一文詳解電源電路基礎(chǔ)知識

日常生活中,電子產(chǎn)品在工作時都需要直流電源提供激勵，而電池因使用成本較高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中。如下圖所示, 是直流電源的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)壓過程: ?

? 1) 電源變壓器先將市電轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的目標(biāo)電壓; 2) 整流電路是將交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動直流電; 3) 濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分; 4) 穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負反饋技術(shù)進一步穩(wěn)定直流電壓。 ???? 小功率整流濾波電路 ? 單相橋式整流電路: (1) 工作原理: ?

? 當(dāng)正半周時二極管D1、D3導(dǎo)通，在負載電阻上得到正弦波的正半周; 當(dāng)負半周時二極管D2、D4導(dǎo)通，在負載電阻上得到正弦波的負半周. ? 在負載電阻上正負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。 ?

? (2) 負載上的直流電壓和直流電流 ?

? 輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。 ? 輸出平均電壓為: ?

? 流過負載的平均電流為: ?

? 流過二極管的平均電流為: ?

? 二極管所承受的最大反向電壓: ? ? ? 濾波電路 ? 濾波的基本概念: ? 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 ? 電容濾波電路: ? 單相橋式電容濾波整流電路。在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C。 ?

? (1)濾波原理: 若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2，是正弦形。在剛過90°時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時二極管仍然導(dǎo)通。在超過90°后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關(guān)斷。 ?

? 所以，在t1到t2時刻，二極管導(dǎo)電，C充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化;t2到t3時刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。 ? 需要指出的是，當(dāng)放電時間常數(shù)RLC增加時，t1點要右移， t2點要左移，二極管關(guān)斷時間加長，導(dǎo)通角減小，見曲線3;反之，RLC減少時，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng)RL很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見濾波曲線中的2。反之，當(dāng)RL很大，即IL很小時，盡管C較小,RLC仍很大,電容濾波的效果也很好,見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。 ?

? ? 電容濾波的效果 ? (2)電容濾波的計算: 電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法： ? 一種是用鋸齒波近似表示，即: ?

? 另一種是在RLC=(3~5)T/ 2的條件下，近似認為VL=VO=1.2V2。(或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足wRLC≥6~10。) ? (3)外特性: ? 整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負載電流 IO的變化關(guān)系曲線。 ?

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? ? 整流濾波電路的外特性 ? 電感濾波電路: 利用儲能元件電感器L的電流不能突變的性質(zhì)，把電感L與整流電路的負載RL相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。 ?

電感濾波電路波形圖 ? 當(dāng)v2正半周時，D1、D3導(dǎo)電，電感中的電流將滯后v2。當(dāng)負半周時，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3; D2、D4的導(dǎo)通角都是180°。 ? 穩(wěn)壓電路概述: ? 引起輸出電壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化。負載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化。 ?

? ?

? 穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo) ? 用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低。DVI和D IO引起的D VO可用下式表示: ?

? (1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr ,定義為 : ?

? 有時穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義 : ?

? (2)電壓調(diào)整率SV 一般特指ΔVi/Vi=±10%時的Sr ?

? (3)輸出電阻Ro ?

? (4)電流調(diào)整率SI , 當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。 ?

? (5)紋波抑制比Srip 輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。 ?

? (6)輸出電壓的溫度系數(shù)ST ?

? 如果考慮溫度對輸出電壓的影響, 則輸出電壓是輸入電壓、負載電流和溫度的函數(shù) ?

? 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。 ?

? (1)當(dāng)輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓 ?

? 由圖可知: ?

? 輸入電壓VI增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程概括為：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓ (2) 當(dāng)負載電流變化時如何穩(wěn)壓負載電流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程概括為： ? ? IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓(VO↓)→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑ ? 穩(wěn)壓電阻的計算穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān), 穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好,穩(wěn)壓電阻R 的作用 :將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用，同時R也是限流電阻。顯然R 的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達到足夠的穩(wěn)壓效果。但R 的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。穩(wěn)壓電阻的計算:當(dāng)輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即 ?

? ?

? 當(dāng)輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應(yīng)超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即 : ?

? ?

? 穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞! ? ? 基準(zhǔn)源 ? 基準(zhǔn)源 : 也稱為參考源, 一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過補償了的穩(wěn)壓二極管。這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數(shù)可小到幾個10-6/℃。 ? 典型的基準(zhǔn)源 : ?

? 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源 ? 穩(wěn)壓二極管的缺點是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理: ?

? 1.輸入電壓變化，負載電流保持不變: ?

? 輸入電壓VI增加，必然會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得誤差信號ΔV。誤差信號經(jīng)放大后，用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。 ? VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓ ? 2.負載電流變化，輸入電壓保持不變 ? 負載電流IL增加，必然會使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得的誤差信號使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。 ? IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑ ?

? 3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計算 ? 可知 : Vf≈VREF ? ? 顯然，調(diào)節(jié)RW可以改變輸出電壓。 ? 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理: ?

? ? ? ? ? 當(dāng)VI↑時：→VO↑ →Vf↑→VB、IC↓ →VCE↑→VO↓ ?

? ? ? 穩(wěn)壓電路的保護環(huán)節(jié) ? 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對穩(wěn)壓電源的短路進行保護。過載也會造成損壞。 ?

? 截流型: 當(dāng)發(fā)生短路時，通過保護電路使調(diào)整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性如下圖所示: ?

? 限流型: 是當(dāng)發(fā)生短路時，通過電路中取樣電阻的反饋作用，輸出電流得以限制。限流特性見截流特性如下圖所示: ? ? 三端集成穩(wěn)壓器 ? 將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護電路集成在一起就是集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器有：輸入端、輸出端和公共端，稱三端集成穩(wěn)壓器。 ? ? ? ? 集成穩(wěn)壓器符號外形圖 ? 要特別注意，不同型號，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們?nèi)齻€電極的位置是不同的，要查手冊確定。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器: ?

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? ? ? ? ? 三端集成穩(wěn)壓器的分類: ? 1.三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW78--/CW78M--/CW78L-- 2.三端固定負輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW79--/CW79M--/CW79L-- 3.三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW117--/CW117M--/CW117L- ? CW217--/CW217M--/CW217L-- CW317--/CW317M--/CW317L-- ? 4.三端可調(diào)負輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW137--/CW137M--/CW137L- CW237--/CW237M--CW237L-- CW337--/CW337M--/CW337L-- ? 5.三端低壓差集成穩(wěn)壓器 ? 6.大電流三端集成穩(wěn)壓器以上1---為軍品級;2---為工業(yè)品級;3---為民品級。 ? 軍品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃; 工業(yè)品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃; ? 民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。 ? 應(yīng)用電路 ? 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖所示: ? ? 三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖所示: ?