1、项目项目 10 直流稳压电源的设计与装调直流稳压电源的设计与装调 【知识目标【知识目标】（1）掌握直流稳压电源的组成和技术指标。（2）掌握三极管串联调整型稳压电路的原理和特点。（3）掌握三端集成稳压器的选型及应用电路。（4）掌握开关型直流稳压电源的原理、类型及特点。【技能目标【技能目标】（1）能够读懂和绘出几种典型直流稳压电路图（2）会正确使用TL431精密基准稳压器。（3）会正确使用三端集成稳压器，会设计用三端集成稳压器制作的稳压电源。（4）对直流稳压电路常见故障能做出正确判断并进行维修。【学习方法【学习方法】该项目通过对稳压电路几种主要器件进行识别，并现场对三极管串联型稳压电路实物板进行认
2、识和测量，剖析电路的组成及元器件的原理作用，进而掌握稳压电源的组成、工作原理及作用。再使用万用表和其它仪器对器件测试其性能、判别元器件好坏，并对电路各工作点电压进行简单的测试。根据故障现象进行简单维修。【项目实施器材【项目实施器材】1TL431、78系列、79系列三端集成稳压器、17系列、37系列三端集成稳压器。2三极管串联调整型稳压电路实验电路板u1，每两人一块，导线若干。3直流稳压电源、万用表、晶体管毫伏表、示波器各一台。u1是否就是上文所说的“串联型稳压电路实物板”？对图10.1 三极管串联调整型稳压电路图10.2 直流稳压电源的组成2.直流稳压电源的技术指标直流稳压电路的技术指标：一种
3、是特性指标，包括电源允许的输出电流、输出电压，及电压调节范围；另一种是质量指标，包括稳压系数、输出电阻、最大纹波电压及温度系数等。特性指标反映电源容量的大小，质量指标衡量输出电压的稳定程度。1稳压系数在负载电流和环境温度保持的情况下，用输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称电源的稳压系数，用符号表示。稳压系数是衡量稳压电源质量的重要指标，在相同的输入电压变化和负载电流变化的条件下，电路的稳压系数越小，则电路的输出电压波动越小。图10.3 最简单的三极管串联调整型稳压电路2.三极管串联调整型稳压电路的稳压过程三极管串联调整型稳压电路的稳压过程如下：当负载不变、输入电压Ui升高时，会引起
4、输出电压Uo变高。由于稳压二极管两端的电压基本不变，所以b点的电压也基本不变，Ube=Ub-Uo值变小，根据三极管得输出特性，基极电流Ib和集电极电流Ic都要减小，导致Uce变大，于是抵消了Uo的升高，保持输出电压值基本稳定。当负载不变、输入电压Ui降低时，稳压过程与上述相反。当输入电压不变、负载电流变大时，电流在电源内祖上的压降增加，会引起输出电压Uo降低。由于Ub基本不变，则Ube=Ub-Uo值变大，导致Uce跟随着变小，于是抵消了Uo的降低，保持输出电压值基本稳定。当输入电压不变、负载电流变小时，稳压过程与上述相反。在上述稳压过程中，用输出电压的变化量控制基极电流Ib的增加或减小，来自动
5、调节三极管集电极和发射极间电压Uce的大小，维持Uo的稳定。在这里，三极管VT起调整电压的作用，故称为调整管。在电路中，调整管和负载RL是串联关系，所以称此电路为串联调整型稳压电路。这个稳压电路的实质是采用有深度电压负反馈的射极跟随器电路做为输出电路，如图10.4所示。这个电路的优点是带负载的能力很强，电压稳定度高。图10.4 串联调整型稳压电路的射极输出形式a 电路图 b 电路组成框图 如图10.7所示，是由两只三极管组成的复合管，共有四种类型。图10.7 由两只三极管组成的四种类型的复合管当由于电源电压上升引起输出电压上升时，稳压过程由下列式子给出：UiUoUb2Ic2Uc2Ub1Ube1
6、Uce1Uo。其实这个稳压过程的实质，就是电路的负反馈电路在起作用。三极管串联调整型稳压电路的优点是：稳压效果好，带负载能力大，输出电压在一定范围内可调。输出电压由下式决定：一个输入直流电压为UI15V、输出直流稳定电压为812V、最大负载电流为I0max3A的实际电路如图10.8所示 2543540RbURRRRU下图10.8 实用的三极管串联调整型稳压电路1三端固定输出式集成稳压器系列常用的三端固定输出式集成稳压器有输出为正电压的W78u1 系列和输出为负电压的W79系列。如图10.9所示，为W78系列的外形、电路符号及基本接法。W78系列三端稳压块的输出电压有5V、6V、9V、12V、1
7、5V、18V和24V共七种规格，型号的后两位数字表示其输出电压的稳压值。例如，型号为W7805和W7812的集成块，其输出电压分别为5V和12V。同一种规格的三端稳压块，在输出电流的大小上也有所不同，例如标注为7805、78M05和78L05的三端稳压块，其输出稳压值都是5V，但输出电流分别为1.5A、0.5A和0.1A（这个电流值都是指在满足一定散热条件下的最大输出电流值）。W79系列的稳压块其输出电压的规格与W78系列相同，但其管脚功能与W78系列不同。79系列稳压块的1脚是输入端，2脚为接地端，3脚为输出端。79系列稳压块的1脚是接地端，2脚为输入端，3脚为输出端。在使用时要特别引起注意
8、。u1此处的“W78和W7”是否应改为“W78和W7”？也可以不该，带C的是中国产的。（a）(b)（c）图10.9 W78系列79系列集成稳压器的外型和基本应用电路 2三端固定输出稳压集成电路的应用电路图10.9（c）所示电路为三端集成稳压器使用时的基本电路接法。外接电容C2是高频滤波电容，可选其值为0.11F的陶瓷电容或钽电容。还应该在输出端接一个防止电路自激振荡的电容C0u1，C3为储能电容，可消除因负载电流跃变而引起输出电压的较大波动，对于降低输出纹波，降低输出噪声，减小负载电流变化的影响有较好的作用，可采用0.11F的陶瓷电容或钽电容。如图10.10（a）所示，为用W7815和W791
9、5组成的双极性稳压电源输出电路，可同时向负载提供+15V和-15V的直流电压。图10.10(b)为三端稳压器外接一个集成运放所组成的反相器，可将单极性电压变为双极性输出电压。u1此处是否正确，图图10.9（c）中并未出现“电容C0 u1”？对，此处说的是应该接一个电容。图10.10 双极性正、负电压输出电路如果需要扩大输出电流和扩大输出电压，可以采用如图10.11所示的电路图10.11 扩大输出电流和扩大输出电压的稳压电路在提高输出电压的电路中，输出电压为：2120)1(InRRRUUN式中：UN稳压器标称稳压值；In稳压器的静态工作电流，一般10mA。R1中流过的电流应大于5In。若将R2换
10、成可调电阻，输出电压可在一定范围内调节。3.三端可调输出式集成稳压器及其应用三端可调输出式集成稳压器有输出为正电压的LM117、LM217、LM317u1 系列（LM117是美国产的三端稳压块）和输出为负电压的LM137、LM237、LM337系列。LM117的外形及电路符号如图10.12所示。图中脚3和脚2分别为输入端和输出端，脚1为调整端（ADJ），u2 用于外接调整电路以实现输出电压可调。（注意，这个管脚号不是按照从左至右的顺序排列的。）（a）(b)(c)(d)图10.12 LM117集成稳压器的外形及典型应用三端可调输出式集成稳压器的主要参数有：输出电压连续可调范围：1.25V到47V
11、最大输出电流：1.5A调整端(ADJ)输出电流IA:50A输出端与调整端之间的基准电压UREF:1.25V三端可调输出式集成稳压器的基本应用电路如图10.12（c）、(d)所示，图中C1和C2的作用与在三端固定式稳压器电路中的作用相同。外接电阻R1和R2构成电压调整电路，电容C2用于减小输出纹波电压。为保证稳压器空载时也能正常工作，要求R1上的电流不小于5mA，故取R1=UREF/5=1.25/5=0.25k，实际应用中R1取标称值240。忽略调整端(ADJ)的输出电流IA，则R1与R2是串联关系，因此改变R2的大小即可调整输出电压0。一个完整的输出直流电压可以从零起调的稳压电路如图10.13
12、所示。图10.13 输出直流电压从零可调的稳压电路 目前，已经有将大功率晶体管和集成电路工艺结合在一起的大电流三端可调式稳压块。如LM396的最大输出电流可达10A，并且输出电压从1.2V到15V连续可调。该系列产品还具有输出电流过大保护和过热保护、短路限流等功能。4.三端式集成稳压器构成的恒流源电路在实际电路中，有时需要电源提供稳定的电流，这可以用恒流源电路来实现，电路如图10.14所示。在电路中，由于W7805输出的稳定电压为5V，则流过R的电流IR是稳定的，而稳压器的公共端静态电流IW（6mA）也是稳定的，故负载RL上得到的电流I0是恒定的。同样，利用三端可调输出式集成稳压器也可以做成恒
13、流源电路 图10.14 用三端式集成稳压器构成的恒流源电路2.开关型稳压电源的组成开关型稳压电源的组成开关稳压电源采用功率半导体器件作为开关元件，在控制电路的作用下，通过改变开关管的通断时间，达到改变输出电压的目的。开关型稳压电源的组成框图如图10.15所示。交流输入电压经过桥式整流、电容滤波，得到平滑的直流电压供给直流直流开关稳压电源电路。直流直流开关稳压电源电路.首先将直流电变换为高频交流电，再经过二次整流滤波，得到稳压输出的直流电。二次整流滤波电路是由高速二极管、扼流圈及电解电容等组成。图10.15 开关型稳压电源的组成框图 3.开关稳压电源的分类开关稳压电源的分类开关稳压电源的类型有多
14、种分类方法。（1）按开关管与负载之间的连接方式划分，可分为：串联型和并联型。（2）按启动开关管的方式划分，可分为：自激型和它激型。自激型由开关管和脉冲变压器构成正反馈电路，形成自激振荡来控制开关晶体管的导通与截止。它激型由附加的振荡器产生脉冲信号来控制开关管。（3）按所用的开关器件划分，可分为：晶体三极管开关稳压电源、功率CMOS管开关稳压电源、可控硅开关稳压电源。（4）按稳压控制的方式划分，可分为：脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制型。（5）按开关管在电路中的数量和连接方式划分，可分为：单管型、双管推挽型、四管全桥型等。10.2.2三种典型的开关稳压电源电路三种典型
15、的开关稳压电源电路1.并联型开关稳压电源电路并联型开关稳压电源的原理框图如图10.16所示。它是由开关晶体管VT、隔离二极管VD、储能电感L、滤波电容CO组成的。可以用口诀来记住电路的组成：开关管、大电感，小电容、隔离二极管。除此以外，还有较为复杂的脉冲产生和驱动电路，用来对输出电压进行控制和调节。图10.16 并联型开关稳压电源原理图当控制信号为低电平时，开关管T截止，电流流过储能电感、二极管，经电容滤波，给负载提供能量；当控制信号为高电平时，开关管T饱和导通，电流流过电感、三极管形成回路，将电能以磁能的形式存储在电感中，负载的电流靠电容的放电来维持。因为电路的输出电压UO等于输入电压UI和
16、电感L上的感生电动势之和，所以并联型开关稳压电源又叫作升压型开关稳压电源。并联型开关稳压电源的特点可以简单记作：一对一、升压型。“一对一”是指输入一路直流电压，输出一路直流电压。理论分析可知，并联型开关稳压电源的输出电压为：1IoUU是激励脉冲的占空比，改变占空比，就可以改变输出电压。2.串联型开关稳压电源电路串联型开关稳压电源电路串联型开关稳压电源的原理图如图10.17所示。也可以用口诀来记住电路的组成：开关管、大电感，小电容、续流二极管。在串联型开关稳压电源中，二极管和负载是并联关系，当开关管截止时，在电路中起到构成负载电流持续流动的回路，所以叫做续流二极管。另外，储能电感的位置与并联型的
17、不同，它接在开关管的后面。图10.17 串联型开关稳压电源原理图在图10.17中，当开关晶体管VT处于导通期间，输入电压UI加到储能电感L和负载的两端，形成电流回路，此时二极管VD反向截止。当开关管截止时，因为电感L中的电流不能突变，它产生的感生电动势将阻止电流的减小，所以储能电感L两端的电压极性是左负右正。此时二极管D导通，储存在电感L中的能量经由二极管继续形成回路，给负载提供电流。理论分析可知，当电路进入稳定状态时，电路的输出电压为：IOUU式中的是激励脉冲的占空比，改变占空比，就可以改变输出电压。由于总是小于1，所以串联型开关稳压电源也叫做降压型稳压电源。串联型开关稳压电源的特点可以简单
18、记作：一对一、降压型。“一对一”是指输入一路直流电压，输出一路直流电压。若保持控制信号的周期T不变，当改变导通时间Ton时，就可以改变和调节输出电压UO的大小，按照此原理设计出的电路称为调宽型开关稳压电源（PWM）；若保持控制信号的脉宽不变，只改变开关的周期T，同样也可以使输出电压UO发生变化，这就是频率调制型（PFM）开关稳压电源；若同时改变导通时间Ton和周期T，就成为混合调制型开关稳压电源。3.脉冲变压器型开关稳压电源电路脉冲变压器型开关稳压电源电路串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源都不能同时输出两路以上的电压，而带有脉冲变压器的开关稳压电源电路，可以同时输出几路电压，且输出电压可正
19、可负（改变高频整流二极管的接法即可）、可升可降（改变脉冲变压器次级绕组的匝数即可）。带有脉冲变压器的开关稳压电源电路组成如图10.18所示。图10.18 带有脉冲变压器的开关稳压电源电路双端式是指在电路中有两个开关担任将直流电变成脉冲交流电的任务，在器件上可以使用两个开关管或者是四个开关管。双端式按照电路形式的不同，又分成推挽式、半桥式和全桥式。（1）单端反激式脉冲变压器型开关稳压电源电路脉冲变压器型开关稳压电源电路如图10.19所示，这是一个单端反激式开关稳压电源电路。晶体管VT1是开关元件，绕组NP是原绕组，NF是反馈绕组，NS是副绕组，电阻R1是启动电阻。图10.19 单端自激式反激开关
20、电路d2）单端正激式脉冲变压器型开关稳压电源电路脉冲变压器型开关稳压电源电路如图10.20所示，这是一个单端正激式开关电路。图10.20单端自激式正激开关电路 所谓正激式是指当开关管导通时，高频整流二极管也处于导通状态；当开关管截止时，高频整流二极管也处于截止状态，这也是依靠绕组NS同名端的正确接法来保证的。正激式开关稳压电源的开关管和高频整流二极管同时工作，使电路的负担太重，所以在实际电路中很少应用。同样，在这个电路中，也没有加入稳压自动控制环节，所以也不是一个能实际应用的稳压电路。（3）他激式单端开关稳压电源电路 他激式单端开关稳压电源电路如图10.21所示。前面的“3.脉冲变压器型开关稳
21、压脉冲变压器型开关稳压电源电路电源电路”为此部分的总标题，其下面“（）（）”小点的标题均为“开关稳压电源电路”，“（）（）（）（）”小点的标题为“开关稳压电路 图10.21 他激式单端开关稳压电源电路（4）双管半桥式开关稳压电源电路）双管半桥式开关稳压电源电路图10.22双管半桥式开关稳压电源电路 两个开关管VT1与VT2由控制电路轮流送入脉冲控制信号，使两管轮流导通与截止。当VT1导通VT2截止时，直流电流通过VT1、NP通过给电容器C2充电形成电流回路，电流的路径是：电源EVT1NPC2电源E当VT2导通VT1截止时，电流通过C1、NP、VT2、通过给电容器C1充电形成电流回路，与此同时，
22、电容C2也通过变压器一次绕组和VT2构成放电回路，为下次充电做好准备。此时电流的路径是：电源EC1NPVT2电源E（5）四管全桥式开关稳压电源电路）四管全桥式开关稳压电源电路图10.23四管全桥式开关稳压电源电路（6）双管推挽式开关稳压电源电路）双管推挽式开关稳压电源电路 图10.24双管推挽式开关稳压电源电路当VT1导通时，电源电压U1通过VT1及变压器绕组NP1形成回路。由于变压器绕组NP1两端也有感生电动势产生，所以此时加在截止管VT2上的电压约为2U1。当VT2导通时，电源电压通过VT2及变压器绕组NP2形成回路。10.2.3实际电子产品中开关稳压电源电路的分析实际电子产品中开关稳压电
23、源电路的分析1彩色电视机电源电路的分析彩色电视机电源电路的分析图10.25 彩色电视机中的串联型开关稳压电源电路 该电路不能完全用电视机中的行输出电路馈来的脉冲作为开关脉冲信号源，否则电路无法启动。这是因为行扫描电路只有在有了直流电源电压EO后才能工作；而开关稳压电源必须在输入开关脉冲后才能工作。所以在电路中设计有启动电路。2.通信设备用的推挽式开关稳压电源电路分析图10.26 通信设备用的推挽式开关稳压电源电路 10.3 脉宽调制控制型（脉宽调制控制型（PWM）集成电路）集成电路图10.27 脉宽调制式开关稳压电源的原理图10.3.1由由MC3520构成的开关稳压电源构成的开关稳压电源图10
24、.28 MC3520的管脚功能和内部框图MC3520的实际应用如图10.29所示，可作为大型开关稳压电源的驱动电路。图10.29 MC3520的实际应用电路10.3.2 由由UC3842构成的开关稳压电源构成的开关稳压电源图10.30 UC3842的内部电路框图UC3842的典型应用电路如图10.32所示，这是一个可以给手机充电的电路。图10.32 UC3842的典型应用：手机充电电路图10.31 UC3842的管脚排列这个电路采用固定频率、改变脉冲宽度的调压原理。其工作过程是首先对输出电压进行采样，然后依次经过误差放大器、过流检测比较器、PWM锁存器、门电路和输出级，去控制开关功放管的导通时
25、间和关断时间，高频电压经开关变压器变压后，经过二次整流输出稳定直流电压。刚启动开关稳压电源时，UC3842所需要的16U工作电压暂由R2、C2电路提供。300U直流高压经过R2降压后加至UC3842的输入端UI，利用C2的充电过程使UI端的电压逐渐升至16U以上，实现了电路的启动，这种启动方式称为软启动。一旦开关功放管正常工作后，线圈N2上所建立的高频电压经UD1、C2整流滤波后，就作为UC3842芯片的工作电压。UC3842属于电流控制型脉宽调制器。所谓电流控制型是指：一方面把线圈N2的输出电压反馈给误差放大器，在与基准电压进行比较之后，得到误差电压Ur；另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R
26、10上建立的电压，直接加到过流检测比较器的同相输入端，与Ur作比较，进而控制输出脉冲的占空比，使流过开关功放管的最大峰值电流IPM始终受误差电压Ur的控制，这就是电流控制原理。电流控制型脉宽调制器的优点是调整速度快，一旦300U输入电压发生变化，就能迅速调整输出脉冲的宽度。因此，采用电流控制型脉宽调制器，可以大大改善开关稳压电源的电压调整率及电流调整率。【项目小结】【项目小结】1 稳压电路的作用是当外端电压发生波动、负载和温度产生变化时，能维持直流输出电压的稳定。2 直流稳压电路由变压、整流、滤波、稳压四个部分组成，稳压电路是以变应变来维持电路输出电压的稳定，直流稳压电路实质是电压负反馈。3 开关稳压电源主要由开关调整管、续流二极管、LC滤波器、取样电路和控制电路组成，工作时调整管工作在开关状态。有串联和并联两种类型。串联型开关稳压电源的输出电压总是低于输入电压，而并联型开关稳压电源的输出电压总是高于输入电压。主要优点：稳压效果好，范围宽，稳压管功耗小，电路效率高，缺点是输出纹波电压较大。4三端集成稳压器是一种集成化的串联型稳压器，分为固定和可调两大类型，正负可选，电压可调。通常适合小功率电子产品中应用。
