直流稳压电源及其应用

第一章直流稳压电源及其应用几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。交流电经过整流、滤波后变成直流电，虽然能够作为直流电源使用，但是，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随着波动。同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻时，就会在内阻上产生一个波动的电压降，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。负载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。晶体管直流稳压电源可以作为各种晶体管仪器、仪表、电子计算机、自动控制系统与设备的直流电源。精密稳压、稳流电源还可作为检定某些电工仪表用的稳压、稳流电源。因此，晶体管直流稳压电源是科研、生产、教学和维修等单位常用的必备仪器。一、直流稳压电源的原理（一）方框图及工作原理晶体管串联型直流稳压电源的典型电路方框图如图1-1所示。它由整流滤波电路、串联型稳压电路、辅助电源和保护电路等部分组成。图1-1直流稳压电源电路原理方框图整流滤波电路包括电源变压器、整流电路和滤波电路。半导体电路常用的直流电源有6V、12V、18V、24V、30V等额定电压值，而电网电压一般为交流220V，要把电网的交流电压变换成所需要的直流电压，首先要经过电源变压器降压，然后通过整流电路将交流电变成脉动的直流电，由于整流后的电压还有较大的交流成分，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。经过滤波电路后所得到的直流电压，虽然脉动小了，但是电压的数值仍是不稳定的，其主要原因有三个方面：一是交流电网的电压一般有±10%左右的波动，因而会引起整流滤波输出的直流电压也有±10%左右的波动；二是整流滤波电路存在内阻，当负载电流变化时，在内阻上的电压降落也会变化，使输出直流电压也随之变化；三是在整流稳压电路中，由于采用的半导体器件特性随环境温度而变化，所以也造成输出电压不稳定。稳压电路可以保持输出直流电压的稳定，使之不随电网电压、负载或温度的变化而变化。串联型稳压电路由调整环节、比较放大电路、取样电路、基准电压等部分组成。调整环节中的调整管是串接在滤波电路和负载之间，故称为串联型稳压电路。调整管相当于一个可变电阻，如果输出电压升高了，则其电阻值相应地增大，使输出电压降回来；反之，如果输出电压下降了，则其电阻值相应地减小，使输出电压有所升高。这样调整输出电压，使其维持不变，就可达到稳压的目的。取样电路用电阻分压的方法，将输出电压的变化按一定比例取样下来，为取样信号。基准电压是稳定而标准的参考电压。取样信号与基准电压同时加至比较放大电路进行比较，然后将两者之差进行放大，用放大后的电压去控制调整管的基极注入电流，从而改变调整管的直流内阻，调整输出电压稳定不变。为提高稳压器的性能，比较放大电路常采用两级差动放大器，放大倍数较大，控制能力较强，其次比较放大电路还要求零点漂移小，温度稳定性好。上述的整流滤波电路与串联型稳压电路合在一起，也称为主电源。其稳压原理是这样的：如果由于电网电压或负载变化而引起输出电压增大时，经取样电路产生的取样电压也增大，这时取样电压大于基准电压，其差值经比较放大电路放大后，经调整环节使调整管的发射结电压减小，其基极电流减小，调整管的直流内阻增大，其管压降就增大，从而使输出电压减小，维持了输出电压的稳定。同理，当输出电压减小时，通过类似过程，使调整管的直流内阻减小，其管压降减小，也将使输出电压回升，从而基本保持不变。直流稳压电源除了主电源，一般都有两组辅助电源。第一辅助电源由整流器和稳压器组成，其输出电压也相当稳定；第二辅助电源与主电源电路相似，也由整流滤波电路和串联型稳压电路组成，其输出电压很稳定。第一辅助电源的输出电压一方面作为保护电路的电源电压，另一方面与主电源的输出电压和第二辅助电源的输出电压正向串联后，作为主电源比较放大电路末级差动放大管的电源电压，为比较放大电路提供一个具有较高电压的稳压电源，使其增益较大，这样，就提高了主电源串联型稳压电路的调整灵敏度，进一步提高了其输出电压的稳定性。第二辅助电源的输出电压一方面作为主电源比较放大电路差动放大管的电源电压，另一方面通过分压电路输出稳定的电压，作为主电源比较放大电路的基准电压。在串联型稳压电路中，当过载时，特别是在输出端短路的情况下，输入直流电压几乎全部落在调整管的两端，这种过载现象即使时间很短，也会使调整管和整流二极管立即烧毁。因此，必须采用快速动作的过流自动保护电路。当过载或短路时，通过保护电路使调整管截止。这时，输出电压和电流基本都下降为零，起到保护作用。这种保护电路称为截止式保护电路。（二）串联型稳压电路图1-2所示是具有放大环节的串联型晶体管稳压电路。输入电压Vi是由整流滤波电路供给的。电阻R1、R2组成分压器，把输出电压的变化量取出一部分加到由T1组成的放大器的输入端，所以叫作取样电路。电阻R3和稳压管Dz组成稳压管稳压电路，用以提供基准电压，使T1的发射极电位固定不变。晶体管T1组成放大器，起比较和放大信号的作用。R4是T1的集电极电阻，从T1集电极输出的信号直接加到调整管T2的基极。R1R2R3R4roIc2Ic1IIoRLR4VoViIB2+--+T1T2B1Dz图1-2串联型稳压电路如果由于电网电压降低或负载电流增大使输出电压Vo降低时，通过R1、R2的分压作用，T1的基极电位VB1下降，由于T1的发射极电位VE1被稳压管Dz稳住而基本不变，二者比较的结果，使T1发射结的正向电压减小，从而使T1的IC1减小和VC1增高。VC1的升高又使T2的IB2和IC2增大，VCE2减小，最后使输出电压Vo升高到接近原来的数值。以上稳压过程可以表示为：VoVoB1C1CE2VVV取样放大控制调整同理，当Vo升高时，通过稳压过程也使Vo基本保持不变。比较放大器可以是一个单管放大电路，但为了提高其增益及输出电压温度稳定性，也可以采用多级差动放大电路和集成运放。调整管通常是功率管，为增大β值，使比较放大器的小电流能推动功率管，也可以是二个至三个晶体管组成的复合管，如果调整管的功率不能满足要求时，也可以是若干个调整管并联使用，增加支路以便扩大输出电流。由于用途不同，取样电路的接法也不同：对稳压源，取样电阻是与负载并联；而对稳流源，取样电阻则是与负载串联。有些电子设备需要大小相等而极性相反的双路电源电压。这样的电源电压可以通过对称的双路稳压电路来获得。（三）辅助电源电路1．第一辅助电源电路在图1-2所示的电路中，放大管T1的负载R4直接接在变化较大的输入电压Vi上，因此输入电压的变化会直接通过R4作用到调整管T2的基极上，从而使输出电压发生变化，影响其稳定性。为了克服这个缺点，可以采用一个独立的辅助电源Vz2供电，如图1-3所示。这个电源也称为第一辅助电源，是由R和Dz2组成的稳压电路，由同一变压器的另一次级绕组经整流滤波得到电压Vi1，经稳压电路得到稳定电压Vz2，该电压与Vo串联后作为T1的电源。由于Vz2与Vo都是相当稳定的，所以电源电压的波动对输出电压的影响可大大减小。由于Vz2与Vo相加作为比较放大器的电源，所以R4可以选得比原来大，以提高放大倍数，从而进一步地增强了控制能力，提高了输出电压的稳定性。R1R2Rz1R4RVoVi+--+T1T2B1+-Vi1Dz2+-Vz2Dz1图1-3第一辅助电源电路2．第二辅助电源电路在图1-2所示的电路中，串联型稳压电路的输出电压Vo可以由下式给出：2211)(RRRVVzVoBE可见，改变取样电路的分压比，可以调节输出电压的大小。R1愈小则输出电压Vo也愈小。当R1=0时，输出电压最低，其值为：Vomin=Vz+VBE1，即输出电压的最低值仍高于稳压管工作电压Vz，输出电压不可能调整到零是这种电路的缺点。为了扩大输出电压的调整范围，可增加第二辅助电源，如图1-4所示，这种电路稳压管的电压是由另一组整流电路的Vi2供给，从图可以直观看出，如果R1=0时，则V=VBE1≈0。可见，第二辅助电源提供了调节输出电压接近于零的可能性，只要改变取样电路的分压比，就可实现输出电压在大范围内连续可调的要求。R1R2R4VoVi+--+T1T2+-Vi2Dz+-VzR3图1-4第二辅助电源电路（四）串联型稳压电路的保护电路串联型晶体管稳压电路的保护电路可分为限流式和截止式两种。1．限流式保护电路限流式保护电路是当输出电流超过一定数值时，则保护电路开始工作，使调整管处于不完全截止状态，输出电流和输出电压都相应下降，达到保护电源的目的。这种保护电路比较简单，而且当输出过载或短路被排除后，稳压电路便自动地恢复工作。R4VoVi+-+T1T2R1R2R3R5R6R7DzT3-保护电路图1-5限流保护电路图1-5所示虚线包围的部分是较常见的限流式保护电路。T3称为保护管。输出电压经R5和R6分压，取R6上的电压给T3基极提供反向偏压。R7为检测电阻，其阻值较小。输出电流在R7上的压降给T3基极提供正向偏压。在正常情况下，R6上的反向偏压超过R7上的正向偏压，所以T3处于截止状态，对稳压电路工作没有影响。当过载使输出电流过大时，则R7正向压降也增大，使T3进入导通状态，于是T3管两端电压减小，使调整管T2发射结正向电压也减小，从而使调整管电流减小，输出电流和电压都减小，对调整管起到了保护作用。这种保护电路维持T3导通的必要条件是输出电流经过R7产生正向偏压，因此只能把输出电流减小到一定程度，而不能使调整管截止。当输出过载原因被排除后，可以自动恢复到正常状态。优点是简单可靠，缺点是过载时调整管上仍消耗较大的功率。2．截止式保护电路截止式保护电路是当负载过载或短路时，通过保护电路使调整管截止，这时输出电压和电流基本都下降为零，从而起到保护作用。截止式保护电路稍微复杂。它又可分为两种情况：一种是可自动恢复工作；另一种是当故障排除后必须依靠复位按钮或切断交流电源重新开机，稳压电源才能恢复正常工作。R4VoVi+-+T1T2R1R2R3R5R6Dz1T3-Dz2Vz2R7R8R9+-B1B2R+++---Io图1-6截止式保护电路图1-6所示虚线包围的部分为截止式保护电路。图中电阻R8、稳压管Dz2及分压电阻R4、R5为保护管T3提供基极电压，由输出电压Vo经电阻R6、R7分压供给T3发射极电压，检测电阻R接在R7和R5之间，输出电流Io流过它产生电压降，R5、R7和R上电压的极性如图所示，可见加在保护管T3的发射结电压为VBE3=（VR5+VR）-VR7当稳压电路正常工作时，Io在额定值内，VR=IoR较小，使VR5+VR＜VR7，则VBE3为负值，T3管发射结反向偏置而可靠地截止。保护电路不起作用，对稳压电路的正常工作没有影响。当输出电流Io超过额定值时，R上电压增加使T3导通，其集电极电压VC3下降，即调整管T2的VB2下降，致使它趋于截止，VCE2增大，输出电压Vo随之减小，结果R7上的电压VR7减小，使T3管进一步导通，又使Vo进一步下降，形成正反馈过程，以致调整管T2迅速截止，输出电压和电流均接近于零。此时靠R5上的电压VR5维持T3导通，T2截止，达到了保护的目的。二、直流稳压电源的使用直流稳压电源的使用方法很简单。使用时，应注意所需直流电压的极性。如果需要输出正电压，则应将直流稳压电源的输出端了“-”接用电设备的“地”端，将端子“+”接所需正电压端。如果需要输出负电压，则需把上述接线方法反一下即可。通电前，应用万用表测量一下，检查输出电压是否符合使用要求，以免电压过高损坏用电设备。为了使用电设备能正常工作，不致因直流电源性能不佳，而影响用电设备稳定可靠地工作，在作用稳压电源前，最好将它简单地测试一下。测试的主要内容有：输出电压的调节