电源基本电路介绍

电源基本电路介绍 电源电路的功能和组成每个电子设备都有一个供给能量的电源电路 电源电路有整流电源 逆变电源和变频器三种 常见的家用电器中多数要用到直流电源 直流电源的最简单的供电方法 是用电池 但电池有成本高 体积大 需要不时更换 蓄电池则要经常充电 的缺点 因此最经济可 靠而又方便的是使用整流电源 电子电路中的电源一般是低压直流电 所以要想从 220 伏市电变 换成直流电 应该先把 220 伏交流变成低压交流电 再用整流电路变成脉动的直流电 最后用滤 波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电 有的电子设备对电源的质量要求很高 所以有时还需要再增加一个稳压电路 因此整流电源的组成一般有四大部分 见图 l 其中变压电 路其实就是一个铁芯变压器 需要介绍的只是后面三种单元电路 1 半波整流 半波整流电路只需一个二极管 见图 2 a 在交流电正半周时 VD 导通 负半周时 VD 截 止 负载 RL 上得到的是脉动的直流电 2 全波整流 全波整流要用两个二极管 而且要求变压器有带中心抽头的两个圈数相同的次级线圈 见图 2 b 负载 RL 上得到的是脉动的全波整流电流 输出电压比半波整流电路高 3 全波桥式整流 用 4 个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器 见图 2 c 负载上的 电流波形和输出电压值与全波整流电路相同 4 倍压整流 用多个二极管和电容器可以获得较高的直流电压 图 2 d 是一个二倍压整流电路 当 U2 为负半周时 VDl 导通 Cl 被充电 C1 上最高电压可接 近 1 4U2 当 U2 正半周时 VD2 导通 Cl 上的电压和 U2 叠加在一起对 C2 充电 使 C2 上电压 接近 2 8U2 是 Cl 上电压的 2 倍 所以叫倍压整流电路 三 滤波电路 整流后得到的是脉动直流电 如果加上滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分 就可得到平滑 的直流电 1 电容滤波 把电容器和负载并联 如图 3 a 正半周时电容被充电 负半周时电容放电 就可使负载上得 到平滑的直流电 2 电感滤波 把电感和负载串联起来 如图 3 b 也能滤除脉动电流中的交流成分 3 LC 滤波 用 1 个电感和 1 个电容组成的滤波电路因为象一个倒写的字母 L 被称为 L 型 见图 3 c 用 1 个电感和 2 个电容的滤波电路因为象字母 被称为丌型 见图 3 d 这是滤波效果较好的电 路 4 RC 滤波 电感器的成本高 体积大 所以在电流不太大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成 RC 滤波电路 同样 它也有 L 型 见图 3 e 型 见图 3 f 四 稳压电路 交流电网电压的波动和负载电流的变化都会使整流电源的输出电压和电流随之变动 因此要求 较高的电子电路必须使用稳压电源 1 稳压管并联稳压电路用一个稳压管和负载并联的电路是最简单的稳压电路 见图 4 a 图中 R 是限流电阻 这个电路的输出电流很小 它的输出电压等于稳压管的稳定电压值 V 2 串联型稳压电路 有放大和负反馈作用的串联型稳压电路是最常用的稳压电路 它的电路和框图见图 4 b c 它是从取样电路 R3 R4 中检测出输出电压的变动 与基准电压 Vz 比较并经放大器 VT2 放大后 加到调整管 VTl 上 使调整管两端的电压随着变化 如果输出电压下降 就使调整管管压降也降 低 于是输出电压被提升 如果输出电压上升 就使调整管管压降也上升 于是输出电压被压低 结果就使输出电压基本不变 在这个电路的基础上发展成很多变型电路或增加一些辅助电路 如 用复合管作调整管 输出电压可调的电路 用运算放大器作比较放大的电路 以及增加辅助电源 和过流保护电路等 加深对上述电源原理的理解 加深对上述电源原理的理解 根据调整管的工作状态 我们常把稳压电源分成两类 线性稳压电源和开关稳压电源 这里说的线性稳压电源 是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源 调整管工作在线性状 态下 可这么来理解 RW 见下面的分析 是连续可变的 亦即是线性的 而在开关电源中则不 一样 开关管 在开关电源中 我们一般把调整管叫做开关管 是工作在开 关两种状态下的 开 电阻很小 关 电阻很大 工作在开关状态下的 管子显然不是线性状态 线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源 线性 稳压直流电源的特点是 输出电压比输入电压低 反应速输出电压比输入电压低 反应速 度快 输出纹波较小 工作产生的噪声低 效率较低度快 输出纹波较小 工作产生的噪声低 效率较低 现在现在 经常看的经常看的 LDO 就是为了解决效率问题而出现的就是为了解决效率问题而出现的 发热量 发热量 大 尤其是大功率电源 间接地给系统增加热噪声 大 尤其是大功率电源 间接地给系统增加热噪声 工作原理 我们先用右图来说明线性稳压电源调节电 压的原理 如下图所示 可变电阻 RW 跟负载电阻 RL 组 成一个分压电路 输出电压为 Uo Ui RL RW RL 因此通过调节 RW的大小 即可 改变输出电压的大小 请注意 在这个式子里 如果我们 只看可调电阻 RW的值变化 Uo 的输出并不是线性的 但如果把 RW和 RL一起看 则是线性的 还要注意 我们这个图并没有将 RW的引出端画成连到左边 而画在右边 虽然这从公式上看并没 有什么区别 但画在右边 却正好反映了 采样 和 反馈 的概念 实际中的电源 绝大部分 都是工作在采样和反馈的模式下的 使用前馈方法很少 或就是用了 也只是辅助方法而已 让我们继续 如果我们用一个三极管或者场效应管 来代替图中的可变阻器 并通过检测输 出电压的大小 来控制这个 变阻器 阻值的大小 使输出电压保持恒定 这样我们就实现了稳 压的目的 这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的 所以叫做调整管 像图 1 所示的那样 由于调整管串联在电源跟负载之间 所以叫做串联型稳压电源由于调整管串联在电源跟负载之间 所以叫做串联型稳压电源 相应的 还有并联型稳压电源 就是将调整管跟负载并联来调节输出电压并联型稳压电源 就是将调整管跟负载并联来调节输出电压 典型的基准稳压器 TL431 就 是一种并联型稳压器 由于调整管相当于一个电阻 电流流过电阻时会发热 所以工作在线性状态下的调整管 一 般会产生大量的热 导致效率不高 这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点 想要更详细的 了解线性稳压电源 请参看模拟电子线路教科书 这里我们主要是帮助大家理清这些概念以及它 们之间的关系 一般来说 线性稳压电源由调整管 参考电压 取样电路 误差放大电路等几个基本部分组 成 另外还可能包括一些例如保护电路 启动电路等部分 下图是一个比较简单的线性稳压电源 原理图 示意图 省略了滤波电容等元件 取样电阻通过取样输出电压 并与参考电压比较 比较结果由误差放大电路放大后 控制调整 管的导通程度 使输出电压保持稳定 常用的线性串联型稳压电源芯片有 78 XX 系列 正电压型 79XX 系列 负电压 型 实际产品中 XX 用数字表示 XX 是 多少 输出电压就是多少 例如 7805 输出 电压为 5V LM317 可调正电压型 L M337 可调负电压型 1117 低压差型 有多种型号 用尾数表示电压值 如 1117 3 3 为 3 3V 1117 ADJ 为可调型 3 开关型稳压电路 近年来广泛应用的新型稳珏电源是开关型稳压电源 它的调整管工作在开关状态 本身功耗相 小 所以有效率高 体积小等优点 但电路比较复杂 开关稳压电源从原理上分有很多种 它的 基本原理框图见图 4 d 图中电感 L 和电容 C 是储能和滤波元件 二极管 VD 是调整管在关断状 态时为 L C 滤波器提供电流通路的续流二极管 开关稳压电源的开关频率都很高 一般为几 几 十千赫 所以电感器的体积不很大 输出电压中的高次谐波也不多 它的基本工作原理是 从取 样电路 R3 R4 中检测出取样电压经比较放大后去控制一个矩形波发生器 矩形波发生器的输出 脉冲是控制调整管 VT 的导通和截止时间的 如果输出电压 U 因为电网电压或负载电流的变动 而降低 就会使矩形波发生器的输出脉冲变宽 于是调整管导通时间增大 使 L C 储能电路得到 更多的能量 结果是使输出电压 U 被提升 达到了稳定输出电压的目的 4 集成化稳压电路 近年来已有大量集成稳压器产品问世 品种很多 结构也各不相同 目前用得较多的有三端集 成稳压器 有输出正电压的 CW7800 系列和输出负电压的 CW7900 系列等产品 输出电流从 0 1A 一 3A 输出电压有 5V 6V 9V 12V l5V 18V 24V 等多种 这种集成稳压器只有三 个端子 稳压电路的所有部分包括大功率调整管以及保护电路等都已集成在芯片内 使用时只要 加上散热片后接到整流滤波电路后面就行了 外围元件少 稳压精度高 工作可靠 般不需调 试 图 4 c 是 个三端稳压器电路 图中 C 是主滤波电容 Cl C2 是消除寄生振荡的电容 VD 是为防止输入短路烧坏集成块而使用的保护二极管 五 电源电路读图要点和举例 电源电路是电子电路中比较简单然而却是应用最广的电路 拿到 张电源电路图时 应该 1 先按 整流一滤波一稳压 的次序把整个电源 电路分解开来 逐级细细分析 2 逐级分析时要分清主电路相辅助电路 主要元件和次要元件 弄清它们的作用和参数要求等 例 如开关稳压电源中 电感电容和续流二极管就是它的关键元件 3 因为晶体管有 NPN 和 PNP 型两类 某些集成电路要求双电源供电 所以一个电源电路往往包 括有不同极性不同电压值和好几组输出 读图时必须分清各组输出电压的数值和极性 在组装和维修时 也要仔细分清晶体管和电解电容的极性 防止出错 4 熟悉某些习惯画法和简化画法 5 最后把整个电源电路从前到后全面综合贯通起来 这张电源电路图也就读懂了 DIY 最简单而且性能较佳的可调稳压电源最简单而且性能较佳的可调稳压电源 理解了线性稳压电源的原理后 自己动手制作一个稳压电源 多亏微电子技术的发展 我们 不必去制作上面那么复杂的分立元件的电路 只需制作一个芯片构成简单的电路 就能达到要求 而且性能比分立元件的更佳 核心是一个 LM317 的芯片 管脚的分布如图所示 输出电压的计算公式为 25 1 1 1 1 0 R RP V 因此调节 RP1 就能调节输出电压 最低可输出 1 25V 输 出的最高电压取决于整流滤波后的输出电压的高低 LM317 的 输入端和输出端一般要 2 5V 的压降 计算的输出的最高电压 值可按照下式估算 5 22 UVom U 为变压器的输出电压 整流后电压最高达到 1 414U 当 接上负载时 这个电压会下降 因此稳压电路输出的最高电压 勉强能达到公式的计算值 如果要确保输出电压稳定 当 U 12V 时 建议输出电压不要高于 U 当 U 12V 时 建议输 出电压最高不要大于 U 2 5 V LM317 工作时根据输出的电压和电流 会出现很大的热损 耗 要加上足够的散热器 而且变压器也不用买图中那么大 28V 一般 12V 1 5A 的变压器 就够用了 这样电路能输出 1 25 10V 1 5A 这是一个实用的电路 希望同学们能自己动手去制作一下 并自己想办法改进它 网上资料 很多 百度一下 LM317 有很多资料 低压差的线性稳压技术低压差的线性稳压技术 随着电池供电设备在过去十年间的快速增长像 原来的业介标准的 LM340 或 LM317 这样的稳压器 件已经不能满足需要 由于这些稳压器使用 NPN 达林顿管 图 1 因此在本文中称其为 NPN 稳 压器 预期的更高性能已经由新型的低压差 Low dropout 稳压器 LDO 和准 LDO 稳压器 quasi LDO 实现了 NPN 稳压器 在 NPN 稳压器的内 部使用一个 PNP 管来驱动 NPN 达林顿 因此器件的输入输出之间会有 1 5V 到 2 5V 的压差 这个 压差 dropout voltage 为 Vdrop 2VBE VSAT NPN 稳压器 LDOLDO 稳压器稳压器 在 LDO 稳压器中 导通管是一个 PNP 管 图 2 LDO 的最大优势就是 PNP 管只会带来很 小的导通压降 Vdrop Vsat LDO 稳压器 满载的跌落压降一般小于 500mV 轻载时的压降只有 10 到 20mV 准准 LDOLDO 稳压器稳压器 这种稳压器在一些应用中被广泛的采用 例如 5V 变 3 3V 图 3 准 LDO 因为它介于 NPN 稳压器和 LDO 之间因此得名 它的导通管是由单个 PNP 管来驱动单个 NPN 管 因此 它的 跌落压降介于 NPN 稳压器和 LDO 之间 Vdrop Vbe Vsat 稳压器工作原理稳压器工作原理 所有这些类型的稳压器将输出电源稳 定都利用了相同的技术 图 4 输出电压通过反馈到误差放大器输入 端的分压电阻采样 误差放大器的正端连 接到一个参考电压 这个参考电压是由内 部的带隙参考源产生的 误差放大器总是 试图迫使其两端输入相等 为此 它提供 负载电流以保证输出电压稳定 Vout Vref 1 R1 R2 性能比较性能比较 NPN LDO 和准 LDO 在参数上的最 大不同就是 跌落电压 dropout voltage 和地脚电流 ground pin current 为了 便于分析 我们定义地脚电流为 Ignd 如图 4 表示 并忽略了 IC 漏到地上的偏执电流 可以很 清楚的知道 Ignd 等于负载电流 IL 除以导通管的增益 在 NPN 稳压器中由于达林顿管的增益很 高 所以它只需很小的电流来驱动负载电流 因此它的地脚电流也很低 一般只有几个 mA 准 LDO 也有较好的性能 就像国半的 LM1085 可以输出 3A 的电路却只有 10mA 的地电流 LDO 的 地脚电流一般会较高 在满载时 PNP 管的 值一般也就 15 20 也就是说 LDO 的地脚电流一般 为负载电流的 7 NPN 稳压器的最大好处就是无条件的稳定 不需外部电容 LDO 在输出端 最少需要一个外部电容以减少回路带宽 loop bandwidth 及提供一些正相位转移 positive phase shift 准 LDO 一般也需要一些输出容性 但是要小于 LDO 并且电容的特性局限也要少些 浅看开关电源浅看开关电源 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止 将直流电转化为高频率的交流 电提供给变压器进行变压 从而产生所需要的一组或多组电压 转华为高频交流电的原因是高频 交流在变压器变压电路中的效率要比 50Hz 高很多 所以开关变压器可以做的很小 而且工作时不 是很热 这样减小了体积和质量 甚至降低成本 如果不将 50Hz 变为高频那开关电源就没有意 义 开关变压器也不神秘 就是一个普通的变压器 这就是开关电源 开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种 隔离型的必定有开关变压器 而非隔离的未必一定有 简单地说 开关电源的工作原理是 1 交流电源输入经整流滤波成直流 2 通过高频 PWM 脉冲宽度调制 信号