【正文】 交直流穩(wěn)壓、穩(wěn)流電源設(shè)計 主要介紹交直流穩(wěn)壓源、穩(wěn)流源設(shè)計基礎(chǔ)，設(shè)計方法和設(shè)計步驟。并通過大量例題詳細介紹了方案論證、軟、硬件設(shè)計、技術(shù)指標測試及測試結(jié)果分析。 具有缺相保護功能的蓄水池自動供水電路 穩(wěn)壓、穩(wěn)流電源設(shè)計基礎(chǔ) ? 電源是電子設(shè)備的能源電路，關(guān)系到整個電路設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。 本節(jié)主要介紹 ? 直流穩(wěn)壓電源 ? 直流恒流電源 ? 交流穩(wěn)壓電源 . 1 直流穩(wěn)壓電源 ? 一、直流穩(wěn)壓電源的基本原理 ? 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成 。 一、直流穩(wěn)壓電源的基本原理 ? 電源變壓器的作用是將電網(wǎng) 220V的交流電壓 U1轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的電壓 U2。整流電路的作用是將交流電壓 U2轉(zhuǎn)換成脈動的直流電壓 U3。濾波電路的作用是將脈動直流電壓濾除紋波，變成紋波小的直流電壓 U4。穩(wěn)壓電路的作用就是將不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓 Uo。它們的關(guān)系為 ? 式中， n為變壓器的變壓比。 ? UP為穩(wěn)壓器的降壓，一般為 2～ 15V。 二、串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路 ? 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的原理圖如圖所示。 電路包括 4個組成部分。 ? 1．采樣電阻 ? 由電阻 Rl, RP和 R3組成。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電阻取其變化量的一部分送到放大電路的反相輸入端。 ? ? 放大電路 A的作用是將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量進行放大，然后再送到調(diào)整管的基極。如果放大電路的放大倍數(shù)比較大，則只要輸出電壓產(chǎn)生一點微小的變化，即能引起調(diào)整管的基極電壓發(fā)生較大的變化，提高了穩(wěn)壓效果。因此，放大倍數(shù)越大，則輸出電壓的穩(wěn)定性越高。 ? ? 基準電壓由穩(wěn)壓管 VDz提供，接到放大電路的同相輸人端。采樣電壓與基準電壓進行比較后，再將二者的差值進行放大。電阻 R的作用是保證VDz有一個合適的工作電流。 ? ? 調(diào)整管 VT接在輸人直流電壓 U。和輸出端的負載電阻 RL之間，若輸出電壓 Uo由于電網(wǎng)電壓或負載電流等的變化而發(fā)生波動時，其變化量經(jīng)采樣、比較、放大后送到調(diào)整管的基極，使調(diào)整管的集一射電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化，最終調(diào)整輸出電壓使之基本保持穩(wěn)定。 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。 ? 穩(wěn)壓過程可簡明表示如下： ? 反之亦然。 ? 在要求高的穩(wěn)壓電路，其參考穩(wěn)壓源要采用精密穩(wěn)壓源。 影響穩(wěn)壓性能的因素 ? 如果運算放大器 A的同相端作為輸入端，反相端作為反饋信號輸入端， Uo作為輸出端，該系統(tǒng)實際上就是一個直流電壓負反饋電路。因此對輸出電壓 Uo有穩(wěn)定的作用，其穩(wěn)定度提高了 倍。使紋波及外部的干擾信號減小了 倍。這就是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓的實質(zhì)所在。 ? 由此可見，要提高該系統(tǒng)的穩(wěn)壓性能，一是提高運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù) A； ? 二是提高反饋系數(shù) 的數(shù)值。 ? 上述分析未考慮參考源的影響。實際上參考電壓 Uz是由穩(wěn)壓二極管 VDz提供的。穩(wěn)壓二極管 VDz會產(chǎn)生噪聲，它的溫度系數(shù)一般不為零，它輸出的電壓含有紋波成分，這些均會影響穩(wěn)壓時的性能指標。假設(shè) VDz因某種原因有一個電壓波動，其值為△ Uz，則引起輸出電壓的波動為 三、三端集成穩(wěn)壓器 ? 三端集成穩(wěn)壓器，芯片只引出三個端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需外接元件，而且內(nèi)部有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，使用十分安全、方便。 1．三端集成穩(wěn)壓器的組成 ? 三端集成穩(wěn)壓器的組成如圖所示。電路內(nèi)部實際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分，另外，加上了保護電路和啟動電路。在 ，已將三種保護電路集成在芯片內(nèi)部，它們是限流保護電路、過熱保護電路和過壓保護電路。啟動電路的作用是在剛接通直流輸人電壓時，使調(diào)整管、放大器和基準電源等建立起各自的工作電流，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作時啟動電路被斷開，以免影響穩(wěn)壓電路的性能。 ? 三端集成穩(wěn)壓器分固定式、可調(diào)式兩大類，其分類詳見表 端集成穩(wěn)壓器的產(chǎn)品分類 ? ①冠以 CW的為國標產(chǎn)品。 ? ② LM(美國 NSC公司）， 181。A(美國仙童公司）， TA（日本東芝 ),CPC(日本 NEC), HA（日立 ),MC(美國摩托羅拉公司）， L（意法 SGSTHOMSON公司）。 ? ③國產(chǎn)型號只有 5V,6V,9V,12V,15V,18V和 247V等 7種規(guī)格。 ? 美國仙童公司于 20世紀 70年代首先推出 181。A7800系列和 181。A7900系列三端固定式集成穩(wěn)壓器。這種穩(wěn)壓器只有輸入端、輸出端和公共端三個引出端。三端集成穩(wěn)壓器的問世，是電源集成電路的一大革命。它極大地簡化了電源的設(shè)計與使用，并具有較完善的過流、過壓和過熱保護功能，能以最簡方式接入電路。目前 ,7800、7900系列已成為世界通用系列。三端固定式集成穩(wěn)壓器分正壓輸出 (7800系列）、負壓輸出 (7900系列）兩大類。最大輸出電流有8種規(guī)格 :0. lA(78L00系列） ,0. 25A(78DL00系列） ,0. 3A(78N00系列） ,0. 5A(78M00系列）、 1. 5A(7800系列）、 3A(78T00系列）、 5A(78H00系列）、 l0A(78P00系列）。 ? 三端固定式集成穩(wěn)壓器使用方便，不需作任何調(diào)整，外圍電路簡單、工作安全可靠，適于制作通用型標稱值電壓的穩(wěn)壓電源。其缺點是電壓不能調(diào)整，不能直接獲得非標稱電壓（如 7. 5V, 13V等），輸出電壓的穩(wěn)定度還不夠高。 ? 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器是 20世紀 80年代初發(fā)展起來的，它既保留了三端固定式穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，又克服了其電壓不可調(diào)整的缺點，并且在電壓穩(wěn)定度上比前者提高了一個數(shù)量級（電壓調(diào)整率達到 ％），輸出電壓的調(diào)整范圍一般為～ 37V。這類產(chǎn)品被譽為第二代三端集成穩(wěn)壓器，最適合制作實驗室電源及多種供電方式的直流電源。 ? 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器也分正、負壓輸出兩種。它們還可作懸浮式集成穩(wěn)壓器使用，獲得 100～200V的高壓輸出。需要指出，如果把調(diào)整元件換成固定電阻，三端可調(diào)式就變成三端固定式，此時其性能指標仍遠優(yōu)于三端固定式集成穩(wěn)壓器。 ? 兩類產(chǎn)品均屬于串聯(lián)調(diào)整式，即內(nèi)部調(diào)整管與負載相串聯(lián)，而且調(diào)整管工作在線性區(qū)域，故也稱作線性集成穩(wěn)壓器。其共同優(yōu)點是穩(wěn)壓性能好，輸出紋波電壓小，成本低。主要缺點是內(nèi)部調(diào)整管的壓降大、功耗大、穩(wěn)壓電源的效率較低，一般只有45％左右。 3. 三端集成穩(wěn)壓器的外形及電路符號 ? W7800系列和 W78M00系列固定正輸出三端集成穩(wěn)壓器的外形有兩種：一種是金屬菱形式；另一種是塑料直插式，分別如圖所示。 W7900系列和W79M00系列固定負輸出三端集成穩(wěn)壓器的外形與前者相同，但是引腳有所不同。 3. 三端集成穩(wěn)壓器的外形及電路符號 ? W7800系列和 W7900系列三端集成穩(wěn)壓器的引腳列于下表中。 W7800系列和 W7900系列 三端集成穩(wěn)壓器的電路符號分別如圖所示 （ a） W7800系列 （ b） W7900系列 圖 W7800系列和 W7900系列三端集成穩(wěn)壓器的電路符號 ? 1)基本電路 ? 圖 ? 若輸出電壓比較高，應(yīng)在輸人端與輸出端之間跨接一個保護二極管 VD，如圖 。其作用是在輸人端短路時，使 Co通過二極管放電，以便保護集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。 ? 輸入直流電壓 Ui的值應(yīng)至少比輸出電壓 Uo高 2V。 2)擴大輸出電流 ? 三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流有一定限制，如 1. 5A,0. 5A或 ，如果希望在此基礎(chǔ)上進一步擴大輸出電流，則可以通過外接大功率三極管的方法實現(xiàn)，電路接法如圖 。 ? 圖 2)擴大輸出電流 ? 負載所需的大電流由大功率三極管 VT提供，而三極管的基極由三端集成穩(wěn)壓器驅(qū)動。電路中接入一個二極管 VD，用以補償三極管的發(fā)射結(jié)電壓 UBE，使電路的輸出電壓 Uo基本上等于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓 Uo。只要適當(dāng)選擇二極管的型號，并通過調(diào)節(jié)電阻 R的阻值以改變流過二極管的電流，即可得到UD、 UBE， ? 同時，接入二極管 VD也補償了溫度對三極管 UBE的影響，使輸出電壓比較穩(wěn)定。 ? 電容 C2的作用是濾掉二極管 VD兩端的脈動電壓，以減小輸出電壓的脈動成分。 3)輸出電壓可調(diào) ? W7800系列和 W7900系列均為固定輸出的三端集成穩(wěn)壓器，如果希望得到可調(diào)的輸出電壓，可以選用可調(diào)輸出的集成穩(wěn)壓器，也可以將固定輸出集成穩(wěn)壓器接成如圖 。 4)正、負輸出的穩(wěn)壓電源 ? 正、負輸出的穩(wěn)壓電源能同時輸出兩組數(shù)值相同、極性相反的恒定電壓，如圖 。 基準電壓源 ? 基準電壓源是一種用來作為電壓標準的高穩(wěn)定度的電壓源。目前，它已被廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀器和測試系統(tǒng)中，是一種頗有發(fā)展前景的新型特種電源集成電路。本節(jié)首先對國內(nèi)外生產(chǎn)的各種基準電壓源進行分類，然后重點介紹兩種基準電壓源典型產(chǎn)品的應(yīng)用技巧。 一、基準電壓源的特點與產(chǎn)品分類 ? ? 基準電壓源的特點可概括為 4個字：穩(wěn)、準、簡、便。 ? “穩(wěn)”，是指電壓穩(wěn)定度高，不受環(huán)境溫度變化的影響。 ? “準”，是指能通過外部元件（如精密多圈電位器）作精細調(diào)整，獲得高準確度的基準電壓值 VREF。 ? “簡”，意為外圍電路非常簡單，僅用個別電阻元件。 ? “便”，則是指使用方便、靈活。 一、基準電壓源的特點與產(chǎn)品分類 ? 衡量基準電壓源質(zhì)量等級的關(guān)鍵性技術(shù)指標是電壓溫度系數(shù) αT，它表示由于溫度變化而引起輸出電壓的漂移量，故簡稱溫漂。其單位是 106/℃（通常用 ppm/℃ 表示， lppm = 106）。相比之下，集成穩(wěn)壓器或穩(wěn)壓二極管的溫漂要大得多，電壓溫度系數(shù)的單位也變成 102／ ℃ （即％／ ℃ ），是無法與基準電壓源相比較的。此外，線性集成穩(wěn)壓器均采用串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電路，能輸出較大的電流，而基準電壓源則屬于并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，它僅適合于作電壓源使用，不能進行功率輸出。 ? 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的基準電壓源多達上百種，電壓溫度系數(shù)一般為 ( 100) 106/℃ 。根據(jù)不同產(chǎn)品 α T值的大小，大致可劃分成三類：