第二节　连续调整型稳压电路构成与工作原理

一、连续调整型稳压电路构成

如图1-7所示。

图1-7　连续调整型稳压电路构成

1.降压电路

我国市电供电为220V,电子产品中需要多种电压(多为直流),可利用变压电路将220V交流市电转换为所需要电压,变压电路主要有升压电路和降压电路两类。

(1)变压器变压电路　常用的降压元件是变压器,将220V变压为低压时称为降压变压器,广泛应用于各种电子线路中,将220V变压为高压时,称为升压变压器,无论是降压变压器还是升压变压器,均是利用磁感应原理完成升降压的,详见变压器相关介绍。

(2)阻容降压电路　在一些小功率电路中,常用阻容降压电路(电阻与电容并联)。适当选择元件参数,可以得到所需要的电压,其原理是用RC电路限流降压的,R不允许开路,因电阻限制电流,只适用于小功率电路。

2.整流电路

电子电路应用的多为直流电源,整流电路就是将交流电变成直流电的电路。

(1)半波整流电路　半波整流电路如图1-8所示,由变压器T、二极管VD、滤波电容C、电阻RL构成。

图1-8　半波整流电路

变压器T的作用是将市电进行转换,得到用电器所需电压。若市电电源电压与用电器的要求相符,就可以省掉变压器,既降低成本又简化了电路。

工作过程:当变压器次级电压U₂为正半周时,A为正,VD导通,负载RL有电流通过,当变压器次级电压U₂为负半周时,A为负,D截止,RL中就没有电流通过,则负载中只有正半周时才有电流。这个电流的方向不变,但大小仍随交流电压波形变化,叫做脉动电流。

(2)全波整流电路　全波整流电路有“半桥式整流电路”和“全桥式整流电路”两种。

① 半桥式整流电路。图1-9是半桥式整流电路,电路变压器次级线圈两组匝数相等。在交流电正半周时,A点的电位高于 B,而B点的电位又高于C,则二极管VD1反偏截止,而VD2导通,电流由B点出发,自下而上地通过负载RL,再经VD2,由C点流回次级线圈。在交流电负半周时,C点的电位高于B,而B点的电位又高于A,故二极管VD1导通,而VD2截止。电流仍由B点的自下而上地通过RL, 但经过VD1回到次级的另一组线圈。这个电路中,交流电的正、负半周,都有电流自下而上地通过,则叫做全波整流电路。此种电路的优点是市电利用率高,缺点是变压器利用率低。

图1-9　半桥式整流电路

② 全桥式整流电路。如图1-10所示在交流电正半周时,A点的电位高于B点,则二极管VD1、VD3导通,而二极管VD2、VD4截止,电流由A点经VD1,自上而下地流过负载RL,再通过VD2回到变压器次级;在交流电负半周时,B点的电位高于A,二极管VD2、VD4导通,而VD1、VD3截止,那么电流由B点经VD2,仍然由上而下地流过负载RL,再经VD4到A。可见,桥式整流电路中,无论交流电的正、负半周,都有单方向的直流电流输出,而且输出的直流电压也比半波整流电路高。

图1-10　全桥式整流电路

全波整流电路在交流电的正、负半周都有直流输出,整流效率比半波整流提高一倍,输出电压的波动更小。

3.滤波电路

整流电路虽然可将交流电变为直流电,但是这种直流电有着很大的脉动成分,不能满足电子电路的需要。因此,在整流电路后面必须再加上滤波电路,减小脉动电压的脉动成分,提高平滑程度。

(1)无源滤波　常用的无源滤波主要有电容滤波、电感滤波及LC组合滤波电路,下面主要介绍LC组合电路。

LC滤波电路的基本形式如图1-11所示。它在电容滤波的基础上,加上了电感线圈L或电阻R,以进一步加强滤波作用。因这个电路的样子很像希腊字母“Л”,则称为“π型滤波器”。

图1-11　LC滤波电路的基本形式

电路中电感的作用可以这样解释:当电感中通过变化的电流时,电感两端便产生反电动势　来阻碍电流的变化。当流过电感的电流增大时,反电动势会阻碍电流的增大,并且将一部分电能转变为磁能存储在线圈里;当流过电感线圈的电流减小时,反电动势又会阻碍电流的减小并释放出电感中所存储的能量,从而大幅度地减小了输出电流的变化,达到了滤波的目的。将两个电容、一个电感线圈结合起来,便构成了丌型滤波器,能得到很好的滤波效果。

在负载电流不大的电路中,可以将体积笨重的电感L换成电阻R,即构成了丌型RC滤波器。

(2)有源滤波　有源滤波电路又称电子滤波器,在滤波电路中使用了有源器件晶体管。有源滤波电路如图1-12所示。在有源滤波电路中,接在三极管基极的滤波电容容量为C,因三极管的放大作用,相当于在发射极接了一只大电容。

图1-12　有源滤波电路

电路原理:电路中首先用RC滤波电路,使三极管基极纹波相当小,因I_B很小,则R可以取较大,C相对来讲可取得较小,又因三极管发射极电压总是低于基极,则发射极输出纹波更小,从而达到滤波作用,适当加大三极管功率,则负载可得到较大电流。

4.稳压电源

整流滤波后得到直流电压,若交流电网的供电电压有波动,则整流滤波后的直流电压也相应变动;而有些电路中整流负载是变化的,则对直流输出电压有影响;电路工作环境温度的变化也会引起输出电压的变化。

因电路中需要稳定的直流供电,整流滤波电路后设有“稳压电路”,常用的稳压电路有:稳压二极管稳压电路、晶体管稳压电路和集成块稳压电路。

(1)稳压二极管稳压电路　如图1-13所示,电路由电阻R和稳压二极管DW组成,图中R为限流电阻,RL为负载,U_o为整流滤波电路输出的直流电压。

图1-13　稳压二极管稳压电路

工作过程:稳压二极管的特点是电流在规定范围内反向击穿时并不损坏,虽然反向电流有很大的变化,反向电压的变化却很小。电路就是利用它的这个特性来稳压的。假设因电网电压的变化使整流输出电压U增高,这时加在稳压二极管DW上的电压也会有微小的升高,但这会引起稳压管中电流的急剧上升。这个电流经过限流电阻R,使它两端的电压也急剧增大,从而可使加在稳压管(即负载)两端的电压回到原来的U_o值。而在电网电压下降时,U_i的下降使U_o有所降低,而稳压管中电流会随之急剧减小,使R两端的电压减小,则U_o上升到原值。

(2)晶体管稳压电路　晶体管稳压电路有串联型和并联型两种,稳压精度高,输出电压可在一定范围内调节。晶体管稳压电路如图1-14所示,VT1为调整管(与负载串联),VT2为比较放大管。电阻R与稳压管DW构成基准电路,提供基准电压。电阻R1、R2构成输出电压取样电路。电阻R3既是VT1的偏置电阻又是VT2的集电极电阻。

图1-14　晶体管稳压电路

稳压工作过程:当负载RL的大小不变时,若电网电压的波动使输入电压增大,则会引起输出电压U。变大。通过R1、R2的分压,会使VT2管的基极电压也随之升高。因VT2管的发射极接有稳压二极管,所以电压保持不变,则这时VT2的基极电流会随着输出电压的升高而增大,引起VT2的集电极电流增大。VT2的集电极电流使R3上电流增大,R3上的电压降也变大,导致VT1的基极电压下降。VT1管的导通能力减弱,VT1的基极电压增加,使集电极发射极间电阻增大,压降增大,输出电压降低到原值。同理,当输入电压下降时,引起输出电压下降,而稳压电路能使VT1的集电极、发射极间电阻减小,压降变小,使输出电压上升,保证输出电压稳定不变。

调压原理:当电位器W的中间端上移时,使VT2 的基极电压上升,它的基极和集电极电流增大,使R3两端的电压降增大,引起调整管VT1的基极电压下降,使输出电压也随之下降。同理,当电位器W的中间端向下滑动时,能使输出电压上升。调整后的输出电压,仍受电路稳压作用的控制,不受电网波动或负载变化的影响。

(3)带有保护功能的稳压电路　

在串联型稳压电路中,负载与调整管串联,当输出过载或负载短路时,输入电压全部加在调整管上,这时流过调整管的电流很大,使得调整管过载而损坏。即使在电路中接入熔丝作为短路保护,因它的熔断时间较长,仍不能对晶体管起到良好的保护作用。因此,必须在电源中设有快速动作的过载保护电路。如图1-15所示。三极管VT3和电阻R构成限流保护电路。因电阻R的取值比较小,因此,当负载电流在正常范围时,它两端压降小于0.5V,VT3处于截止状态,稳压电路正常工作。当负载电流超过限定值时,R两端电压降超过0.5V,VT3导通,其集电极电流流过负载电阻R1,使R1上的压降增大,导致VT1基极电压下降,内阻变大,控制VT1集电极电流不超过允许值。

图1-15　带有保护功能的稳压电路

二、实际连续型调整型稳压电路分析与检修

1.电路分析

BX1、BX2为熔丝B电源变压器,VD1—VD4为整流二极管,C1、C2为保护电容,C3、C4为滤波电容,R1、R2、C5、C6为RC供电滤波电路,R3为稳定电阻,C8为加速电容,DW为稳压二极管R4、R5、R6为分压取样电路,C7为输出滤波电容,Q1为调整管,Q2为推动管;Q3为误差放大管,电路如图1-16所示。电路分析可扫二维码学习。

图1-16　实际稳压电路

2.电路工作原理

(1)自动稳压原理　当某原因+V↑→R5中点电压↑→Q3U_b↑→U_be↑→I_b↑→I_c↑→U_r1.2↑→U_c↓→QZU_b↓→I_b↓→R_ce↑→U_e1↓→Q1U_b↓→U_be↓→I_b↓→I_c↓→R_ce↑→U_e↓→+V↓原值。

(2)手动调压原理　此电路在设计时,只要手动调整R5中心位置,即可改变输出电压V高低,如当R5中点上移时,使Q3U_b电压上升,根据自动稳压过程可知+V下降,如当R5中点下移时,则+V会上升。

3.电路故障检修

此电路常出现故障主要有:无输出、输出电压高、输出电压低、纹波大等。

无输出或输出不正常的检修过程,如图1-17所示。

图1-17　无输出或输出不正常的检修过程

除利用上述方法检修外,在检修稳压部分时(输出电压不正常),还可以利用电压跟踪法由后级向前级检修,同时调R5中点位置,哪级电压无变化,则故障应在哪级。

如输出电压偏高或偏低,首先测取样管基极电压,调R5电压不变则查取样电路,电压变化则测Q3,集电极电压,调R5电压不变则查Q3电路及R1、R2、C1与C6、DW等元件,如变再查Q2、Q3等各极电压,哪级不变化故障在哪级。

三、集成稳压连续型电源电路分析

集成电路连续型稳压器主要是三端稳压器,有普通三端稳压器78、79系列,低压差稳压器29系列或可调型LM317、LM337系列及高误差放大器TL431系列。

1.普通三端集成稳压器

为了使稳压器能在比较大的电压变化范围内正常工作,在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路,启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。实际电路是由一个电阻网络构成的,在输出电压不同的稳压器中,使用不同的串、并联接法,形成不同的分压比。通过误差放大之后去控制调整管的工作状态,使其输出稳定的电压。图1-18所示为普通三端稳压器基本应用电路。

图1-18　普通三端稳压器基本应用电路

2. 29系列集成稳压器

29系列低压集成稳压器与78/79系列集成稳压器结构相同,但最大优点是输入/输出压差小。

3.可调型集成稳压器

三端可调集成稳压器,分正压输出和负压输出两种,主要种类如区别见表1-1。三端可调型集成稳压器使用起来非常方便,只需外接两个电阻就可以在一定范围内确定输出电压。图1-19(a)是LM317的应用电路,图1-19(b)是正负可调应用电路。

表1-1　可调型集成稳压器的种类及区别

图1-19　可调型集成稳压器基本应用电路

工作原理:以LM317为例,在图1-19中,U_i为直流电压输入端,U_o为稳压输出端,ADJ则是调整端。与78系列固定三端稳压器相比较,LM317把内部误差放大器、偏置电路的恒流源等的公共端改接到了输出端,它没有接地端。LM317内部的1.25V基准电压设在误差放大器的同相输入端与稳压器的调整端之间,由电流源供给50μA的恒定I_ADJ调整电流,此电流从调整端(ADJ)流出。R_SOP是芯片内部设有的过流检测电阻。实际使用时,采用悬浮式工作,即由外接电阻R1、R2来设定输出电压,输出电压可用下式计算,V₀=1.25(1+R₂/R₁)。

使用悬浮式电路是三端可调型集成稳压器工作时的特点。图1-19中,电阻R1接在输出端与调整端之间承受稳压器的输出基准电压1.25V,电阻R2接在调整端至地端。V₀=1.25(1+R₂/R₁)。R1一般取120'Ω或240'Ω。若要连续可调输出,则R2可选用电位器。C1用于防止输入瞬间过电压。C2用于防止输出接容性负载时稳压器的自激。用钽电容1μF或铝电解电容25μF ,接入D1为防止输入端短路时C1放电损坏稳压器。调整端至地端接入C2可明显改善稳压器的纹波抑制比。C1一般取10μF,并接在R1上的D2是为了防止输出短路时C1放电损坏稳压器。

4.高增益并联可调基准稳压器TL431A/B

(1)特性及工作原理　三端并联可调基准稳压器集成电路广泛应用于开关电源的稳压电路中,外形与三极管类似,但其内部结构和三极管却不同。三端并联可调基准稳压器与简单的外电路相组合就可以构成一个稳压电路,其输出电压在2.5~36V之间可调。在开关电源电路中三端并联可调基准稳压器还常用做三端误差信号取样电路。常用的为TL431。

(2)应用电路　典型应用电路如图1-20所示,实际应用电路如图1-21所示。

图1-20　用作并联电源

图1-21　用作误差放大器

① 用作并联电源。图1-20中市电经降压、桥式整流、电容滤波后,输出脉动直流电压通过负载,电流的大小和电压的高低由电位器W所决定,并可根据负载电流变化自动调整。

② 用作误差放大器。在图1-21中,改变W1中点位置可改变电位,改变BG2集电极与发射极间的电阻,改变V₀输出。