調(diào)整過(guò)程:當(dāng)負(fù)載RL減小時(shí),穩(wěn)壓過(guò)程相反。由此看出,穩(wěn)壓的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)負(fù)反饋使輸出電壓維持穩(wěn)定的過(guò)程。

3．輸出電壓計(jì)算

圖9.4所示穩(wěn)壓電路中有一個(gè)電位器R4串接在R3和R5之間,可以通過(guò)調(diào)節(jié)R4來(lái)改變輸出電壓UO。設(shè)計(jì)這種電路時(shí)要滿足I2?IB2,因此,可以忽略IB2,I1≈I2,則(9.11)式中,UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值,UBE2為V2發(fā)射結(jié)電壓,R4′為圖9.4中電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)下半部分的電阻值。當(dāng)R4調(diào)到最上端時(shí),輸出電壓為最小值,當(dāng)R4調(diào)到最下端時(shí),輸出電壓為最大值,(9.13)

(9.12)9.4三端集成穩(wěn)壓器

9.4.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

1．三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳排列三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形和管腳排列如圖9.6所示。由于它只有輸入、輸出和公共地端三個(gè)端子,故稱為三端穩(wěn)壓器。圖9.6三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳排列

2．三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其意義三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其意義見圖9.7。

圖9.7三端固定式集成穩(wěn)壓器型號(hào)組成及其意義具體參數(shù)見附錄十一。國(guó)產(chǎn)的三端固定集成穩(wěn)壓器有CW78XX系列（正電壓輸出）和CW79XX系列(負(fù)電壓輸出),其輸出電壓有±5V、±6V、±8V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V,最大輸出電流有0.1A、0.5A、1A、1.5A、2.0A等。

3．三端固定式集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用

1）固定輸出穩(wěn)壓器電路組成如圖9.8所示。在圖中,C1為濾波電容,C2的作用以旁路高頻干擾信號(hào),C3的作用改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖9.8某型號(hào)電視機(jī)電源電路圖

2）提高輸出電壓的方法如果需要輸出電壓高于三端穩(wěn)壓器輸出電壓時(shí),可采用圖9.9所示電路。圖9.9提高輸出電壓的接線圖

圖9.9(a)中,(9.14)式中,UXX為集成穩(wěn)壓器的輸出電壓;UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。圖9.9(b)中,式中,IW為三端穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流,一般為幾毫安。若經(jīng)過(guò)R1的電流IR1大于5IW,可以忽略IWR2的影響,則有(9.15)

3）提高輸出電流的方法當(dāng)負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器輸出電流時(shí),可采用圖

9.10所示電路。

圖9.10提高輸出電流的電路(9.16)由于β>>1,且IW很小,可忽略不計(jì),所以

(9.17)式中,R為V提供偏置電壓,具體數(shù)據(jù)可由式(9.17)決定;UBE由三極管決定,鍺管為0.3V,硅管為0.7V。圖9.10(b)中,輸出電流為單片三端穩(wěn)壓器的兩倍,即

4）具有正、負(fù)電壓輸出的穩(wěn)壓電源如圖9.11所示,由圖可知,電源變壓器帶有中心抽頭并接地,輸出端得到大小相等、極性相反的電壓。

圖9.11正負(fù)對(duì)稱的穩(wěn)壓電路

9.4.2三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器

1.型號(hào)組成及意義圖9.12可調(diào)集成穩(wěn)壓器型號(hào)組成及其意義

它克服了固定三端穩(wěn)壓器輸出電壓不可調(diào)的缺點(diǎn),繼承了三端固定式集成穩(wěn)壓器的諸多優(yōu)點(diǎn)。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器CW317和CW337是一種懸浮式串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器,它們的外形如圖9.13所示,典型應(yīng)用電路如圖9.14所示。為了使電路正常工作,一般輸出電流不小于5mA。輸入電壓范圍在2～40V之間,輸出電壓可在

1.25～37V之間調(diào)整,負(fù)載電流可達(dá)1.5A,由于調(diào)整端的輸出電流非常小（50μA）且恒定,故可將其忽略,那么輸出電壓可用下式表示:

(9.19)圖9.13CW317和CW337外形圖式中,1.25V是集成穩(wěn)壓器輸出端與調(diào)整端之間的固定參考電壓UREF;R1一般取值120～240Ω(此值保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)也能正常工作),調(diào)節(jié)RP可改變輸出電壓的大小(RP取值視RL和輸出電壓的大小而確定)。

圖9.14CW317和CW137典型應(yīng)用電路9.5開關(guān)穩(wěn)壓電源

1．開關(guān)穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖開關(guān)穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖如圖9.15所示。它由六部分組成,其中,取樣電路、比較電路、基準(zhǔn)電路,在組成及功能上都與普通的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路相同;不同的是增加了開關(guān)控制器、開關(guān)調(diào)整管和續(xù)流濾波等電路,新增部分的功能如下：

圖9.15開關(guān)穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖

(1)開關(guān)調(diào)整管:在開關(guān)脈沖的作用下,使調(diào)整管工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài),輸出斷續(xù)的脈沖電壓,如圖9.16所示。開關(guān)調(diào)整管采用大功率管。設(shè)閉合時(shí)間為Ton,斷開時(shí)間為Toff,則工作周期為T=Ton+Toff。負(fù)載上得到的電壓為式中,Ton/T稱占空比,用δ表示,即在一個(gè)通斷周期T內(nèi),脈沖持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間Ton與周期T之比值。改變占空比的大小就可改變輸出電壓UO的大小。

(2)濾波器:把矩形脈沖變成連續(xù)的平滑直流電壓UO。(3)開關(guān)時(shí)間控制器:控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短,從而改變輸出電壓高低。

2．開關(guān)型電路的工作原理

1）串聯(lián)型開關(guān)電路

串聯(lián)型開關(guān)電路如圖9.17所示。串聯(lián)型開關(guān)電路由開關(guān)管V1、儲(chǔ)能電路（包括電感L、電容C和續(xù)流二極管V2）及控制器組成?？刂破骺墒筕1處于開/關(guān)狀態(tài)并可穩(wěn)定輸出電壓。

當(dāng)V1飽和導(dǎo)通時(shí),由于電感L的存在,流過(guò)V1的電流線性增加,線性增加的電流給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給L儲(chǔ)能（L上產(chǎn)生左“正”右“負(fù)”的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）,V2截止。當(dāng)V1截止時(shí),由于電感L中的電流不能突變（L中產(chǎn)生左“負(fù)”右“正”的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）,V2導(dǎo)通,于是儲(chǔ)存在電感上的能量逐漸釋放并提供給負(fù)載,使負(fù)載繼續(xù)有電流通過(guò),因而V2為續(xù)流二極管。電容C起濾波作用,當(dāng)電感L中電流增長(zhǎng)或減少變化時(shí),電容儲(chǔ)存過(guò)剩電荷或補(bǔ)充負(fù)載中缺少的電荷,從而減少輸出電壓UO的紋波。

圖9.17串聯(lián)型開關(guān)電路

圖9.18并聯(lián)型開關(guān)電路

2）并聯(lián)型開關(guān)電路將串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的儲(chǔ)能電感L與續(xù)流二極管位置互換,使儲(chǔ)能電感L與負(fù)載并聯(lián),即成為并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。其電路如圖9.18所示。當(dāng)調(diào)整管開啟（飽和導(dǎo)通）期間,輸入直流電壓