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直流稳压电源

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·串联稳压电源
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  [英] DC Regulated Power Supply.
  当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利,但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器,所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统,超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路,比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础,没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。
  由于电子技术的特性,电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能,而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外,很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题,否则电路无法工作、电子制作无法进行,学习就无从谈起。为此,Pecker's Home专门开辟了这个直流稳压电源技术专题,希望给初学阶段的电子爱好者一些帮助。同时也可以作为普通爱好者电源技术方面的参考资料,供日常学习、制作上参考之用。
·分类Top

  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据直流稳压电源的特点给出一个大致的分类思路,图1-1-1是根据上面的思路划分的稳压电源种类:
·技术指标Top

  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2-2-1。
  (2)电流调整率SI
  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2-2-2。
  (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2-2-3。
  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。
·并联稳压电源Top

  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
  图3-1-1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D1与R2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电流也增大,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↑
  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D1和R1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UD1=UR2和ID1≈(IR2)max来初步选定稳压管D1,如果负载有可能开路则应选择(ID1)max≈(2-3)(IR2)max,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=(2-3)UR2
  (3)选定限流电阻R1
  R1=(UI-UR2)/(ID1+IR2)
  但是需要考虑两种极限情况:
  当UI最大,且负载开路时(即IR2=0),流过D1的电流最大。为了不超过D1的最大允许电流(ID1)max,需要有足够大的电流电阻,否则会烧坏D1。则R1需要满足:
  R1>((UI)max-UR2)/ ID1)max
  当UI最小,且负载电流最大时,流过D1的电流最小。为了保证此时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5mA-10mA。则R1需要满足:
  R1<((UI)min-UR2)/(ID1+(IR2)max)
  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R1和UI,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
  图3-1-2是晶体管并联稳压电源。其中T1是调整管、D1是基准稳压管,R1是D1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T1将D1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,稳压效果为β倍D1稳压效果的稳压管。
  电路工作原理是:
  UI↑→UD1↑→(UT1)EC↑→(IT1)EC↑→IR2↑→UR2↑→(UT1)EC↓
  UI↓→UD1↓→(UT1)EC↓→(IT1)EC↓→IR2↓→UR2↓→(UT1)EC↑
  2、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,以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2 UI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P=I2R),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R1和UI,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
  图3-1-3是一种使用复合调整管的并联稳压电源,与图3-1-2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3-1-2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。
  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。
·串联稳压电源Top

  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
  图4-1-1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UD1,T1发射结电压(UT1)BE在T1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UO=UD1-(UT1)BE。当输出电压远大于T1发射结电压时,可以忽略(UT1)BE,则UO≈UD1。
  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,即T1的发射极电压(UT1)E降低,由于UD1保持不变,从而造成T1发射结电压(UT1)BE上升,引起T1基极电流(IT1)B上升,从而造成T1发射极电流(IT1)E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(UT1)CE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↓→(UT1)E↓→UD1恒定→(UT1)BE↑→(IT1)B↑→(IT1)E↑→(UT1)CE↓→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↑→(UT1)E↑→UD1恒定→(UT1)BE↓→(IT1)B↓→(IT1)E↓→(UT1)CE↑→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:一是稳压管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,电路的输出电压为UO=(UT1)E≈(UT1)B,由于(UT1)B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(UT1)CE,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
  图4-1-1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771型8管台式收音机上。其中T8、DZ、R18构成简易稳压电路,B6、D4~D7、C21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。
  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
  图4-2-1是串联负反馈稳压电路电路图,其中T1是调整管,D1和R2组成基准电压,T2为比较放大器,R3~R5组成取样电路,R6是负载。其电路组成框图见图4-2-2。
  假设由于某种原因引起输出电压UO降低时,通过R3~R5的取样电路,引起T2基极电压(UT2)O成比例下降,由于T2发射极电压(UT2)E受稳压管D1的稳压值控制保持不变,所以T2发射结电压(UT2)BE将减小,于是T2基极电流(IT2)B减小,T2发射极电流(IT2)E跟随减小,T2管压降(UT2)CE增加,导致其发射极电压(UT2)C上升,即调整管T1基极电压(UT1)B将上升,T1管压降(UT1)CE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↓→(UT2)O↓→UD1恒定→(UT2)BE↓→(IT2)B↓→(IT2)E↓→(UT2)CE↑
  →(UT2)C↑→(UT1)B↑→(UT1)CE↓→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↑→(UT2)O↑→UD1恒定→(UT2)BE↑→(IT2)B↑→(IT2)E↑→(UT2)CE↓
  →(UT2)C↓→(UT1)B↓→(UT1)CE↑→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。
  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。T2的β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R3~R5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R3~R5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(UT2)B。
  当R4滑动到最上端时T2基极电压(UT2)B为:
  此时输出电压为:
  这时的输出电压是最小值。
  当R4滑动到最下端时T2基极电压(UT2)B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(UT2)BE<<UD1时可以忽略(UT2)BE的值。
  通过上面的计算我们可以看出,只要合适选择R3~R5的阻值就可以控制输出电压UO的范围,改变R3和R5的阻值就可以改变输出电压UO的边界值。
  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4-2-7所示。
  图4-2-7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(PT1)PCM的大功率管,而其驱动电流只要求(IT2)B。
  图4-2-8是一个实用串联负反馈稳压电源电路图。此电路采用图4-2-7(a)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将其旁路掉。
  线性稳定电源
  线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区,靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大,需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频(50Hz)上,所以重量较大。
  该类电源优点是稳定性高,纹波小,可靠性高,易做成多路,输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种,从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流(双稳)电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。
  开关型直流稳压电源
  与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源,它的电路型式主要有单端反激式,单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态;开关电源因此而得名。
  开关电源的优点是体积小,重量轻,稳定可靠;缺点相对于线性电源来说纹波较大(一般≤1%VO(P-P),好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦-几千瓦均有产品。价位为3元-十几万元/瓦,下面就一般习惯分类介绍几种开关电源:
  1 AC/DC电源
  该类电源也称一次电源,它自电网取得能量,经过高压整流滤波得到一个直流高压,供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压,功率从几瓦-几千瓦均有产品,用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多,据用户需要而定通信电源中的一次电源(AC220输入,DC48V或24V输出)也属此类.
  ② DC/DC电源
  在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
  ③ 通信电源
  通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源,只是它一般以直流-48V或-24V供电,并用后备电池作DC供电的备份,将DC的供电电压变换成电路的工作电压,一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种,以后者可靠性最高。
  ④ 电台电源
  电台电源输入AC220V/110V,输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定,几安几百安均有产品.为防止AC电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。
  ⑤ 模块电源
  随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高,模块电源越来越显示其优越性,它工作频率高、体积小、可靠性高,便于安装和组合扩容,所以越来越被广泛采用。目前,目前国内虽有相应模块生产,但因生产工艺未能赶上国际水平,故障率较高。
  DC/DC模块电源目前虽然成本较高,但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看,特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看,选用该电源模块还是合算合算的,在此还值得一提的是罗氏变换器电路,它的突出优点是电路结构简单,效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。
  ⑥ 特种电源
  高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等,可归于此类,可根据特殊需要选用。开关电源的价位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍高,可达11-13元/瓦。
  用途
  直流稳压电源[1]可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。


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参考资料
1.广州邮科电源 http://www.ykups.com/KetiaozhiliuPower.htm 2.http://www.peckers.cn/new2007a/Article/ArticleSpecial.asp?SpecialID=1 3.苏州万瑞达电气http://www.dianyuan360.com/product5.asp 4.http://www.lyld.com

贡献者
sylar    


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