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信平电子变压器:浅析直流稳压电源电路的构成

2018-10-08 09:41:07 德州信平电子有限公司 阅读

稳压电源

稳压电源(stabilized voltage supply)是能为负载提供稳定的交流电或直流电的电子装置,包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

当电网电压或负载出现瞬间波动时,稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿,使其稳定在±2%以内。

主要功能

稳定电压

当电网电压或负载出现瞬间波动时,稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿,使其稳定在±2%以内。

多功能综合保护

稳压器除了最基本的稳定电压功能以外,还应具有过压保护(超过输出电压的+10%)、欠压保护(低于输出电压的-10%)、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。

尖脉冲抑制

电网有时会出现幅值很高,脉宽很窄的尖脉冲,它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。

隔离传导性EMI电磁干扰(可选):

数控设备多采用AC/DC整流+PFC高频功率因数校正,自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。

防雷

应具有的防雷击能力。

工作原理

工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节,实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后,通过采样电路获得输出电压,将此输出电压和基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压,则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端,通过调节器调节使输出电压增加,直到和基准值相等;如果输出电压大于基准电压,则通过调节器使输出减小。

稳压器电路由电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成,如图所示。电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组和整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2组成。电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运算放大器集成电路IC(Nl-N3)组成。过电压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。自动调压电路由电阻器R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电动机M、滑动触头和T的Wl-W3绕组组成。将交流稳压器的输大端与市电相接后,在T的W4、W5绕组上产生了感应电压。该电压经VDl-VD4整流及Cl、C2滤波后,为IC和Vl、V2等提供 士l2V不稳定工作电压。+l2V电压还有其他作用。经Rl-R3分压、VS稳压后,分别为Nl-N3的反相输入端提供基准电压;为过电压保护电路申的K和V3提供工作电源;经R4、RP2、R6分压后,为Nl和N2的正相输入端提供检测电压;经R7、RPl、R5分压后,为N3的正相输入端提供检测电压。

Nl-N3将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较,用产生的误差电压去控制自动调压电路。

当市电电压正常时,Nl和N2的输出端电压为OV,Vl和V2均处于截止状态,电动机M不工作。

当市电电压偏低时,Nl和N2输出低电平,使V2导通,Vl截止,M逆时针旋转,通过滑壁臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触 (T的Wl、W2绕组共设置了21个电压抽头,每一档的电压调节范围为5V),通过T的W2绕组来提升输出电压。当输出交流电压升至220V时,V2截止,M停转。当市电电压偏高时,Nl和N2均输出高电平,使Vl导通,V2截止,M顺时针旋转,通过滑臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触,通过T的Wl绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至220V时,Vl截止,M停转。当市电电压偏高超过260V时,N3因正相输入端电压高于反相输入端电压而输出低电平,使V3截止,,K释放,其常闭触头接通交流电压的输出回路。当市电电压为160-260V时,N3因正相输入端电压低于反相输入端电压而输出高电平,使V3导通,K吸合,其常闭触头断开,从而保证负载(用电器)不会因过电压而损坏。

选购

元器件选择

R8和R9均选用lW金属膜电阻器,其余各电阻器选用1/4W或l/2W金属膜电阻器。

RPl和RP2均选用精密可变电阻器。

Cl-C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。

VDl-VD4均选用lN5404型硅整流二极管。

VS选用1/2W、6V的硅稳压二极管,例如lN5233A或lN5995B等型号。

Vl选用DSl5或2SC2073型硅NPN晶体管;V2选用CSl5或2SA940型硅PNP晶体管;V3选用S805O或C8050型硅NPN晶体管。

IC选用LM324型运算放大集成电路。

M选用l2V直流电动机。

K选用JRX-l3F型l2V直流继电器,使用时将其两组常闭触头并联,以增大电流负荷。

采用300-500W的电源变压器改制。先计算出匝/伏比等有关数据后再进行绕制,每5V处取出一抽头并作好标记。先绕Wl-W3绕组,后绕W4和W5绕组。将T各抽头的外接点与滑臂的滑动触头分别装在两块完全一样的印制板上,粘合后对应连接。滑臂为上、下两片型式,印制板夹在其中间,使其在滑动时接触良好。滑臂申心装上齿轮,电动机M通过齿轮变速后驱动滑臂移动。

电路调试

调试时,先将RPl和R陀的动触头调至中间位置,在交流稳压器的输入端接上一台手动调压器,在输出端接上电压表,调整调压器使输入交流电压为220V,然后调节R陀的阻值,使M在输出电压为220V时停转。

断开M的引线 (滑动触头应接在-220V处),调整RPl,使输人电压调至230V时,K立即吸合即可。

信平电子变压器:浅析直流稳压电源电路的构成


稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成,如图5一21所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

一、稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求

稳压电源的技术指标可以分为两大类:一类是特性指标,如输出电压、输出电滤及电压调节范围;另一类是质量指标,反映一个稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能,主要有以下四个万面的要求

1.稳定性好

当输入电压Usr (整流、滤波的输出电压)在规定范围内变动时,输出电压Usc 的变化应该很小一般要求 。

由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度,称为稳定度指标,常用稳压系数S 来表示:S的大小,反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下,S越小,输出电压的变化越小,电源的稳定度越高。通常S约为 。

2.输出电阻小

负载变化时(从空载到满载),输出电压Usc ,应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。

输出电阻(又叫等效内阻)用rn 表示,它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。

rn 反映负载变动时,输出电压维持恒定的能力,rn 越小,则Ifz变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源,输出电阻可小到1欧,甚至0.01欧。

3.电压温度系数小

当环境温度变化时,会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源,应在环境温度变化时,有效地抑制输出电压的漂移,保持输出电压稳定,输出电压的漂移用温度系数KT来表示。

4.输出电压纹波小

所谓纹波电压,是指输出电压中50赫或100赫的交流分量,通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低,降低的倍数反比于稳压系数S 。

上节介绍的串联型稳压电路,用做一种简单的稳压电源,可以满足一般无线电爱好者的需要。但是,这种电源还有许多“天生的”缺陷,要提高对性能的要求,就必须再做一些改进。从以下四个右面对它的性能加以改善,便可做成一台有实用价值的稳压电源了。这就是:增加放大环节,提高稳定性,使输出电压可调;用复合管做调整管,使输出电流增大;增加保护电路,使电源工作安全可靠。

二、带有放大环节的稳压电源

输出电压的变化量△Usc 是很微弱的,它对调整管的控制作用也很弱,因此稳压效果不够好,带有放大环节的稳压电源,就是在电路中增加一个直流放大器,把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管,从而提高对调整管的控制作用,使稳压电源的稳定性能得到改善。图5-22 是带有放大环节的稳压电源电路。

图中,BG1 是调整管,BG2 是比较放大管。输出电田变化量△Usc 的一部分与基准电压Uw 比较,并经BG2 放大后进到了BG1 的基极。Rc 是BG2 的集电极电阻,又是BG1 的上偏置电阻。R1、R2是BG2 的上、下偏置电阻,组成分压电路,把ΔUsc 的一部分作为输出电压的取样,送给BG2 的基极,因此又叫取样电路 R2 上的电压Ub2:叫取样电压。DW和R3组,成稳压电路,提供基准电压。

从电路路中可以看出,当输出电压Usc 下降的时候,通过R1 、R2组成的分压电路的作用,BG2 的基极电位Ub2也下降了。由于基准电压UW 使BG2 的发射极电位保持不变,Ubc2 :=Ub2,一UW随之减小。于是BG2 集电极电流Ic:减小,Uc2增高,即BG1 的基极电位Ub1增高,使Icl增加,管压降Uce1减小,从而导致输出电压Usc 保持基本稳定。BG2 的放大倍数越大,调整作用就越强,输出电压就越稳定。

如果输出电压Usc 增高时,同样道理,又会通过反馈作用使Usc 减小,保持输出电压基本不变。

下面谈谈各元件的选取原则。前面已经提到,Rc是放大级的负载电阻,又相当于调整管的偏置电阻。Rc大,放大倍数大,有利于提高稳压器指标,但Rc过大会使BG2 和调整管电流太小,限制了负载电流和调整范围。通常Rc根据下列公式选取:

Usrmin 为整流输出的最小电压。Ic2可取1~3毫安。稳压管DW的稳定电压Uw,选择范围比较宽,只要不使BG2 饱和(即Uw比Usc 低2伏以下)均可。Uw取得大,取样电压可大些,有利于提高稳压性能。限流电阻R3通过的电流I3,应该等于DW的稳定电流,那应满足下述关系:

输入电压Usr 应大于输出电压Usc 3~8伏。Usr 过小,调整管容易饱和而起不到调整作用;Usr 过大,则增加管子耗损,并浪费功率。整流纹波小的,Usr 可取低些;纹波大的,Usr 应取高些。调整管BG1 的β值要尽量大,为此可以使用复仓管。调整管的功耗也要足够大,应满足下式要求:Usrmax 为电网电压最高时的整流输出电压。

放大管BG2 也要选用β值大的管子,以增强对调整管的控制作用,使输出的更稳定。在Usc 较大的稳压电路中,还应注意BG2 所能承受的反向电压,应选取的晶体管。

分压电阻(R1+R2)要适当小些,以提高电路性能。通常取流过分压电阻的电流大于放大管基极电流的5-10倍。分压比决定于输出电压Usc 和参考电压Uw,由下式决定:一般可先选定R1 或R2,再通过计算调整另外一只电阻器,分压比要选得大些,一般选0.5~0.8。

三、输出电压可调的稳压电源

从上面电路可以看到,输出电压与基准电压之间的关系,是由分压电路来“调配”的。在基准电压一定的情况下,改变分压比,就可以在一定范围里改变输出电压。在R1与R2之间加接一个电位器W,便可以实现输出电压在一定范围内连续可调。

四、用复合管做调整管的稳压电源 在稳压电源中,负载电流Ifz要流过调整管,输出大电流的电源必须使用大功率的调整管,这就要求有足够大的电流供给调整管的基极,而比较放大电路供不出所需要的大电流,另一方面,调整管需要有较高的电流放大倍数,才能有效地提高稳压性能,但是大功率管一般电流放大倍数都不高。解决这些矛盾的办法,是给原有的调整管再配上一个或几个“助手”,组成复合管。用复合管做调整管的稳压电源电路如图5一24所示。

用复合管做调整管时,BG2 的反向电流Iceo2将被放大,尤其是采用大功率锗管时,反向截止电流Icbo比较大,并随温度增高按指数增加,很容易造成高温空载时稳压电源的失控,使输出电压Usc 增大。误差信号ΔUsc 经放大加到BG2 的级基极来减少Ic人,可能迫使BG2 截止。为了使调整管在不同温度下都工作在放大区,常在BG1 的基极加电阻(R7)接到电源的正极(如图5一24)或负极。在温度或负载变化不大或全用硅管时,可不加这个电阻。

R7的数值,可近似由下式决定:

五、带有保护电路的稳压电源。

在稳压电路中,要采取短路保护措施,才能保证安全可靠地工作。普通保险丝熔断较慢,用加保险丝的办法达不到保护作用,而必须加装保护电路。

保护电路的作用是保护碉整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是,当输出电流超过某一致值时,使调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流。 保护电路的形式很多。图2-25是二极管保护电路,由二极管D和检图2-25二极管保护电路测电阻R0组成。正常工作时,虽然二极管两端的电压上低下场,但二极管仍处于反向截止状态。负载电流增大到一定数值时,电阻RO上的压陷ROIe加大,使二极管导通。由于UD=Ube1+ROIe,而二极管的导通电压UD是一定的,则Ube1被迫减小,从而使Ie限制到一定值,达到保护调整管的目的。在使用时,二极管要选用UD值大的。

三极管保护电路。由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时,通过R4与R5的压作用,使得BG2的基极电位比发射极电位高,发射结承受反向电压。于是BG2处于截止状态(相当于开路),对稳压电路没有影响。当电路短路时,输出电压为零,BG2的发射极相当于接地,则BG2处于饱和导通状态(相当于短路),从而使调整管BG1基极和发射极近于短路,而处于截止状态,切断电路电流,从而达到保护目的。

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