直流稳压电源的应用电路

模块三、直流稳压电源;

一、变压器(也谈谈阻容降压)

1、变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，只要构件是初级线圈和次级线圈。

2、还有铁芯(磁芯)，常用于升降电压，安全隔离和阻抗匹配。

原理;U1\n1=U2 \n2→U2=U1n2\n1→U2=U1\n(n=n1\n2)

∴当初级匝数n1〉次级匝数n2时，起降压作用，若相反，则起升压作用。

3、阻容降压;阻容降压的电路非常适合于低成本取得非隔离的小电流电源。

它的输出电压通常可在几伏到几十伏，取决于所使用的稳压管，所能提供的电流大小正比于限流电容容量。电容降压的工作原理为利用电容在一定交流型号的频率下产生的容抗来限制最大的工作电流。

例如;在50HZ的频率条件下，一个1uF的电容所产生的容Xc=1\2πfc=3184Ω。

当220V交流电加在电容器的两端，则流过的最大电流为70mA。

虽然流过电容的电流有70mA，但在电容上并不产生功耗，根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性，因此电容降压是利用容抗限流，而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器，以及负载两端电压的角色。

#电路中，C1为降压电容，R1为电源断开时C1的泄放电阻，D1半波整流二极管，VZ在市电的负半周为C1提供放电回路，否则电容C1电充满就不工作了，DZ为稳压二极管，C2为滤波电容，输出电压Uo等于DZ的稳定电压值。

#实际应用中，可用下图代替上图，这里利用了VZ的正向和反向特性，其反向特性就是稳定特性来稳定电压，其正向特性来在市电负半周给C1提供放电回路。

在较大电流的应用中，可采用全波整流电路(实际使用常用下图)

#电容降压电流的计算公式;

∵Xc=1\2πfc(估算)

半波;Ic≈0.45*220*2πfc

(其中C电容量f=50HZ)

全波;Ic≈0.9*220*2πfc

一般直接用Ic=220\Xc

#阻容降压注意事项;

①根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容。

②限流电容必须采用无极性电容，绝对不可用电解电容，耐压大于两倍电源电压。

③限流电容必须接于火线，是一种非隔离电源，特别注意隔离，防止触电。

④当电容确定后，输出的电流是恒定的，而输出直流电压随负载动态变化。

⑤阻容降压不适合动态负载条件，不适合容性感性负载，且建议不用桥式整流。

#经验;IC≈0.62C1,即确定容量后，即可知道负载提供电流就知道。

C≈14.5IC，知道IC，即可计算得到容量C的大小，C单位uF，I单位为A。

二、整流电路;

分析整流电路，所先应弄清楚整流的概念，在弄清楚电路的工作原理。

〈即整流原理〉在此基础上懂得求主要参数和确定二极管极限参数。

1、半波整流;

#Uo=0.45U2

#Io=Uo\RL=0.45U2\RL=Id

#Udmax=1.414U2

#缺点;脉动成分大，

输出电压利用率低。

2、桥式〈全波〉整流电路;

#Uo=0.9U2

#Io=Uo\RL=0.9\RL

#Id=1\2*Io=0.45\RL

#Udmax=1.414U2

#特点;脉动成分小，输出电压利用率高(变压器次级电压利用率高)。

缺点;二极管数量多，二极管内阻的存在，损耗较大。

#桥式整流电路其他几种常见画法;

#桥式整流电路实现正负电源;

三、滤波电路;

利用电容的基本特性(充放电)将脉动直流电转变为平滑的直流电。

3、电容滤波;

#原理;

①初始时，电容的两端电压为0，则在正半周0~B之间，D1,D3导通，电流A→D1→RL,C充电→D3→B。

若理想状态下，电容两端的电压Uc≈U2,如波形图中ab段，当U2上升到峰值后，开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压Uc也开始下降，走势与U2基本相同。如波形图bc段，由于电容按指数规律放电，所以当U2下降到一定数值后，Uc的下降速度小于U2的下降速度，使Uc大于U2从而导致D1,D3反向偏置而截止。

此后，电容继续通过RL放电，Uc继续按指数规律下降，见波形图cd段。

②当U2的负半周幅值变化大于Uc时，D2,D4导通，U2在此对电容C充电，Uc上升到U2的峰值后又开始下降，下降到一定数值后，D2,D4截止，C对RL放电，Uc按指数规律下降，放电到一定数值后D1,D3变为导通，重复……

#一般情况下，在负载电阻RL≈∞(较大时)，滤波电容足够大。

则;Uo≈1.2U2(最大可以达1.414U2)(半波;Uo≈0.9U2)

#实际应用中;滤波电容应满足;RL*C=(3-5)T\2→(全波)

电容耐压;〉(1.1~1.2)1.414U2 RL*C=(3~5)T(半波)

其中T半周取0.02S，全波取0.01S。

③整流二极管的导通角。

从滤波电路的工作原理分析可知，在未加滤波电容之前，二极管整个正半周或整个负半周都有二极管处于导通状态，所以二极管的导通角θ=π，加上电容滤波后，只有与电容充电时二极管才导通，导通角都小于π，且RL，C的值愈大，滤波效果越好，导通角θ越小。

4、电感滤波;

#原理;当整个电路输出脉动直流电时，负载电流将随着脉电流增加或减小。

#当负载电流增大时，电感线圈中将产生与电流相反的感应电动势，力图阻止电流的增加;而当负载电流减少时，电感线圈中将产生与电流相同的感应电动势;力图阻止电流的减少。由于电感具有阻碍电流变化的作用，使负载电流的脉动程度减小了，达到滤波效果。电容滤波适用于要求负载电流较大且经常变化场合，但电感量要求又较大，体积也很大。所以大功率整流电路中才采用。

5、复式滤波;

问一问;#在桥式整流电容滤波电路中，若有一只二极管断路，输出电压平均值是否正常时的一半，为什么?

四、倍压整流电路;

利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器次级输出电压。

#原理;

①当U2为正半周时，A⊕BΘ，使得二极管D1导通，D2截止，C1充电，充电电流如实线所示，C1充电电压的极性为右⊕左Θ，最大值1.414U2。

②当U2为负半周时，AΘB⊕,C1上电压与变压器次级电压相叠加，使得D2导通，D1截止，C2充电，充电电流如图虚线所示。C2充电电压的极性为下⊕上Θ，最大值可达2.828U2。

③可见利用C1对电能的存储作用，是输出电压(C2上的电压)为变压器次级峰值电压的2倍，起到倍压的效果。

④多倍压整流电流。

五、稳压电路;

#整流滤波后的电压已是较为平滑的直流电压，但是输出的电压容易受电网电压变化的影响。同时也会受负载大小变化的影响，为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

1、硅稳压二极管，并联型稳压电路。

①电网电压↑→UI↑→Uo(Uz) ↑→ID↑→IR↑→UR↑→Uo↓

②RL减小(IL↑)→Uo(Uz) ↓→ID↓→IR↓→Uo↓

#限流电阻R在此电路中起到重要的作用，一般取值为;

Rmin=(UImax-Uz)/(I2+ILmin)

(ILmin=Uz\RLmax)

Rmax=(UImin-Uz)/(I2+Ilmax)

(ILmax=Uz\RLmin)

#缺点;输出可供电流小，输出电压不可调。

2、串联型稳压电源;

┏输出电流小 ┓

解决输出电流小的问题，电流放大1+β倍。

┗输出电压不可调 ┛

即;ILmax=(1+β)(ILmax-ILmin) Uo=Uz-UBE(0.7V)

①原理;

(稳压)设电网电压↓

→UI↓→Uo↓→UD2↓→UC2↑→UBi↑→Uo↑

②输出电压调节范围;

∵UB2=UBE2+Uz≈(R'P+R2)\(R1+RP+R2)*Uo

∴Uo=(R1+RP+R2)\(R'P+R2)*(UBE2+Uz)

┏Uomax=(R1+RP+R2)\R2*(UBE2+Uz)

┗Uomin=(R1+RP+R2)\(RP+R2)*(UBE2+Uz)

③单元电路名称;V1调整管，V2比较放大管，Dz基准电压电路，RP,R1,R2采样电路。

Uomax=(R1+RP+R2)\R2*Uz

Uomin=(R1+RP+R2)\(RP+R2)*Uz

比较放大管用运放代替的串稳。

3、直流稳压电源保护电路;

#原理;V1调整管U2，Ro构成限流型过流保护电路，Ro为采样电阻，正常工作时，T2b~e间电压，UBE2=Io*Ro < Uon(开启电压)，因而Vz处于截止状态，与输出电流大到一定数值时，UBE2=Io≥Uon时，使V2导通。

4、稳压集成电路，

①78，79系列稳压集成电路(固定)

78××;05，06，09，12，15，18，24V(+) ┓七种稳压值

79××;05，06，09，12，15，18，24V (-) ┛

#Uo=Uo'(1+R2\R1)+Iw*R2

Uo'*(R1+R2+RP)\(RP+R2) ≤Uo≤(R1+RP+R2)\R1*Uo'

Uo'电压等于三端稳压器标称稳压值。

②LM317，337系列集成稳压电路(可调)1.25~37V

#Uo=(1+R2\R1)*1.25(一般R1取值120~240Ω之间)

#D1,D2为保护电路二极管。

③TL431三端可调分流基准电路。TL431是三端可调分流基准电源外型结构如90××系列三极管，它的输出电压用2个电阻就可以任意的设置，从Vref(2.5V)-30V范围内可调;

参数;输入电压最大37V，最大工作电流150mA，基准电压Uref=2.5V

输出电压调节范围2.5~30V

∵Uref=2.5V

又∵I2=I3+IF

IF≈0

∴Uo=I3*R3+I2*R 2=2.5+I2*R2

④稳压集成典型应用电路;

78，79系列固定稳压集成串接应用电路

注;电路中的滤波电容取值不是关键，值均可上下浮动，但一定注意(UI>Uo)>3V

对于关键位置可以加电阻和发光二极管极性指示。

注;Uo+=1.25*(1+RP1\R4)

Uo-=-1.25*(1+RP2\R5)

所以可根据输入电压的大小，适当改变RP1，RP2的标称电阻值。

5、直流稳压电源的主要技术指标与测量;

①特性指标;表明稳压电源工作特征的参数，主要有输入电压，输出电压，输出电流，输出电压调节。

②质量指标(性能指标);衡量稳压电源稳定性能状况的参数。

#稳压系数Sr=(ΔUo\Uo\ΔUI\UI)\RL=常数(不变)系数越小越好，

Sr≤1(Sr=UI\Uo*ΔUo\ΔUI)

它是表明稳压电源克服电网电压变化的能力，

工程上通常把输入电压波动±10%做为极限条件。

测量方法;将整流滤波后的直流电压(输入电压)变化±10%。

(例如;20V±10%=18~22V),在用万用表测量稳压输出后的变化范围并记录;

(例如;12V，11~12.1V变化)→Sr=ΔUo\Uo\ΔUI\UI=(0.2\12V)\(4\20V)=0.0833

#输出电阻ro;指UI与环境温度不变时，RL负载发生变化时，输出电压变化量与输出电流变化量之比ro=ΔUo\ΔIo\UI 常数越小，带载能力越强，它是表明稳压电源克服负载变化的能力。

测量方法;将输出电压在空载状态下调整至最大(例如Uomax=12V)然后接上负载，负载RL=12Ω变为RL100Ω分别测量RL=12Ω时和RL=100Ω两种状态下的输出电压和输出电流并记录;

(例如;ΔUo=11.5V~11.9V，ΔIo=0.95~0.119A)→ro=ΔUo\ΔIo=0.4V\0.831A=0.481Ω.

#电源效率;输出中功率与输入总功率之比称为电源效率，

η=Po\PI=(Uo*Io\UI*Ii)*100%

RL=常数，UI是指整流，滤波后的直流电压。

希望值越大越好，效率更高。