搜索
直流稳压电源简介[英]DCRegulatedPowerSupply.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'sHome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R1R1＝（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2UI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。使用注意事项：第一，请注意功率不能太大，第二，防水防尘防摔防震需要注意，第三，通电时，电压不能太大。串联稳压电源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