一文详解电源电路基础知识

日常生活中,电子产品在工作时都需要直流电源提供激励，而电池因使用成本较高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。如下图 所示, 是直流电源的结构及稳压过程:  

  1) 电源变压器先将市电转变为较低的目标电压; 2) 整流电路是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电; 3) 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分; 4) 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。      小功率整流滤波电路   单相桥式整流电路: (1) 工作原理:  

 

  当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周; 当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周.   在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。  

  (2) 负载上的直流电压和直流电流  

  输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。   输出平均电压为:  

  流过负载的平均电流为:  

  流过二极管的平均电流为:  

  二极管所承受的最大反向电压:       滤波电路   滤波的基本概念:   滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载 串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。   电容滤波电路:   单相桥式电容滤波整流电路。在负载电阻上并联了一个滤波电容C。  

  (1)滤波原理: 若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的 速率越来越快，二极管关断。  

  所以，在t1到t2时刻，二极管导电，C充电，vC=vL按正弦规律变化;t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。   需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3;反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当RL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。反之，当RL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。  

    电容滤波的效果   (2)电容滤波的计算: 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：   一种是用锯齿波近似表示，即:  

  另一种是在RLC=(3~5)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。(或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足wRLC≥6~10。)   (3)外特性:   整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线。  

   

    整流滤波电路的外特性   电感滤波电路: 利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质，把电感L与整流电路的负载RL相串联，也可以起到滤波的作用。  

 

电感滤波电路 波形图   当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3; D2、D4的导通角都是180°。   稳压电路概述:   引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。  

   

  稳压电路的技术指标   用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。DVI和D IO引起的D VO可用下式表示:  

  (1)稳压系数Sr ,定义为 :  

  有时稳压系数也用下式定义 :  

  (2)电压调整率SV 一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr  

  (3)输出电阻Ro  

  (4)电流调整率SI , 当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。  

  (5)纹波抑制比Srip 输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。  

  (6)输出电压的温度系数ST  

  如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数  

  硅稳压二极管稳压电路的原理 它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。  

  (1)当输入电压变化时如何稳压  

  由图可知:  

  输入电压VI增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程概括为：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓ (2) 当负载电流变化时如何稳压 负载电流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程概括为：     IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓(VO↓)→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑   稳压电阻的计算稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关, 稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好,稳压电阻R 的作用 :将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。但R 的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压电阻的计算:当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即  

   

  当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即 :  

   

   

  稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏!     基准源   基准源 : 也称为参考源, 一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿了的稳压二极管。这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10-6/℃。   典型的基准源 :  

  串联反馈式稳压电源   稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。 串联反馈式稳压电路的工作原理:  

  1.输入电压变化，负载电流保持不变:  

  输入电压VI增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。   VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓   2.负载电流变化，输入电压保持不变   负载电流IL增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。   IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑  

  3.输出电压调节范围的计算   可知 : Vf≈VREF     显然，调节RW可以改变输出电压。   串联反馈式稳压电路的工作原理:  

          当VI↑时：→VO↑ →Vf↑→VB、IC↓ →VCE↑→VO↓  

      稳压电路的保护环节   串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。  

  截流型: 当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如下图所示:  

  限流型: 是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性见截流特性如下图所示:     三端集成稳压器   将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。集成稳压器有：输入端、输出端和公共端，称三端集成稳压器。         集成稳压器符号 外形图   要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。 三端可调式集成稳压器:  

   

          三端集成稳压器的分类:   1.三端固定正输出集成稳压器 国标型号:CW78--/CW78M--/CW78L-- 2.三端固定负输出集成稳压器 国标型号:CW79--/CW79M--/CW79L-- 3.三端可调正输出集成稳压器 国标型号:CW117--/CW117M--/CW117L-   CW217--/CW217M--/CW217L-- CW317--/CW317M--/CW317L--   4.三端可调负输出集成稳压器 国标型号:CW137--/CW137M--/CW137L- CW237--/CW237M--CW237L-- CW337--/CW337M--/CW337L--   5.三端低压差集成稳压器   6.大电流三端集成稳压器 以上1---为军品级;2---为工业品级;3---为民品级。   军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃; 工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃;   民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。   应用电路   三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图所示:     三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图所示:  

  可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节:  

编辑：黄飞