第二節　連續調整型穩壓電路構成與工作原理

一、連續調整型穩壓電路構成

如圖1-7所示。

圖1-7　連續調整型穩壓電路構成

1.降壓電路

我國市電供電為220V,電子產品中需要多種電壓(多為直流),可利用變壓電路將220V交流市電轉換為所需要電壓,變壓電路主要有升壓電路和降壓電路兩類。

(1)變壓器變壓電路　常用的降壓元件是變壓器,將220V變壓為低壓時稱為降壓變壓器,廣泛應用于各種電子線路中,將220V變壓為高壓時,稱為升壓變壓器,無論是降壓變壓器還是升壓變壓器,均是利用磁感應原理完成升降壓的,詳見變壓器相關介紹。

(2)阻容降壓電路　在一些小功率電路中,常用阻容降壓電路(電阻與電容并聯)。適當選擇元件參數,可以得到所需要的電壓,其原理是用RC電路限流降壓的,R不允許開路,因電阻限制電流,只適用于小功率電路。

2.整流電路

電子電路應用的多為直流電源,整流電路就是將交流電變成直流電的電路。

(1)半波整流電路　半波整流電路如圖1-8所示,由變壓器T、二極管VD、濾波電容C、電阻RL構成。

圖1-8　半波整流電路

變壓器T的作用是將市電進行轉換,得到用電器所需電壓。若市電電源電壓與用電器的要求相符,就可以省掉變壓器,既降低成本又簡化了電路。

工作過程:當變壓器次級電壓U₂為正半周時,A為正,VD導通,負載RL有電流通過,當變壓器次級電壓U₂為負半周時,A為負,D截止,RL中就沒有電流通過,則負載中只有正半周時才有電流。這個電流的方向不變,但大小仍隨交流電壓波形變化,叫做脈動電流。

(2)全波整流電路　全波整流電路有“半橋式整流電路”和“全橋式整流電路”兩種。

① 半橋式整流電路。圖1-9是半橋式整流電路,電路變壓器次級線圈兩組匝數相等。在交流電正半周時,A點的電位高于 B,而B點的電位又高于C,則二極管VD1反偏截止,而VD2導通,電流由B點出發,自下而上地通過負載RL,再經VD2,由C點流回次級線圈。在交流電負半周時,C點的電位高于B,而B點的電位又高于A,故二極管VD1導通,而VD2截止。電流仍由B點的自下而上地通過RL, 但經過VD1回到次級的另一組線圈。這個電路中,交流電的正、負半周,都有電流自下而上地通過,則叫做全波整流電路。此種電路的優點是市電利用率高,缺點是變壓器利用率低。

圖1-9　半橋式整流電路

② 全橋式整流電路。如圖1-10所示在交流電正半周時,A點的電位高于B點,則二極管VD1、VD3導通,而二極管VD2、VD4截止,電流由A點經VD1,自上而下地流過負載RL,再通過VD2回到變壓器次級;在交流電負半周時,B點的電位高于A,二極管VD2、VD4導通,而VD1、VD3截止,那么電流由B點經VD2,仍然由上而下地流過負載RL,再經VD4到A。可見,橋式整流電路中,無論交流電的正、負半周,都有單方向的直流電流輸出,而且輸出的直流電壓也比半波整流電路高。

圖1-10　全橋式整流電路

全波整流電路在交流電的正、負半周都有直流輸出,整流效率比半波整流提高一倍,輸出電壓的波動更小。

3.濾波電路

整流電路雖然可將交流電變為直流電,但是這種直流電有著很大的脈動成分,不能滿足電子電路的需要。因此,在整流電路后面必須再加上濾波電路,減小脈動電壓的脈動成分,提高平滑程度。

(1)無源濾波　常用的無源濾波主要有電容濾波、電感濾波及LC組合濾波電路,下面主要介紹LC組合電路。

LC濾波電路的基本形式如圖1-11所示。它在電容濾波的基礎上,加上了電感線圈L或電阻R,以進一步加強濾波作用。因這個電路的樣子很像希臘字母“Л”,則稱為“π型濾波器”。

圖1-11　LC濾波電路的基本形式

電路中電感的作用可以這樣解釋:當電感中通過變化的電流時,電感兩端便產生反電動勢　來阻礙電流的變化。當流過電感的電流增大時,反電動勢會阻礙電流的增大,并且將一部分電能轉變為磁能存儲在線圈里;當流過電感線圈的電流減小時,反電動勢又會阻礙電流的減小并釋放出電感中所存儲的能量,從而大幅度地減小了輸出電流的變化,達到了濾波的目的。將兩個電容、一個電感線圈結合起來,便構成了丌型濾波器,能得到很好的濾波效果。

在負載電流不大的電路中,可以將體積笨重的電感L換成電阻R,即構成了丌型RC濾波器。

(2)有源濾波　有源濾波電路又稱電子濾波器,在濾波電路中使用了有源器件晶體管。有源濾波電路如圖1-12所示。在有源濾波電路中,接在三極管基極的濾波電容容量為C,因三極管的放大作用,相當于在發射極接了一只大電容。

圖1-12　有源濾波電路

電路原理:電路中首先用RC濾波電路,使三極管基極紋波相當小,因I_B很小,則R可以取較大,C相對來講可取得較小,又因三極管發射極電壓總是低于基極,則發射極輸出紋波更小,從而達到濾波作用,適當加大三極管功率,則負載可得到較大電流。

4.穩壓電源

整流濾波后得到直流電壓,若交流電網的供電電壓有波動,則整流濾波后的直流電壓也相應變動;而有些電路中整流負載是變化的,則對直流輸出電壓有影響;電路工作環境溫度的變化也會引起輸出電壓的變化。

因電路中需要穩定的直流供電,整流濾波電路后設有“穩壓電路”,常用的穩壓電路有:穩壓二極管穩壓電路、晶體管穩壓電路和集成塊穩壓電路。

(1)穩壓二極管穩壓電路　如圖1-13所示,電路由電阻R和穩壓二極管DW組成,圖中R為限流電阻,RL為負載,U_o為整流濾波電路輸出的直流電壓。

圖1-13　穩壓二極管穩壓電路

工作過程:穩壓二極管的特點是電流在規定范圍內反向擊穿時并不損壞,雖然反向電流有很大的變化,反向電壓的變化卻很小。電路就是利用它的這個特性來穩壓的。假設因電網電壓的變化使整流輸出電壓U增高,這時加在穩壓二極管DW上的電壓也會有微小的升高,但這會引起穩壓管中電流的急劇上升。這個電流經過限流電阻R,使它兩端的電壓也急劇增大,從而可使加在穩壓管(即負載)兩端的電壓回到原來的U_o值。而在電網電壓下降時,U_i的下降使U_o有所降低,而穩壓管中電流會隨之急劇減小,使R兩端的電壓減小,則U_o上升到原值。

(2)晶體管穩壓電路　晶體管穩壓電路有串聯型和并聯型兩種,穩壓精度高,輸出電壓可在一定范圍內調節。晶體管穩壓電路如圖1-14所示,VT1為調整管(與負載串聯),VT2為比較放大管。電阻R與穩壓管DW構成基準電路,提供基準電壓。電阻R1、R2構成輸出電壓取樣電路。電阻R3既是VT1的偏置電阻又是VT2的集電極電阻。

圖1-14　晶體管穩壓電路

穩壓工作過程:當負載RL的大小不變時,若電網電壓的波動使輸入電壓增大,則會引起輸出電壓U。變大。通過R1、R2的分壓,會使VT2管的基極電壓也隨之升高。因VT2管的發射極接有穩壓二極管,所以電壓保持不變,則這時VT2的基極電流會隨著輸出電壓的升高而增大,引起VT2的集電極電流增大。VT2的集電極電流使R3上電流增大,R3上的電壓降也變大,導致VT1的基極電壓下降。VT1管的導通能力減弱,VT1的基極電壓增加,使集電極發射極間電阻增大,壓降增大,輸出電壓降低到原值。同理,當輸入電壓下降時,引起輸出電壓下降,而穩壓電路能使VT1的集電極、發射極間電阻減小,壓降變小,使輸出電壓上升,保證輸出電壓穩定不變。

調壓原理:當電位器W的中間端上移時,使VT2 的基極電壓上升,它的基極和集電極電流增大,使R3兩端的電壓降增大,引起調整管VT1的基極電壓下降,使輸出電壓也隨之下降。同理,當電位器W的中間端向下滑動時,能使輸出電壓上升。調整后的輸出電壓,仍受電路穩壓作用的控制,不受電網波動或負載變化的影響。

(3)帶有保護功能的穩壓電路　

在串聯型穩壓電路中,負載與調整管串聯,當輸出過載或負載短路時,輸入電壓全部加在調整管上,這時流過調整管的電流很大,使得調整管過載而損壞。即使在電路中接入熔絲作為短路保護,因它的熔斷時間較長,仍不能對晶體管起到良好的保護作用。因此,必須在電源中設有快速動作的過載保護電路。如圖1-15所示。三極管VT3和電阻R構成限流保護電路。因電阻R的取值比較小,因此,當負載電流在正常范圍時,它兩端壓降小于0.5V,VT3處于截止狀態,穩壓電路正常工作。當負載電流超過限定值時,R兩端電壓降超過0.5V,VT3導通,其集電極電流流過負載電阻R1,使R1上的壓降增大,導致VT1基極電壓下降,內阻變大,控制VT1集電極電流不超過允許值。

圖1-15　帶有保護功能的穩壓電路

二、實際連續型調整型穩壓電路分析與檢修

1.電路分析

BX1、BX2為熔絲B電源變壓器,VD1—VD4為整流二極管,C1、C2為保護電容,C3、C4為濾波電容,R1、R2、C5、C6為RC供電濾波電路,R3為穩定電阻,C8為加速電容,DW為穩壓二極管R4、R5、R6為分壓取樣電路,C7為輸出濾波電容,Q1為調整管,Q2為推動管;Q3為誤差放大管,電路如圖1-16所示。電路分析可掃二維碼學習。

圖1-16　實際穩壓電路

2.電路工作原理

(1)自動穩壓原理　當某原因+V↑→R5中點電壓↑→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)手動調壓原理　此電路在設計時,只要手動調整R5中心位置,即可改變輸出電壓V高低,如當R5中點上移時,使Q3U_b電壓上升,根據自動穩壓過程可知+V下降,如當R5中點下移時,則+V會上升。

3.電路故障檢修

此電路常出現故障主要有:無輸出、輸出電壓高、輸出電壓低、紋波大等。

無輸出或輸出不正常的檢修過程,如圖1-17所示。

圖1-17　無輸出或輸出不正常的檢修過程

除利用上述方法檢修外,在檢修穩壓部分時(輸出電壓不正常),還可以利用電壓跟蹤法由后級向前級檢修,同時調R5中點位置,哪級電壓無變化,則故障應在哪級。

如輸出電壓偏高或偏低,首先測取樣管基極電壓,調R5電壓不變則查取樣電路,電壓變化則測Q3,集電極電壓,調R5電壓不變則查Q3電路及R1、R2、C1與C6、DW等元件,如變再查Q2、Q3等各極電壓,哪級不變化故障在哪級。

三、集成穩壓連續型電源電路分析

集成電路連續型穩壓器主要是三端穩壓器,有普通三端穩壓器78、79系列,低壓差穩壓器29系列或可調型LM317、LM337系列及高誤差放大器TL431系列。

1.普通三端集成穩壓器

為了使穩壓器能在比較大的電壓變化范圍內正常工作,在基準電壓形成和誤差放大部分設置了恒流源電路,啟動電路的作用就是為恒流源建立工作點。實際電路是由一個電阻網絡構成的,在輸出電壓不同的穩壓器中,使用不同的串、并聯接法,形成不同的分壓比。通過誤差放大之后去控制調整管的工作狀態,使其輸出穩定的電壓。圖1-18所示為普通三端穩壓器基本應用電路。

圖1-18　普通三端穩壓器基本應用電路

2. 29系列集成穩壓器

29系列低壓集成穩壓器與78/79系列集成穩壓器結構相同,但最大優點是輸入/輸出壓差小。

3.可調型集成穩壓器

三端可調集成穩壓器,分正壓輸出和負壓輸出兩種,主要種類如區別見表1-1。三端可調型集成穩壓器使用起來非常方便,只需外接兩個電阻就可以在一定范圍內確定輸出電壓。圖1-19(a)是LM317的應用電路,圖1-19(b)是正負可調應用電路。

表1-1　可調型集成穩壓器的種類及區別

圖1-19　可調型集成穩壓器基本應用電路

工作原理:以LM317為例,在圖1-19中,U_i為直流電壓輸入端,U_o為穩壓輸出端,ADJ則是調整端。與78系列固定三端穩壓器相比較,LM317把內部誤差放大器、偏置電路的恒流源等的公共端改接到了輸出端,它沒有接地端。LM317內部的1.25V基準電壓設在誤差放大器的同相輸入端與穩壓器的調整端之間,由電流源供給50μA的恒定I_ADJ調整電流,此電流從調整端(ADJ)流出。R_SOP是芯片內部設有的過流檢測電阻。實際使用時,采用懸浮式工作,即由外接電阻R1、R2來設定輸出電壓,輸出電壓可用下式計算,V₀=1.25(1+R₂/R₁)。

使用懸浮式電路是三端可調型集成穩壓器工作時的特點。圖1-19中,電阻R1接在輸出端與調整端之間承受穩壓器的輸出基準電壓1.25V,電阻R2接在調整端至地端。V₀=1.25(1+R₂/R₁)。R1一般取120'Ω或240'Ω。若要連續可調輸出,則R2可選用電位器。C1用于防止輸入瞬間過電壓。C2用于防止輸出接容性負載時穩壓器的自激。用鉭電容1μF或鋁電解電容25μF ,接入D1為防止輸入端短路時C1放電損壞穩壓器。調整端至地端接入C2可明顯改善穩壓器的紋波抑制比。C1一般取10μF,并接在R1上的D2是為了防止輸出短路時C1放電損壞穩壓器。

4.高增益并聯可調基準穩壓器TL431A/B

(1)特性及工作原理　三端并聯可調基準穩壓器集成電路廣泛應用于開關電源的穩壓電路中,外形與三極管類似,但其內部結構和三極管卻不同。三端并聯可調基準穩壓器與簡單的外電路相組合就可以構成一個穩壓電路,其輸出電壓在2.5~36V之間可調。在開關電源電路中三端并聯可調基準穩壓器還常用做三端誤差信號取樣電路。常用的為TL431。

(2)應用電路　典型應用電路如圖1-20所示,實際應用電路如圖1-21所示。

圖1-20　用作并聯電源

圖1-21　用作誤差放大器

① 用作并聯電源。圖1-20中市電經降壓、橋式整流、電容濾波后,輸出脈動直流電壓通過負載,電流的大小和電壓的高低由電位器W所決定,并可根據負載電流變化自動調整。

② 用作誤差放大器。在圖1-21中,改變W1中點位置可改變電位,改變BG2集電極與發射極間的電阻,改變V₀輸出。