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淺析直流穩壓電源電路的構成

來源:未知 瀏覽次數: 日期:2019-04-17 12:47
 穩壓電源(stabilized voltage supply)是能為負載提供穩定的交流電或直流電的電子裝置,包括交流穩壓電源和直流穩壓電源兩大類。
 
  當電網電壓或負載出現瞬間波動時,穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償,使其穩定在±2%以內。
 
  主要功能
 
  穩定電壓
 
  當電網電壓或負載出現瞬間波動時,穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償,使其穩定在±2%以
 
  內。
 
  多功能綜合保護
 
  穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外,還應具有過壓保護(超過輸出電壓的+10%)、欠壓保護(低于輸出電壓的-10%)、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。
 
  尖脈沖抑制
 
  電網有時會出現幅值很高,脈寬很窄的尖脈沖,它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。
 
  隔離傳導性EMI電磁干擾(可選):
 
  數控設備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數校正,自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網對設備的干擾同時也能有效隔離設備對電網的干擾。
 
  防雷
 
  應具有的防雷擊能力。
 
  工作原理
 
  工頻交流電源經過變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩定的直流電。圖中其余部分是起電壓調節,實現穩壓作
 
  用的控制部分。電源接上負載后,通過采樣電路獲得輸出電壓,將此輸出電壓和基準電壓進行比較。如果輸出電壓小于基準電壓,則將誤差值經過放大電路放大后送入調節器的輸入端,通過調節器調節使輸出電壓增加,直到和基準值相等;如果輸出電壓大于基準電壓,則通過調節器使輸出減小。
 
  穩壓器電路由電源電路、電壓檢測控制電路、過電壓保護組成,如圖所示。電源電路由調壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩壓二極管VS、電容器C3、C4和運算放大器集成電路IC(Nl-N3)組成。過電壓保護電路由IC內部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動調壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動機M、滑動觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩壓器的輸大端與市電相接后,在T的W4、W5繞組上產生了感應電壓。該電壓經VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后,為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經Rl-R3分壓、VS穩壓后,分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準電壓;為過電壓保護電路申的K和V3提供工作電源;經R4、RP2、R6分壓后,為Nl和N2的正相輸入端提供檢測電壓;經R7、RPl、R5分壓后,為N3的正相輸入端提供檢測電壓。
 
  Nl-N3將正相輸大端的檢測電壓與反相輸大端的基準電壓進行比較,用產生的誤差電壓去控制自動調壓電路。
 
  當市電電壓正常時,Nl和N2的輸出端電壓為OV,Vl和V2均處于截止狀態,電動機M不工作。
 
  當市電電壓偏低時,Nl和N2輸出低電平,使V2導通,Vl截止,M逆時針旋轉,通過滑壁臂驅動滑動觸頭移動,與T相應的電壓抽頭接觸 (T的Wl、W2繞組共設置了21個電壓抽頭,每一檔的電壓調節范圍為5V),通過T的W2繞組來提升輸出電壓。當輸出交流電壓升至220V時,V2截止,M停轉。當市電電壓偏高時,Nl和N2均輸出高電平,使Vl導通,V2截止,M順時針旋轉,通過滑臂驅動滑動觸頭移動,與T相應的電壓抽頭接觸,通過T的Wl繞組來降低輸出電壓。當輸出交流電壓降至220V時,Vl截止,M停轉。當市電電壓偏高超過260V時,N3因正相輸入端電壓高于反相輸入端電壓而輸出低電平,使V3截止,,K釋放,其常閉觸頭接通交流電壓的輸出回路。當市電電壓為160-260V時,N3因正相輸入端電壓低于反相輸入端電壓而輸出高電平,使V3導通,K吸合,其常閉觸頭斷開,從而保證負載(用電器)不會因過電壓而損壞。 [3]
 
  選購
 
  元器件選擇
 
  R8和R9均選用lW金屬膜電阻器,其余各電阻器選用1/4W或l/2W金屬膜電阻器。
 
  RPl和RP2均選用精密可變電阻器。
 
  Cl-C4均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。
 
  VDl-VD4均選用lN5404型硅整流二極管。
 
  VS選用1/2W、6V的硅穩壓二極管,例如lN5233A或lN5995B等型號。
 
  Vl選用DSl5或2SC2073型硅NPN晶體管;V2選用CSl5或2SA940型硅PNP晶體管;V3選用S805O或C8050型硅NPN晶體管。
 
  IC選用LM324型運算放大集成電路。
 
  M選用l2V直流電動機。
 
  K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器,使用時將其兩組常閉觸頭并聯,以增大電流負荷。
 
  穩壓電源一般由變壓器、整流器和穩壓器三大部分組成,如圖5一21所示。變壓器把市電交流電壓變為所需要的低壓交流電。整流器把交流電變為直流電。經濾波后,穩壓器再把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。

  一、穩壓電源的技術指標及對穩壓電源的要求

  穩壓電源的技術指標可以分為兩大類:一類是特性指標,如輸出電壓、輸出電濾及電壓調節范圍;另一類是質量指標,反映一個穩壓電源的優劣,包括穩定度、等效內阻(輸出電阻)、紋波電壓及溫度系數等。對穩壓電源的性能,主要有以下四個萬面的要求

  1.穩定性好

  當輸入電壓Usr (整流、濾波的輸出電壓)在規定范圍內變動時,輸出電壓Usc 的變化應該很小一般要求 。

  由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度,稱為穩定度指標,常用穩壓系數S 來表示:S的大小,反映一個穩壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下,S越小,輸出電壓的變化越小,電源的穩定度越高。通常S約為 。

  2.輸出電阻小

  負載變化時(從空載到滿載),輸出電壓Usc ,應基本保持不變。穩壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。

  輸出電阻(又叫等效內阻)用rn 表示,它等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比。

  rn 反映負載變動時,輸出電壓維持恒定的能力,rn 越小,則Ifz變化時輸出電壓的變化也越小。性能優良的穩壓電源,輸出電阻可小到1歐,甚至0.01歐。

  3.電壓溫度系數小

  當環境溫度變化時,會引起輸出電壓的漂移。良好的穩壓電源,應在環境溫度變化時,有效地抑制輸出電壓的漂移,保持輸出電壓穩定,輸出電壓的漂移用溫度系數KT來表示。

  4.輸出電壓紋波小

  所謂紋波電壓,是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量,通常用有效值或峰值表示。經過穩壓作用,可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低,降低的倍數反比于穩壓系數S 。

  上節介紹的串聯型穩壓電路,用做一種簡單的穩壓電源,可以滿足一般無線電愛好者的需要。但是,這種電源還有許多“天生的”缺陷,要提高對性能的要求,就必須再做一些改進。從以下四個右面對它的性能加以改善,便可做成一臺有實用價值的穩壓電源了。這就是:增加放大環節,提高穩定性,使輸出電壓可調;用復合管做調整管,使輸出電流增大;增加保護電路,使電源工作安全可靠。

  二、帶有放大環節的穩壓電源

  輸出電壓的變化量△Usc 是很微弱的,它對調整管的控制作用也很弱,因此穩壓效果不夠好,帶有放大環節的穩壓電源,就是在電路中增加一個直流放大器,把微弱的輸出電壓變化量先加以放大,再去控制調整管,從而提高對調整管的控制作用,使穩壓電源的穩定性能得到改善。圖5-22 是帶有放大環節的穩壓電源電路。

  圖中,BG1 是調整管,BG2 是比較放大管。輸出電田變化量△Usc 的一部分與基準電壓Uw 比較,并經BG2 放大后進到了BG1 的基極。Rc 是BG2 的集電極電阻,又是BG1 的上偏置電阻。R1、R2是BG2 的上、下偏置電阻,組成分壓電路,把ΔUsc 的一部分作為輸出電壓的取樣,送給BG2 的基極,因此又叫取樣電路 R2 上的電壓Ub2:叫取樣電壓。DW和R3組,成穩壓電路,提供基準電壓。

  從電路路中可以看出,當輸出電壓Usc 下降的時候,通過R1 、R2組成的分壓電路的作用,BG2 的基極電位Ub2也下降了。由于基準電壓UW 使BG2 的發射極電位保持不變,Ubc2 :=Ub2,一UW隨之減小。于是BG2 集電極電流Ic:減小,Uc2增高,即BG1 的基極電位Ub1增高,使Icl增加,管壓降Uce1減小,從而導致輸出電壓Usc 保持基本穩定。BG2 的放大倍數越大,調整作用就越強,輸出電壓就越穩定。

  如果輸出電壓Usc 增高時,同樣道理,又會通過反饋作用使Usc 減小,保持輸出電壓基本不變。

  下面談談各元件的選取原則。前面已經提到,Rc是放大級的負載電阻,又相當于調整管的偏置電阻。Rc大,放大倍數大,有利于提高穩壓器指標,但Rc過大會使BG2 和調整管電流太小,限制了負載電流和調整范圍。通常Rc根據下列公式選取:

  Usrmin 為整流輸出的最小電壓。Ic2可取1~3毫安。穩壓管DW的穩定電壓Uw,選擇范圍比較寬,只要不使BG2 飽和(即Uw比Usc 低2伏以下)均可。Uw取得大,取樣電壓可大些,有利于提高穩壓性能。限流電阻R3通過的電流I3,應該等于DW的穩定電流,那應滿足下述關系:

  輸入電壓Usr 應大于輸出電壓Usc 3~8伏。Usr 過小,調整管容易飽和而起不到調整作用;Usr 過大,則增加管子耗損,并浪費功率。整流紋波小的,Usr 可取低些;紋波大的,Usr 應取高些。調整管BG1 的β值要盡量大,為此可以使用復倉管。調整管的功耗也要足夠大,應滿足下式要求:Usrmax 為電網電壓最高時的整流輸出電壓。

  放大管BG2 也要選用β值大的管子,以增強對調整管的控制作用,使輸出的更穩定。在Usc 較大的穩壓電路中,還應注意BG2 所能承受的反向電壓,應選取的晶體管。

  分壓電阻(R1+R2)要適當小些,以提高電路性能。通常取流過分壓電阻的電流大于放大管基極電流的5-10倍。分壓比決定于輸出電壓Usc 和參考電壓Uw,由下式決定:一般可先選定R1 或R2,再通過計算調整另外一只電阻器,分壓比要選得大些,一般選0.5~0.8。

  三、輸出電壓可調的穩壓電源

  從上面電路可以看到,輸出電壓與基準電壓之間的關系,是由分壓電路來“調配”的。在基準電壓一定的情況下,改變分壓比,就可以在一定范圍里改變輸出電壓。在R1與R2之間加接一個電位器W(見圖5- 23),便可以實現輸出電壓在一定范圍內連續可調。

  四、用復合管做調整管的穩壓電源 在穩壓電源中,負載電流Ifz要流過調整管,輸出大電流的電源必須使用大功率的調整管,這就要求有足夠大的電流供給調整管的基極,而比較放大電路供不出所需要的大電流,另一方面,調整管需要有較高的電流放大倍數,才能有效地提高穩壓性能,但是大功率管一般電流放大倍數都不高。解決這些矛盾的辦法,是給原有的調整管再配上一個或幾個“助手”,組成復合管。用復合管做調整管的穩壓電源電路如圖5一24所示。

  用復合管做調整管時,BG2 的反向電流Iceo2將被放大,尤其是采用大功率鍺管時,反向截止電流Icbo比較大,并隨溫度增高按指數增加,很容易造成高溫空載時穩壓電源的失控,使輸出電壓Usc 增大。誤差信號ΔUsc 經放大加到BG2 的級基極來減少Ic人,可能迫使BG2 截止。為了使調整管在不同溫度下都工作在放大區,常在BG1 的基極加電阻(R7)接到電源的正極(如圖5一24)或負極。在溫度或負載變化不大或全用硅管時,可不加這個電阻。

  R7的數值,可近似由下式決定:

  五、帶有保護電路的穩壓電源。

  在穩壓電路中,要采取短路保護措施,才能保證安全可靠地工作。普通保險絲熔斷較慢,用加保險絲的辦法達不到保護作用,而必須加裝保護電路。

  保護電路的作用是保護碉整管在電路短路、電流增大時不被燒毀。其基本方法是,當輸出電流超過某一致值時,使調整管處于反向偏置狀態,從而截止,自動切斷電路電流。 保護電路的形式很多。圖2-25是二極管保護電路,由二極管D和檢圖2-25二極管保護電路測電阻R0組成。正常工作時,雖然二極管兩端的電壓上低下場,但二極管仍處于反向截止狀態。負載電流增大到一定數值時,電阻RO上的壓陷ROIe加大,使二極管導通。由于UD=Ube1+ROIe,而二極管的導通電壓UD是一定的,則Ube1被迫減小,從而使Ie限制到一定值,達到保護調整管的目的。在使用時,二極管要選用UD值大的。

  圖2-26是三極管保護電路。由三極管BG2和分壓電阻R4、R5組成。電路正常工作時,通過R4與R5的壓作用,使得BG2的基極電位比發射極電位高,發射結承受反向電壓。于是BG2處于截止狀態(相當于開路),對穩壓電路沒有影響。當電路短路時,輸出電壓為零,BG2的發射極相當于接地,則BG2處于飽和導通狀態(相當于短路),從而使調整管BG1基極和發射極近于短路,而處于截止狀態,切斷電路電流,從而達到保護目的。

 



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