项目3：直流稳压电源的组装与调试模拟电子产品安装与测试

项目3：直流稳压电源的组装与调试本项目在前面已学的整流滤波的基础上，简单介绍实际稳压电源，得出直流稳压电源的组成；重点对硅稳压二极管稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压电路进行分析；然后进行串联型稳压电路进行组装和调试，从而掌握直流稳压电源工作原理。项目三：直流稳压电源的组装与调试直流稳压电源的认识1分立元器件稳压电路分析2集成稳压电路分析3直流稳压电源的组装与调试4目录3.1直流稳压电源的认识在日常生活中，我们经常使用的随后听、手机充电器等电子产品都带有一个稳压电源，通过接入220V的市电中，就可以方便地给各种电子产品提供所需的直流电压。由于稳压电源应用极为广泛，图3-1为几种常用的稳压电源外观图。图3-1常用稳压电源的外观图3.1直流稳压电源的认识稳压电源形外多种多样，但其内部均是由电子元器件通过一定的电路来实现的，图3-2为分立元器件的串联可调直流稳压电源的电路板实物图。图3-2分立元件的串联可调式直流稳压实物图序号标号类型参数作用1B1变压器变压，将220V交流电变为15V的交流电2D1-D4整流二极管IN4001整流，将交流电变为直流电3DZ稳压二极管6.2V称压，保证其阴极为6.2V的基准电压4C1电解电容1000uF/25V滤波，滤除整流后所含的交流成分5C2瓷片电容100pF滤波，滤除交流成分6C3电解电容100uF/25V滤波，滤除交流成分7R1电阻3KΩ分压，为三极管工作提供合适的工作电压8R2电阻560Ω分压，与稳压二极管组成二极管稳压电路9R3电阻510Ω分压，为三极管工作提供合适的工作电压10R4电阻510Ω分压，为三极管工作提供合适的工作电压11R5电阻560Ω分压，为三极管工作提供合适的工作电压12R6电阻5.6KΩ分压，为三极管工作提供合适的工作电压13R7电阻2Ω分压，为三极管工作提供合适的工作电压14Rp可变电阻（电位器）470Ω调压，调节VT2基极电压15VT1NPN三极管BU406调整放大管16VT2NPN三极管CS9013取样放大管17VT3NPN三极管CS9013过流保护三极管表3-1直流稳压电源分立元件列表3.1直流稳压电源的认识通过插头插入220V的交流电源中，经过电路稳压后便可输出稳定的直流电压。根据不同的需要通过调节电压调节旋钮RP可以实现不同的直流电压输出。通常是由交流电源经电源变压器降压后，再经整流滤波得到的直流电源电压，往往会因为电网电压的波动、负载电流等因素的变化而变化，因此，整流滤波电路后，还需要接稳压电路，才能使电路正常工作。为了获得稳定性好的直流电压，在交流电经变压器变压、整流和滤波后，还需要采取稳压措施，以保证负载得到稳定的直流电压。图3-3为本直流稳压电源的原理图。3.1直流稳压电源的认识图3-3分立元件的串联可调式直流稳压原理图变压器将工频交流电变换为所需的交流电压，经整流电路整流后得到单向脉动直流电，滤波电路将单向脉动直流电中的脉动成分滤除，送入到稳压电路进行稳压，在负载上将得到稳定的直流电压，图3-4为直流电源的方框图。3.1直流稳压电源的认识图3-4直流电源的方框图变压、整流和滤波在前面已作介绍，因此在此不再讲解。稳压电路种类较多，常用的稳压电路有硅稳压二极管稳压电路、串联型稳压电路、集成稳压电路等。3.2分立元器件稳压电路分析硅稳压二极管稳压电路1．硅稳压二极管稳压电路的构成图3-5所示为硅稳压二极管稳压电路，由于稳压二极管VZ与负载RL并联，所以称为并联型稳压电路。图3-5硅稳压二极管稳压电路稳压二极管VZ长期工作在反向击穿区，利用其反向电流可大范围变化而反向电压基本不变的特性进行稳压。R为限流电阻，由图可以得出：UO=UI-IR=UZ而输出电压UO就是稳压二极管两端的电压UZ。3.2分立元器件稳压电路分析2．硅稳压二极管稳压电路的工作原理（1）设负载电阻RL不变，当输入电压UI增大时，输出电压UO将上升，使稳压管的反向电压UZ略有增加。根据稳压管反向击穿特性，稳压管的反向电流IZ将大幅度增加，于是流过电阻的电流I=IZ+IL也将增加很多，所以限流电阻上的电压将增大，使得UI增量的绝大部分降落在R上，从而使输出电压UO基本保持不变。UI↑→UO↑→IL↑→I↑→UR↑UO↓UO↑当输入电压UI减小时，工作过程与上述相反，而输出电压UO基本保持不变。3.2分立元器件稳压电路分析（2）设输入电压UI不变，当负载电阻RL增大时，流过负载的电流IL将减小，导致限流电阻R上的总电流I=IZ+IL减小，则限流电阻R上的压降减小。因输入电压UI不变，所以使输出电压UO=UI-IR增加，即稳压管上的电压UZ=UO增加，其反向电流IZ急剧增加，如果IZ的增加量与IL的减小量基本相等，则I将基本不变，输出电压UO也基本不变。RL↑→UO↓→IL↓→I↓→UR↓UO↑当负载电阻RL减小时，工作过程与上述相反，而输出电压UO基本保持不变。3.2分立元器件稳压电路分析3．硅稳压二极管稳压电路的元件选择（1）输入电压UI的确定考虑到电网电压的波动情况，UI通常按下式选择：UI=（2~3）UO（2）稳压二极管的选择UZ=UOIZmax=（2~3）ILmax（3）限流电阻R的选择若输入电压UI上升10%，且负载电流IL为零（即RL开路）时，流过稳压二极管的电流IZ不应超过稳压二极管的最大允许电流IZmax，即3.2分立元器件稳压电路分析RUUOImaxIZmaxmaxZOImaxIUUmaxZOI1.1IUUR=若输入电压UI下降10%，且负载电流IL增大时，流过稳压二极管的电流IZ不应小于稳压二极管稳定电流的最小值IZmin，即RUUOIminLmaxZminOIminIIUULmaxminZOI9.0IIUU-ILmaxIZminR=限流电阻应按下式选择：ZmaxOIminIUULmaxZminOIminIIUUR3.2分立元器件稳压电路分析限流电阻的额定功率为：PR≥RUU2OImax例3-1：有一稳压电路如图3-5所示。负载电阻RL可从开路变化到3kΩ，其输入电压UI=45V，若要求输出直流电压UO=15V，请选取稳压管VZ的型号。分析：输出电压UO=15V，由此可知：UZ=UO=15V稳压二极管的最大电流IZmax=（2~3）ILmax=（2~3）=15(mA)经过查表可知，选择稳压二极管的型号为2CW20，稳压值为UZ=13.5~17V，稳压电流IZ=5mA，最大稳压电流IZmax=15mA。3.2分立元器件稳压电路分析例3-2:稳压电路如图3-5所示。要求输出电压UO=12V，已知RL=2kΩ，R=1kΩ，稳压二极管UZ=12V，IZmax=20mA，保证稳压二极管工作在反向反向击穿的最小稳定电流IZmin=4mA，试问:（1）要使稳压管有稳压作用,直流输入电压UI的最小值和最大值各是多少？（2）当UI=15V时，稳压电路能否正常工作？此时UO是多少？分析：(1)正常工作时，必须满足IZmin≤IZ≤IZmax。IL=UO/RL=6mA流过R的电流不能小于IRmin=IZmin+IO=4+6=10mA所以输入电压不能小于UImin=UO+IRmaxR=12+10×1=22V流过R的电流不能大于IRmax=IZmax+IO=20+6=26mA输入电压不能大于UImax=UO+IRmaxR=12+26×1=38V3.2分立元器件稳压电路分析可见，稳压电路的输入电压UI在22V至38V之间变动时稳压管可以正常工作。(2)当UI降到15V时，稳压电路不能正常工作,稳压管处于反向截止状态，输出电压为UO===10VLILRRUR121523.2分立元器件稳压电路分析串联型稳压电路1．串联型稳压电路的构成图3-6为分立元件的串联型稳压电路。图3-6串联型稳压电源串联型稳压电源电路中各元件作用如下：①RP、R3、R4构成取样电路。②R2、VZ组成基准电路。③VT2是比较放大管。④VT1为调整元件，也称调整管。3.2分立元器件稳压电路分析串联型稳压电源主要由基准电压、取样电路、比较放大、调整管四个部分组成。图3-7为串联型稳压电源的方框图。图3-7串联型稳压电源的方框图2．串联型稳压电路的工作原理①设负载RL不变，当输入电压UI减小时，输出电压UO存在3.2分立元器件稳压电路分析下降趋势，由于取样电阻的分压使得比较放大管的基极电位UB2下降，比较放大管的发射极电压不变（UE2=UZ），所以UBE2也下降，比较放大管导通能力减弱，UC2升高，调整管导通能力增强，调整管VT1集射这间的电阻RCE1减小，管压降UCE1下降，使输出电压UO上升，保证了UO基本不变。当输入电压增大时，稳压过程与上述分析相反。3.2分立元器件稳压电路分析②设输入电压UI不变，当负载RL增大时，引起输出电压UO增长，则电路中变化过程为：当负载RL减小时，稳压过程与上述分析相反。因此，稳压过程的实质是通过负反馈使输出电压维持稳定。3．串联型稳压电路的输出电压计算图3-6所示稳压电路中电位器RP串接在R3和R4之间，通过调RP来改变输出电压UO，设计该电路时一定要满足I2IB2，忽略IB2，使I1≈I2，则3.2分立元器件稳压电路分析43P4´PRRRRR4´P43PRRRRR4´P43PRRRRRUB2=UOUO=UB2=(UZ+UBE2)其中，UZ为稳压管的稳压值；UBE2为VT2发射结电压；为图3-6中电位器滑动触点下半部分的电阻值。电位器RP调到最上端时，输出电压最小，其值为4P43PRRRRRUOmin=(UZ+UBE2)电位器RP调到最下端时，输出电压最大，其值为UOmax=(UZ+UBE2)443PRRRR3.2分立元器件稳压电路分析例3-3：串联型稳压电路如图3-6所示，UZ=2V，R3=R4=2kΩ，RP=10kΩ，试求输出电压的最大值、最小值为多少？分析：忽略VT2的管压降，UBE2≈0，IB2≈0，则UB2≈UZ当RP调到最上端时，此时输出电压UO最小，得4P43PRRRRR4P43PRRRRR2102210UOmin=(UZ+UBE2)≈UZ=2×=2.4V当RP调到最下端时，此时输出电压UO最大，得443PRRRR443PRRRR22210UOmax=(UZ+UBE2)≈UZ=2×=14V3.3集成稳压电路分析随着电子电路集成化的发展和功率集成技术的提高，出现了各种各样的集成稳压器。集成稳压器是指将调整管、取样放大、基准电压、启动和保护电路等全部集成在一块半导体芯片上而形成的一种稳压集成块，称为单片集成稳压器。它具有体积小、可靠性高、使用简单等特点，尤其是集成稳压器具有多种保护功能，包括过流保护、过压保护和过热保护等。集成稳压电路种类很多，按引出端的数目可分为三端集成稳压器和多端集成稳压器。其中，三端集成稳压器的发展应用最广，采用和三极管同样的封装，使用和安装也和三极管一样方便。三端稳压器由于使用简单，外接元件少，性能稳定，因此广泛应用于各种电子设备中。三端稳压器可分为固定式和可调式两类。3.3集成稳压电路分析三端集成稳压器的主要参数集成稳压器的参数可分为性能参数、工作参数和极限参数三类。⑴性能参数集成稳压器的性能参数是指在给定的工作条件下，集成稳压器本身所能达到的性能指标。其中主要有电压调整率、电流调整率和输出电阻等。这些参数的定义与前述直流稳压电源相应的技术指标相同。⑵工作参数①最大输入-输出电压差（UI-UO）max输入-输出电压差是指集成稳压器输入端和输出端之间的电压降。3.3集成稳压电路分析②最小输入-输出电压差（UIUO）min能保持集成稳压器正常稳压的输入-输出电压降的最小值③输出电压范围（UOmin～UOmax）对于固定输出集成稳压器，其输出电压在器件型号中以标称值给出。④静态工作电流IQ静态工作电流是指在加上输入电压以后，集成稳压器内部电路的工作电流。当⑶极限参数极限参数是表示集成稳压器被破坏的工作参数，反映集成稳压器的安全工作条件。3.3集成稳压