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直流稳定电源 2013年8月 1 电源中的 稳定 指什么 电路中的电压或电流的变化小到可以允许的程度 并不是绝对不变 总是存在交流纹波 2 电源输出不稳的主要原因 1 电网输入电压波动变化2 负载的变化3 电源工作条件的变化4 元器件受温度 湿度等环境影响而改变 3 稳定电源组成 小功率稳定电源由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳定电路四个部分组成 4 电源变压器 电源变压器的效率 一般小型电源变压器的效率 5 整流和滤波电路 整流 交流电整流成脉动的直流电滤波 脉动的直流电滤波为平滑的直流电u4 1 1 1 2 u2二极管承受反向电压 流过二极管平均电流 滤波电容 6 一 稳压电源技术参数1 稳压系数a 绝对稳压系数当负载不变时 稳压电源输出电压变化量与输入电压变化量之比 即 稳定电源 稳压 7 b 相对稳压系数当负载不变时 稳压电源输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比 即 一般情况下 稳压系数是指相对稳压系数 8 2 电网调整率 表示输入电网电压额定值变化10 时 稳压电源输出电压的相对变化量 3 电压稳定度 较少使用 负载电流保持为额定范围内的任何值 输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化 一般用百分比表示 9 4 负载调整率 在额定的电网电压下 负载电流从零变到最大时 输出电压的最大相对变化量 常用百分比表示 10 5 输出电阻 也称内阻 在额定电网电压下 由于负载电流变化引起输出电压变化 则输出电阻为 11 6 最大纹波电压 在额定输出电压和负载电流下 输出电压的纹波 包括噪声 的绝对值大小 通常以峰峰值或有效值表示 12 7 纹波系数 在额定负载电流下 输出纹波电压 包括噪声 的有效值与直流输出电压之比 即 13 二 温度漂移和温度系数 环境温度的变化影响元器件的参数变化 从而引起稳压器输出电压变化 称为温度漂移 常用温度系数表示 绝对温度系数V 或mV 相对温度系数 14 稳压电源的分类 以稳压器的调整元件与负载的联接方式来分类 并联稳压器和串联稳压器 以调整元件的工作状态来分类 线性稳压器和开关稳压器 15 串联反馈式稳压电源 稳压电源结构组成 16 1 稳压思路 利用三极管代替可变电阻 串联型稳压电路 调整管与负载串联 一 电路的基本形式 17 2 稳压原理 调整管之所以能够起调整电压的作用 关键在于用输出电压的变化量返回去控制调整管的基极电流 1 当RL不变 UI变化时的稳压过程 Ui U0 Ube Ib Ic Uce U0 2 当ui不变 而RL变化 即IL变化 U0 18 T1 调整管 相当于可变电阻R 起调压作用 DZ R3 组成稳压电路 用来提高基准电压UZ T2 起比较和放大信号的作用 RC是它的集电极负载 从T2取出的放大信号加到T1的基极 R1 R2 组成分压电路 取 U0的一部分 加到T2的基极 称为取样电路 n称为分压比 二 带有放大环节的稳压电路 1 电路的组成 19 T2的放大倍数愈大 调整作用就愈强 输出电压就愈稳定 2 稳压过程 20 1 稳压的过程 实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程 2 选用动态电阻小的稳压二极管做基准电压 以提高UZ的稳定性 3 增大调整管和放大级的电流放大系数 1 2 在要求高的稳压电源中 调整管可采用复合管 放大级可采用多级放大器 但因为当U0给定后 就应该选择较高的基准电压UZ 但稳定电压较高的稳压管 其温度系数比较大 为了克服这个缺点 可对稳压管加温度补偿 4 分压比n 要选得大一些 保证取样信号大一些 3 讨论 21 5 减小分压电阻R1 R2 使I1 IB2 这样 当IB2变化时取样比n才能基本不变 但R1 R2不能过小 过小的分压电路 将浪费过多的电流 通常选择I1 5 10 IB2 22 流过稳压管的电流随U0而波动 使UZ不稳定 从而降低了稳压精度 T2的发射极电流也会影响UZ 当温度变化时 由T2组成的放大环节将产生零点漂移 使U0稳定度变差 当负载电流变化较大时 相应地要求调整管的基极电流也有较大的变化范围 这部分电流要由放大管的集电极来提供 一般三极管不易达到这样的要求 输出电压固定 不能调节 4 电路的不足 23 显然 调节Rw 可改变取样比 从而使输出电压U0得到调整 或 三 提高稳压电源性能的措施 1 改变取样比以调节输出电压的范围 24 例如 I0 1A T1的 30 则IB1 Ie 1A 30 33mA 而T2的IC2约为1 2mA 因此 不能对T1进行有效控制 这就得采用复合管 设 1 30 2 50 则 1 2 1500这时调整管的基极电流只需 2 调整管采用复合管 25 1 若两只管子组成的复合管还不能满足要求 可用三只或四只管子组成复合管 但此时会产生穿透电流过大的问题 2 T1通常选用大功率管 为了充分利用管子 一般都加有散热片 3 在一个大功率管不能负担输出电流时 可采用两管或多管并联运用 两只电阻起平衡作用 复合管说明 26 1 比较放大级采用差动放大器或集成运放2 调整管采用复合三极管3 比较放大部分的电源采用辅助电源4 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益5 内部加短路和过热保护电路 集成化 集成稳压电源 4 其它措施 27 线性集成直流稳压电源 集成稳压电源基本结构 28 78XX 79XX系列三端固定集成稳压器 CW7800系列 正电源 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 型号命名 输出电流 78L 79L 输出电流100mA 输出电压 78M 79M 输出电流500mA 78H 79H 输出电流1 5A 78 79 输出电流1A 29 三端固定集成稳压器的内部结构 30 CW7805 123 UI UO GND UI UO GND 符号 塑料封装 金属封装 封装 31 1端 输入端2端 公共端3端 输出端 1 W7800系列稳压器 注意 输入与输出端之间的电压不得低于3V 集成稳压电路的应用 32 2 W7900系列稳压器 33 U1 220VU2 8V UC1 1 2U2 9 6VUo 5V 3 实际应用接线图 34 输出正 负电压的电路 24V 24V 220V W7815 W7915 1 3 2 3 2 1 1000 F 220 F 0 33 F 0 33 F 0 1 F 1000 F 0 1 F 220 F 35 输出电压 317系列三端可调式集成稳压器 36 LM117 217 317内部结构 内部结构 外形引脚 50 A 37 三端可调输出集成稳压器型号命名 LM117 217 317系列 正电源 LM137 237 337系列 负电源 工作温度 LM117 137 55 150 C LM217 237 25 150 C LM317 337 0 125 C 38 基准电压 1 25V 输出电流 L型 输出电流100mA M型 输出电流500mA 39 基本应用电路 V1防止输入端短路时C4反向放电损坏稳压器 V2防止输出端短路时C2通过调整端放电损坏稳压器 120 2 2k 40 R1 UREF IQ 125 静态电流IQ 约10mA 从输出端流出 RL开路时流过R1 R2 0 2 2k 时 UO 1 25 24V 41 0 30V连续可调电路 UA 1 25V 当R2 0时 UO 0V 42 可调式稳压器应用举例 43 直流数控可调稳压电源 直流程控电压源 图1直流程控电压源结构框 44 45 1 2 UI 10V W7805 3 UO R RL IQ IO 0 1 F 0 33 F 10 恒流源电路 46 可调输出集成稳压器恒流源电路 2 3 UI LM317 1 R RL IADJ IO 0 1 F R从120到0 8欧 其输出电流IO为10mA到1 5A 1 25V 50uA 47 程控电流源结构框图 48 程控恒流源实例1 49 程控恒流源实例2 TLC5651串行数模转换器 RL为负载 R2为取样电阻 50 稳压电源的设计 根据稳压电源的输出电压Uo 最大输出电流Iomax 确定电路形式 根据稳压器的输入电压 确定电源变压器副边电压u2 根据稳压电源的最大输出电流I0max 确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2 查出变压器的效率 选择电源变压器 根据整流二极管的正向平均电流ID 整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值 选择整流二极管和滤波电容 51 设计举例 设计一个直流稳压电源 性能指标要求为 纹波电压的有效值 稳压系数 52 稳压电源的电路形式 集成稳压器选用CW317 取C1 0 01 F C2 10 F C0 1 F R1 240 53 可变电位器的选取 R1和RW组成输出电压调节电路 输出电压 R1取240欧姆 则 Rwmin 210欧姆 Rwmax 930欧姆 故Rw取2K精密线绕电位器 电源变压器的选取 确定稳压电源输入电压 CW317的输入电压与输出电压差的最小值为3V 最大值为40V 故CW317输入电压范围 这里u2选取12V I2 0 8A 取1A 副边功率P2 12W 54 电源变压器选取 查表变压器效率 则原边功率 取20W 二极管和滤波电容的选取 由于 二极管反向击穿电压取50V 电流取1A 故选用1N4001型号 55 根据稳压系数和纹波电压 确定滤波电容 滤波电容耐压 故滤波电容选取 容量为4700uF 耐压25V 56 TL431可调式精密并联稳压基准电压源 TL431是美国德州仪器公司 Texaslnstruments 简称T1 生产的2 5 36V可调式精密并联稳压器 它属于一种具有电流输出能力的可调基准电压源 其性能优良 价格低廉 可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中 此外 TL431还能构成电压比较器 电源电压监视器 延时电路 精密恒流源等 目前在单片精密开关电源中 常用它构成外部误差放大器 再与光电耦合器一起组成隔离式反馈电路 57 58 TL431的内部结构 59 60 TL431性能与特点 61 5 输出噪声