直流穩(wěn)壓電源是一種最常用的電子設(shè)備，也是電子愛好者制作最多的項(xiàng)目之一。下面以一款額定輸出電壓為3V、最大輸出電流為600mA的直流穩(wěn)壓電源為例，介紹直流穩(wěn)壓電源電路圖的分析方法。
1.整體電路分析
3V直流穩(wěn)壓電源電路圖如圖10-17所示。直流穩(wěn)壓電源的功能是將交流220V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓輸出。因此，電路圖左側(cè)交流220V端為輸入端，右側(cè)+3V端為輸出端，電路圖走向?yàn)閺淖蟮接摇?/p>
圖10-17 3V直流穩(wěn)壓電源電路
(1)分解單元電路
穩(wěn)壓電源電路可分解為3個(gè)單元，從左到右依次如下。
以整流二極管VD1～VD4為核心的整流濾波單元，包括交流降壓電路、整流電路、濾波電路等。
以晶體管VT1～VT4為核心的穩(wěn)壓?jiǎn)卧ɑ鶞?zhǔn)電壓、取樣電路、比較放大器、調(diào)整元件、保護(hù)電路等。
以發(fā)光二極管VD7為核心的指示電路單元。
以上單元電路組成了直流穩(wěn)壓電源的整體電路，圖10-18所示為電路方框圖。
圖10-18 直流穩(wěn)壓電源方框圖
(2)電路工作原理
3V直流穩(wěn)壓電源總體工作原理是：交流220V電壓經(jīng)電源變壓器T降壓、整流二極管VD1～VD4橋式整流、電容器C1濾波后，得到不穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)由VT1～VT4組成的穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓調(diào)整后，輸出穩(wěn)定的3V直流電壓，如圖10-19所示。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出的3V直流電壓穩(wěn)定不變。
圖10-19 直流穩(wěn)壓電源工作過程
2.整流濾波單元電路
整流濾波單元電路包括交流降壓電路、整流電路和濾波電路。
(1)交流降壓電路
穩(wěn)壓電源額定輸出電壓為3V，因?yàn)檎{(diào)整管必須有一定的壓降，交流輸入電壓e選擇為6V，由電源變壓器T將220V交流電壓降壓為交流6V。穩(wěn)壓電源最大輸出電流為600mA，考慮到一定的損耗，T采用6W的電源變壓器。
(2)整流電路
整流電路由VD1～VD4組成橋式整流器。雖然橋式整流器需要用4只整流二極管，但是其整流效率較高，脈動(dòng)成分較少，變壓器二次側(cè)無須中心抽頭，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
圖10-20所示為橋式整流器工作原理示意圖，為分析電路方便，將圖10-17中整流電路右邊的后續(xù)電路等效為負(fù)載電阻RL。
圖10-20 橋式整流器電路工作原理示意圖
在交流電e正半周時(shí)，二極管VD1和VD4截止，VD2和VD3導(dǎo)通，電流經(jīng)VD2、RL、VD3形成回路，負(fù)載RL上電壓為上正下負(fù)，如圖10-20(a)所示。
在交流電e負(fù)半周時(shí)，二極管VD2和VD3截止，VD1和VD4導(dǎo)通，電流經(jīng)VD4、RL、VD1形成回路，負(fù)載RL上電壓仍為上正下負(fù)，如圖10-20(b)所示。
(3)濾波電路
橋式整流后在負(fù)載RL上得到的是脈動(dòng)直流電壓，其頻率為100Hz(交流電源頻率的2倍)，峰值為√2e≈8.4V，還必須經(jīng)過平滑濾波后才能實(shí)際應(yīng)用。 電容濾波器是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的平滑濾波器。由于電容器C1的充、放電作用，當(dāng)電容器容量足夠大時(shí)，充入的電荷多，放掉的電荷少，最終使整流出來的脈動(dòng)電壓成為直流電壓Ui，空載時(shí)Ui=√2e≈8.4V，濾波前后波形如圖10-21所示。
圖10-21 濾波波形
3.穩(wěn)壓?jiǎn)卧娐?/strong>
穩(wěn)壓?jiǎn)卧ɑ鶞?zhǔn)電壓、取樣電路、比較放大器、調(diào)整元件、保護(hù)電路等，圖10-22所示為其原理方框圖。
圖10-22 穩(wěn)壓?jiǎn)卧娐贩娇驁D
穩(wěn)壓?jiǎn)卧堑湫偷拇?lián)型穩(wěn)壓電路，調(diào)整元件串接在輸入電壓Ui(8.4V左右)端與輸出電壓Uo(3V)端之間。如果輸出電壓Uo由于某種原因發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整元件就作相反的變化來抵消輸出電壓的變化，從而保持輸出電壓Uo的穩(wěn)定。
(1)基準(zhǔn)電壓
基準(zhǔn)電壓的作用是提供穩(wěn)壓基準(zhǔn)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性。基準(zhǔn)電壓UVD通常由穩(wěn)壓管電路獲得，如圖10-23所示，2個(gè)硅二極管VD5和VD6串聯(lián)作為穩(wěn)壓管使用，可提供1.3V的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。R5是限流電阻。
圖10-23 基準(zhǔn)電壓電路
(2)取樣電路
取樣電路的作用是將輸出電壓Uo按比例取出一部分，作為控制調(diào)整元件的依據(jù)。取樣電路由R6和R7組成，取樣比為
。穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo由取樣比和基準(zhǔn)電壓UVD決定，Uo=(UVD+0.7V)
，式中，0.7V是晶體管VT4的b-e結(jié)間壓降。改變?nèi)颖然蚧鶞?zhǔn)電壓，即可改變穩(wěn)壓電源的輸出電壓。
(3)比較放大器
比較放大器的作用是對(duì)取樣電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大，然后去控制調(diào)整管的變化。比較放大器是一個(gè)由VT3等構(gòu)成的直流放大器，VT3的發(fā)射極接基準(zhǔn)電壓(1.3V)，基極接取樣電壓(2V)，集電極電壓作為調(diào)整管的控制電壓，如圖10-24所示。
圖10-24 比較放大器電路
當(dāng)由于某種原因使得輸出電壓Uo變高時(shí)(例如變?yōu)?.9V)，VT3基極的取樣電壓也按比例升高為2.6V，由于VT3發(fā)射極仍被基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定在1.3V，因此VT3集電極電流增大、集電極電壓下降，使調(diào)整管基極電流減小、管壓降增大，迫使Uo回落。
當(dāng)Uo變低時(shí)，VT3集電極電壓上升，調(diào)整管管壓降減小，迫使Uo回升，最終使輸出電壓Uo穩(wěn)定地保持在3V。
(4)調(diào)整元件
調(diào)整元件是穩(wěn)壓?jiǎn)卧膱?zhí)行元件，一般由工作于線性放大區(qū)的功率晶體管構(gòu)成，它的基極輸入電流受比較放大器輸出電壓的控制，如圖10-25所示。
圖10-25 晶體管作調(diào)整元件
本電源中調(diào)整元件采用了復(fù)合管(VT1+VT2)，其中VT1為大功率晶體管。復(fù)合管等效于一個(gè)晶體管，但其電流放大倍數(shù)則是2個(gè)晶體管放大倍數(shù)之乘積，如圖10-26所示。采用復(fù)合管的好處是可以極大地提高調(diào)整管的電流放大倍數(shù)，有利于改善穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)和動(dòng)態(tài)內(nèi)阻等指標(biāo)。
圖10-26 復(fù)合管原理
(5)保護(hù)電路
為了防止輸出端不慎短路或過載而造成調(diào)整管損壞，直流穩(wěn)壓電源通常都設(shè)計(jì)有過電流自動(dòng)保護(hù)電路。晶體管VT4和R2、R3、R4等組成截止式保護(hù)電路，工作過程如圖10-27所示。
圖10-27 截止式保護(hù)電路工作過程示意圖
正常情況下，輸出電流在R4上產(chǎn)生的壓降小于R2上的電壓(R2與R3分壓獲得)，使得VT4基極電位低于發(fā)射極電位，VT4因反向偏置而截止，保護(hù)電路不起作用。
當(dāng)輸出端短路或過載時(shí)，輸出電流增大，R4上壓降也增大，使VT4得到正向偏置而導(dǎo)通。VT4的導(dǎo)通使調(diào)整管基極變?yōu)榉聪蚱枚刂梗瑥亩鸬搅吮Ｗo(hù)作用。當(dāng)短路或過載故障排除后，穩(wěn)壓電路自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
4.指示電路
發(fā)光二極管VD7用作電源指示，R8是其限流電阻。電容器C2的作用是進(jìn)一步濾除輸出直流電壓中的交流成分。
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