模塊三、直流穩壓電源;

一、變壓器(也談談阻容降壓)

1、變壓器是利用電磁感應原理來改變交流電壓的裝置，只要構件是初級線圈和次級線圈。

2、還有鐵芯(磁芯)，常用于升降電壓，安全隔離和阻抗匹配。

原理;U1\n1=U2 \n2→U2=U1n2\n1→U2=U1\n(n=n1\n2)

∴當初級匝數n1〉次級匝數n2時，起降壓作用，若相反，則起升壓作用。

3、阻容降壓;阻容降壓的電路非常適合于低成本取得非隔離的小電流電源。

它的輸出電壓通常可在幾伏到幾十伏，取決于所使用的穩壓管，所能提供的電流大小正比于限流電容容量。電容降壓的工作原理為利用電容在一定交流型號的頻率下產生的容抗來限制最大的工作電流。

例如;在50HZ的頻率條件下，一個1uF的電容所產生的容Xc=1\2πfc=3184Ω。

當220V交流電加在電容器的兩端，則流過的最大電流為70mA。

雖然流過電容的電流有70mA，但在電容上并不產生功耗，根據這個特點，我們如果在一個1uF的電容器上串聯一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性，因此電容降壓是利用容抗限流，而電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器，以及負載兩端電壓的角色。

#電路中，C1為降壓電容，R1為電源斷開時C1的泄放電阻，D1半波整流二極管，VZ在市電的負半周為C1提供放電回路，否則電容C1電充滿就不工作了，DZ為穩壓二極管，C2為濾波電容，輸出電壓Uo等于DZ的穩定電壓值。

#實際應用中，可用下圖代替上圖，這里利用了VZ的正向和反向特性，其反向特性就是穩定特性來穩定電壓，其正向特性來在市電負半周給C1提供放電回路。

在較大電流的應用中，可采用全波整流電路(實際使用常用下圖)

#電容降壓電流的計算公式;

∵Xc=1\2πfc(估算)

半波;Ic≈0.45*220*2πfc

(其中C電容量f=50HZ)

全波;Ic≈0.9*220*2πfc

一般直接用Ic=220\Xc

#阻容降壓注意事項;

①根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容。

②限流電容必須采用無極性電容，絕對不可用電解電容，耐壓大于兩倍電源電壓。

③限流電容必須接于火線，是一種非隔離電源，特別注意隔離，防止觸電。

④當電容確定后，輸出的電流是恒定的，而輸出直流電壓隨負載動態變化。

⑤阻容降壓不適合動態負載條件，不適合容性感性負載，且建議不用橋式整流。

#經驗;IC≈0.62C1,即確定容量后，即可知道負載提供電流就知道。

C≈14.5IC，知道IC，即可計算得到容量C的大小，C單位uF，I單位為A。

二、整流電路;

分析整流電路，所先應弄清楚整流的概念，在弄清楚電路的工作原理。

〈即整流原理〉在此基礎上懂得求主要參數和確定二極管極限參數。

1、半波整流;

#Uo=0.45U2

#Io=Uo\RL=0.45U2\RL=Id

#Udmax=1.414U2

#缺點;脈動成分大，

輸出電壓利用率低。

2、橋式〈全波〉整流電路;

#Uo=0.9U2

#Io=Uo\RL=0.9\RL

#Id=1\2*Io=0.45\RL

#Udmax=1.414U2

#特點;脈動成分小，輸出電壓利用率高(變壓器次級電壓利用率高)。

缺點;二極管數量多，二極管內阻的存在，損耗較大。

#橋式整流電路其他幾種常見畫法;

#橋式整流電路實現正負電源;

三、濾波電路;

利用電容的基本特性(充放電)將脈動直流電轉變為平滑的直流電。

3、電容濾波;

#原理;

①初始時，電容的兩端電壓為0，則在正半周0~B之間，D1,D3導通，電流A→D1→RL,C充電→D3→B。

若理想狀態下，電容兩端的電壓Uc≈U2,如波形圖中ab段，當U2上升到峰值后，開始下降，電容通過負載電阻RL放電，其電壓Uc也開始下降，走勢與U2基本相同。如波形圖bc段，由于電容按指數規律放電，所以當U2下降到一定數值后，Uc的下降速度小于U2的下降速度，使Uc大于U2從而導致D1,D3反向偏置而截止。

此后，電容繼續通過RL放電，Uc繼續按指數規律下降，見波形圖cd段。

②當U2的負半周幅值變化大于Uc時，D2,D4導通，U2在此對電容C充電，Uc上升到U2的峰值后又開始下降，下降到一定數值后，D2,D4截止，C對RL放電，Uc按指數規律下降，放電到一定數值后D1,D3變為導通，重復……

#一般情況下，在負載電阻RL≈∞(較大時)，濾波電容足夠大。

則;Uo≈1.2U2(最大可以達1.414U2)(半波;Uo≈0.9U2)

#實際應用中;濾波電容應滿足;RL*C=(3-5)T\2→(全波)

電容耐壓;〉(1.1~1.2)1.414U2 RL*C=(3~5)T(半波)

其中T半周取0.02S，全波取0.01S。

③整流二極管的導通角。

從濾波電路的工作原理分析可知，在未加濾波電容之前，二極管整個正半周或整個負半周都有二極管處于導通狀態，所以二極管的導通角θ=π，加上電容濾波后，只有與電容充電時二極管才導通，導通角都小于π，且RL，C的值愈大，濾波效果越好，導通角θ越小。

4、電感濾波;

#原理;當整個電路輸出脈動直流電時，負載電流將隨著脈電流增加或減小。

#當負載電流增大時，電感線圈中將產生與電流相反的感應電動勢，力圖阻止電流的增加;而當負載電流減少時，電感線圈中將產生與電流相同的感應電動勢;力圖阻止電流的減少。由于電感具有阻礙電流變化的作用，使負載電流的脈動程度減小了，達到濾波效果。電容濾波適用于要求負載電流較大且經常變化場合，但電感量要求又較大，體積也很大。所以大功率整流電路中才采用。

5、復式濾波;

問一問;#在橋式整流電容濾波電路中，若有一只二極管斷路，輸出電壓平均值是否正常時的一半，為什么?

四、倍壓整流電路;

利用濾波電容的存儲作用，由多個電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器次級輸出電壓。

#原理;

①當U2為正半周時，A⊕BΘ，使得二極管D1導通，D2截止，C1充電，充電電流如實線所示，C1充電電壓的極性為右⊕左Θ，最大值1.414U2。

②當U2為負半周時，AΘB⊕,C1上電壓與變壓器次級電壓相疊加，使得D2導通，D1截止，C2充電，充電電流如圖虛線所示。C2充電電壓的極性為下⊕上Θ，最大值可達2.828U2。

③可見利用C1對電能的存儲作用，是輸出電壓(C2上的電壓)為變壓器次級峰值電壓的2倍，起到倍壓的效果。

④多倍壓整流電流。

五、穩壓電路;

#整流濾波后的電壓已是較為平滑的直流電壓，但是輸出的電壓容易受電網電壓變化的影響。同時也會受負載大小變化的影響，為了獲得穩定性好的直流電壓，必須采取穩壓措施。

1、硅穩壓二極管，并聯型穩壓電路。

①電網電壓↑→UI↑→Uo(Uz) ↑→ID↑→IR↑→UR↑→Uo↓

②RL減小(IL↑)→Uo(Uz) ↓→ID↓→IR↓→Uo↓

#限流電阻R在此電路中起到重要的作用，一般取值為;

Rmin=(UImax-Uz)/(I2+ILmin)

(ILmin=Uz\RLmax)

Rmax=(UImin-Uz)/(I2+Ilmax)

(ILmax=Uz\RLmin)

#缺點;輸出可供電流小，輸出電壓不可調。

2、串聯型穩壓電源;

┏輸出電流小 ┓

解決輸出電流小的問題，電流放大1+β倍。

┗輸出電壓不可調 ┛

即;ILmax=(1+β)(ILmax-ILmin) Uo=Uz-UBE(0.7V)

①原理;

(穩壓)設電網電壓↓

→UI↓→Uo↓→UD2↓→UC2↑→UBi↑→Uo↑

②輸出電壓調節范圍;

∵UB2=UBE2+Uz≈(R'P+R2)\(R1+RP+R2)*Uo

∴Uo=(R1+RP+R2)\(R'P+R2)*(UBE2+Uz)

┏Uomax=(R1+RP+R2)\R2*(UBE2+Uz)

┗Uomin=(R1+RP+R2)\(RP+R2)*(UBE2+Uz)

③單元電路名稱;V1調整管，V2比較放大管，Dz基準電壓電路，RP,R1,R2采樣電路。

Uomax=(R1+RP+R2)\R2*Uz

Uomin=(R1+RP+R2)\(RP+R2)*Uz

比較放大管用運放代替的串穩。

3、直流穩壓電源保護電路;

#原理;V1調整管U2，Ro構成限流型過流保護電路，Ro為采樣電阻，正常工作時，T2b~e間電壓，UBE2=Io*Ro < Uon(開啟電壓)，因而Vz處于截止狀態，與輸出電流大到一定數值時，UBE2=Io≥Uon時，使V2導通。

4、穩壓集成電路，

①78，79系列穩壓集成電路(固定)

78××;05，06，09，12，15，18，24V(+) ┓七種穩壓值

79××;05，06，09，12，15，18，24V (-) ┛

#Uo=Uo'(1+R2\R1)+Iw*R2

Uo'*(R1+R2+RP)\(RP+R2) ≤Uo≤(R1+RP+R2)\R1*Uo'

Uo'電壓等于三端穩壓器標稱穩壓值。

②LM317，337系列集成穩壓電路(可調)1.25~37V

#Uo=(1+R2\R1)*1.25(一般R1取值120~240Ω之間)

#D1,D2為保護電路二極管。

③TL431三端可調分流基準電路。TL431是三端可調分流基準電源外型結構如90××系列三極管，它的輸出電壓用2個電阻就可以任意的設置，從Vref(2.5V)-30V范圍內可調;

參數;輸入電壓最大37V，最大工作電流150mA，基準電壓Uref=2.5V

輸出電壓調節范圍2.5~30V

∵Uref=2.5V

又∵I2=I3+IF

IF≈0

∴Uo=I3*R3+I2*R 2=2.5+I2*R2

④穩壓集成典型應用電路;

78，79系列固定穩壓集成串接應用電路

注;電路中的濾波電容取值不是關鍵，值均可上下浮動，但一定注意(UI>Uo)>3V

對于關鍵位置可以加電阻和發光二極管極性指示。

注;Uo+=1.25*(1+RP1\R4)

Uo-=-1.25*(1+RP2\R5)

所以可根據輸入電壓的大小，適當改變RP1，RP2的標稱電阻值。

5、直流穩壓電源的主要技術指標與測量;

①特性指標;表明穩壓電源工作特征的參數，主要有輸入電壓，輸出電壓，輸出電流，輸出電壓調節。

②質量指標(性能指標);衡量穩壓電源穩定性能狀況的參數。

#穩壓系數Sr=(ΔUo\Uo\ΔUI\UI)\RL=常數(不變)系數越小越好，

Sr≤1(Sr=UI\Uo*ΔUo\ΔUI)

它是表明穩壓電源克服電網電壓變化的能力，

工程上通常把輸入電壓波動±10%做為極限條件。

測量方法;將整流濾波后的直流電壓(輸入電壓)變化±10%。

(例如;20V±10%=18~22V),在用萬用表測量穩壓輸出后的變化范圍并記錄;

(例如;12V，11~12.1V變化)→Sr=ΔUo\Uo\ΔUI\UI=(0.2\12V)\(4\20V)=0.0833

#輸出電阻ro;指UI與環境溫度不變時，RL負載發生變化時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比ro=ΔUo\ΔIo\UI 常數越小，帶載能力越強，它是表明穩壓電源克服負載變化的能力。

測量方法;將輸出電壓在空載狀態下調整至最大(例如Uomax=12V)然后接上負載，負載RL=12Ω變為RL100Ω分別測量RL=12Ω時和RL=100Ω兩種狀態下的輸出電壓和輸出電流并記錄;

(例如;ΔUo=11.5V~11.9V，ΔIo=0.95~0.119A)→ro=ΔUo\ΔIo=0.4V\0.831A=0.481Ω.

#電源效率;輸出中功率與輸入總功率之比稱為電源效率，

η=Po\PI=(Uo*Io\UI*Ii)*100%

RL=常數，UI是指整流，濾波后的直流電壓。

希望值越大越好，效率更高。