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直流稳压电源是一种最常用的电子设备，也是电子爱好者制作最多的项目之一。下面以一款额定输出电压为3V、最大输出电流为600mA的直流稳压电源为例，介绍直流稳压电源电路图的分析方法。 1.整体电路分析 3V直流稳压电源电路图如图10-17所示。直流稳压电源的功能是将交流220V电压转换为稳定的直流电压输出。因此，电路图左侧交流220V端为输入端，右侧+3V端为输出端，电路图走向为从左到右。 图10-17 3V直流稳压电源电路 (1)分解单元电路 稳压电源电路可分解为3个单元，从左到右依次如下。 以整流二极管VD1～VD4为核心的整流滤波单元，包括交流降压电路、整流电路、滤波电路等。 以晶体管VT1～VT4为核心的稳压单元，包括基准电压、取样电路、比较放大器、调整元件、保护电路等。 以发光二极管VD7为核心的指示电路单元。 以上单元电路组成了直流稳压电源的整体电路，图10-18所示为电路方框图。 图10-18 直流稳压电源方框图 (2)电路工作原理 3V直流稳压电源总体工作原理是：交流220V电压经电源变压器T降压、整流二极管VD1～VD4桥式整流、电容器C1滤波后，得到不稳定的直流电压，再经由VT1～VT4组成的稳压电路稳压调整后，输出稳定的3V直流电压，如图10-19所示。当输入电压或负载电流在一定范围内变化时，输出的3V直流电压稳定不变。 图10-19 直流稳压电源工作过程 2.整流滤波单元电路 整流滤波单元电路包括交流降压电路、整流电路和滤波电路。 (1)交流降压电路 稳压电源额定输出电压为3V，因为调整管必须有一定的压降，交流输入电压e选择为6V，由电源变压器T将220V交流电压降压为交流6V。稳压电源最大输出电流为600mA，考虑到一定的损耗，T采用6W的电源变压器。 (2)整流电路 整流电路由VD1～VD4组成桥式整流器。虽然桥式整流器需要用4只整流二极管，但是其整流效率较高，脉动成分较少，变压器二次侧无须中心抽头，因此得到了广泛的应用。 图10-20所示为桥式整流器工作原理示意图，为分析电路方便，将图10-17中整流电路右边的后续电路等效为负载电阻RL。 图10-20 桥式整流器电路工作原理示意图 在交流电e正半周时，二极管VD1和VD4截止，VD2和VD3导通，电流经VD2、RL、VD3形成回路，负载RL上电压为上正下负，如图10-20(a)所示。 在交流电e负半周时，二极管VD2和VD3截止，VD1和VD4导通，电流经VD4、RL、VD1形成回路，负载RL上电压仍为上正下负，如图10-20(b)所示。 (3)滤波电路 桥式整流后在负载RL上得到的是脉动直流电压，其频率为100Hz(交流电源频率的2倍)，峰值为√2e≈8.4V，还必须经过平滑滤波后才能实际应用。 电容滤波器是一种简单实用的平滑滤波器。由于电容器C1的充、放电作用，当电容器容量足够大时，充入的电荷多，放掉的电荷少，最终使整流出来的脉动电压成为直流电压Ui，空载时Ui=√2e≈8.4V，滤波前后波形如图10-21所示。 图10-21 滤波波形 3.稳压单元电路 稳压单元包括基准电压、取样电路、比较放大器、调整元件、保护电路等，图10-22所示为其原理方框图。 图10-22 稳压单元电路方框图 稳压单元是典型的串联型稳压电路，调整元件串接在输入电压Ui(8.4V左右)端与输出电压Uo(3V)端之间。如果输出电压Uo由于某种原因发生变化时，调整元件就作相反的变化来抵消输出电压的变化，从而保持输出电压Uo的稳定。 (1)基准电压 基准电压的作用是提供稳压基准，其稳定性直接关系到整个稳压电源的稳定性。基准电压UVD通常由稳压管电路获得，如图10-23所示，2个硅二极管VD5和VD6串联作为稳压管使用，可提供1.3V的稳定基准电压。R5是限流电阻。 图10-23 基准电压电路 (2)取样电路 取样电路的作用是将输出电压Uo按比例取出一部分，作为控制调整元件的依据。取样电路由R6和R7组成，取样比为 。稳压电源的输出电压Uo由取样比和基准电压UVD决定，Uo=(UVD+0.7V) ，式中，0.7V是晶体管VT4的b-e结间压降。改变取样比或基准电压，即可改变稳压电源的输出电压。 (3)比较放大器 比较放大器的作用是对取样电压与基准电压的差值进行放大，然后去控制调整管的变化。比较放大器是一个由VT3等构成的直流放大器，VT3的发射极接基准电压(1.3V)，基极接取样电压(2V)，集电极电压作为调整管的控制电压，如图10-24所示。 图10-24 比较放大器电路 当由于某种原因使得输出电压Uo变高时(例如变为3.9V)，VT3基极的取样电压也按比例升高为2.6V，由于VT3发射极仍被基准电压稳定在1.3V，因此VT3集电极电流增大、集电极电压下降，使调整管基极电流减小、管压降增大，迫使Uo回落。 当Uo变低时，VT3集电极电压上升，调整管管压降减小，迫使Uo回升，最终使输出电压Uo稳定地保持在3V。 (4)调整元件 调整元件是稳压单元的执行元件，一般由工作于线性放大区的功率晶体管构成，它的基极输入电流受比较放大器输出电压的控制，如图10-25所示。
图10-25 晶体管作调整元件 本电源中调整元件采用了复合管(VT1+VT2)，其中VT1为大功率晶体管。复合管等效于一个晶体管，但其电流放大倍数则是2个晶体管放大倍数之乘积，如图10-26所示。采用复合管的好处是可以极大地提高调整管的电流放大倍数，有利于改善稳压电源的稳压系数和动态内阻等指标。
图10-26 复合管原理 (5)保护电路 为了防止输出端不慎短路或过载而造成调整管损坏，直流稳压电源通常都设计有过电流自动保护电路。晶体管VT4和R2、R3、R4等组成截止式保护电路，工作过程如图10-27所示。
图10-27 截止式保护电路工作过程示意图 正常情况下，输出电流在R4上产生的压降小于R2上的电压(R2与R3分压获得)，使得VT4基极电位低于发射极电位，VT4因反向偏置而截止，保护电路不起作用。 当输出端短路或过载时，输出电流增大，R4上压降也增大，使VT4得到正向偏置而导通。VT4的导通使调整管基极变为反向偏置而截止，从而起到了保护作用。当短路或过载故障排除后，稳压电路自动恢复正常工作。 4.指示电路 发光二极管VD7用作电源指示，R8是其限流电阻。电容器C2的作用是进一步滤除输出直流电压中的交流成分。 |
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