【文章內(nèi)容簡介】 負(fù)載電流。 另外還有以γ的倒數(shù)S為標(biāo)準(zhǔn)，稱S＝1/γ為穩(wěn)定系數(shù)的。 2 等效電阻 又稱為動態(tài)電阻，是包括整流、濾波和穩(wěn)壓在內(nèi)的等效電阻。當(dāng)保持不變時，輸出電壓增量與輸出電流增量之比稱為等效內(nèi)阻：（＝額定值） （26） 上式中，為正值，由于電流增加（增量為正）時其兩端電壓受內(nèi)阻影響要下降（增量為負(fù)），故上式中加了個“－”號，使得為正值。通常穩(wěn)壓器在額定范圍內(nèi)使用時。 3 紋波電壓 紋波電壓就是疊加在輸出直流電壓上的交流電壓分量，通常經(jīng)濾波及穩(wěn)壓后，它的數(shù)值在幾毫伏以內(nèi)，以不影響電子設(shè)備工作為準(zhǔn)?？捎靡粋€容量較大的電容器與交流毫伏表串聯(lián)進行測量，此電容是隔直流用的[8]。 穩(wěn)壓管基本應(yīng)用電路硅穩(wěn)壓管也稱為齊納二極管，其伏安特性如圖所示。從伏安特性可以看到，當(dāng)流過穩(wěn)壓管的電流在一個較大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不變。穩(wěn)壓管的這一特性將穩(wěn)壓管和負(fù)載并聯(lián)，若能保證穩(wěn)壓管中的電流在一定范圍內(nèi)，則負(fù)載電壓就能在一定程度上得到穩(wěn)定，因此，穩(wěn)壓電路的關(guān)鍵就是限定穩(wěn)壓管中的電流。因為如果工作電流太小，則電壓隨電流的變化很大，達(dá)不到穩(wěn)壓的目的；但工作電流也不能太大，以免超過管子的額定功率，造成損壞。小功率穩(wěn)壓管的工作電流大致幾毫安至幾十毫安，大功率的穩(wěn)壓管可到幾安培到十幾安培。 圖212是由穩(wěn)壓管構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路：圖212 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電路中，R決定了向穩(wěn)壓管和負(fù)載輸送電流的總量，起著限流和調(diào)壓的作用，穩(wěn)壓管起著調(diào)節(jié)電流的作用。如負(fù)載減小，要求更多的電流流過時，通過穩(wěn)壓管的電流將隨之減小，使基本不變，以保證輸出電壓基本不變。如果不變，但輸入電壓由于電網(wǎng)電壓或元件參數(shù)改變而增加時，則將增加，此時也隨之增加，保證基本不變，即基本不變。如果和都變化，則將綜合二者的變化加以調(diào)整，只要的變化在它的允許的工作范圍之內(nèi)，就能保證起到較好的穩(wěn)壓作用。 其穩(wěn)壓過程簡述如下：若電壓升高，而負(fù)載不變，則電壓降低，而負(fù)載不變，則而負(fù)載不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反。 若負(fù)載電阻減小（負(fù)載電流增大），而輸入電壓不變，則若負(fù)載電阻增大，而數(shù)輸入電壓不變，則穩(wěn)壓過程與上訴相反?；痉€(wěn)壓電路中限流電阻R的選用非常重要，若R選的太大，則供應(yīng)電流不足，當(dāng)較大時，穩(wěn)壓管的電流將減小到臨界值以下，失去穩(wěn)壓作用；若R選的太小，則當(dāng)變到很大或開路時，都流向穩(wěn)壓管，可能超過允許定額而造成損壞。為此，要合理需用R。 設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為，最大工作電流為，最小工作電流為；市電電壓最高時的整流輸出電壓為，最低時為；負(fù)載電流的最小值為，開路時為0，最大值為。要使穩(wěn)壓管能正常工作，必須滿足下列條件。1 當(dāng)市電電壓最高和負(fù)載電流為0，即負(fù)載開路時，應(yīng)不超過允許最大值，既限流電阻R的最小值應(yīng)滿足： （27）2 當(dāng)市電電壓最低和負(fù)載電流最大時，應(yīng)不低于允許最小值，即： （28）如上兩式不能同時滿足，則說明在給定條件下已超過穩(wěn)壓管的工作范圍，需限制變化范圍或選用較大功率的穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有線路簡單，調(diào)試方便等優(yōu)點，但輸出電流受穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流的限制，而且輸出電壓又不能任意調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能不高，只適用于輸出電流小，負(fù)載變動不到和穩(wěn)定性能要求不高的場合，或作為輔助穩(wěn)壓源。若負(fù)載經(jīng)常變動，要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，穩(wěn)定性能好，就要采用晶體管穩(wěn)壓源。 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路比穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路要復(fù)雜的多，它是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。所以必須具有執(zhí)行元件和反饋支路。一般情況下，它包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源及誤差比較放大器等主要部分。調(diào)整管是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其余部分都是反饋控制支路所必需的，原理框圖如圖213所示。從框圖上可以看出輸入電壓經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)之后，變成穩(wěn)定的輸出電壓。 圖213 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路框圖取樣電路和基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較后的誤差信號送放大器，增強反饋控制效果，因為取樣得來得是電壓信號，所以這種電壓源實際上是一個以電壓為調(diào)節(jié)對象得自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中，為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)時的電壓傳遞函數(shù)，也就是系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)壓系數(shù)；為執(zhí)行機構(gòu)在系統(tǒng)閉環(huán)時的電壓傳遞函數(shù)，也就是調(diào)整管電路的電壓放大倍數(shù)；K時誤差放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)；n為取樣電路的電壓傳遞系數(shù)，也就是取樣分壓器的分壓比。根據(jù)調(diào)節(jié)原理可知，該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)函數(shù)為： （29）由此可知，無論輸入電壓波動還是負(fù)載變化對輸出電壓的影響，反饋系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)的1/（1+*K*n）倍，更具體點說，就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等主要技術(shù)性能方面，都是以硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源為代表的參數(shù)型穩(wěn)壓電源的（1+*K*n）倍，這就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源比參數(shù)型穩(wěn)壓電源應(yīng)用得更普遍得主要原因。 圖214 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)模式串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓原理是調(diào)整元件的動態(tài)電阻是隨著輸出電壓的變化而自動改變的。其優(yōu)點是，輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制而且各項技術(shù)指標(biāo)可以做的很高。其缺點是線路比較復(fù)雜，過載能力差，順時過載會使調(diào)整元件損壞，需要過載保護。因此，串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源廣泛用在負(fù)載變動較大，穩(wěn)壓性能要求較高，輸出電壓可調(diào)等場合。由以前學(xué)習(xí)的晶體管工作原理時已經(jīng)知道，工作在放大區(qū)的晶體管，它的集—射極之間的電壓和集電極電流隨基極電流的變化而變化。當(dāng)基極電流增加時，將減小，將增大，這相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間的電阻減??；而當(dāng)基極電流減小時，將增大，將減小，這就相當(dāng)于晶體管集電極與發(fā)射極之間所呈現(xiàn)的電阻增大。由此可見，在線性放大區(qū)工作的晶體管，在基極電流的控制下，集—射極之間的電阻時可以改變的。所以，晶體管完全可以充當(dāng)串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中的調(diào)整元件，稱為調(diào)整管。用晶體管作調(diào)整管的串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源，它是串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最普遍、最有代表性的一種。（1）簡單的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 圖215是一個最簡單的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路。晶體管VT做調(diào)整元件，VD做基準(zhǔn)電壓源，它給晶體管發(fā)射結(jié)提供一個固定的偏壓使其能正常工作。當(dāng)負(fù)載變小或輸入電壓變大，使得負(fù)載兩端的輸出電壓增大時，由于基準(zhǔn)電壓不變，所以晶體管的基極電位也不變，那么集—射極電壓（＝－）將減小，從而減小，管壓降增大，使輸出電壓＝－減少，抵消了由于電網(wǎng)電壓增加或負(fù)載減小引起的的增加，使輸出電壓保持基本不變。如果當(dāng)輸入電壓減小或負(fù)載增大，使得輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程與上述正好相反。 圖215 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路從上邊的穩(wěn)壓過程可以看出，當(dāng)輸入電壓增大或負(fù)載變小時，這種穩(wěn)壓電路是通過輸出電壓的變化反過來控制調(diào)整管VT的管壓降，從而使輸出電壓保持不變，以達(dá)到自動穩(wěn)壓的作用，這實際是一種負(fù)反饋，所以這種電路叫做串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路。 該電路存在兩個問題：其一，該電路是用輸出電壓的變化部分直接去控制調(diào)整管的基極，故控制作用小，穩(wěn)壓性能較差；其二，輸出電壓固定不可調(diào)。（2） 帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路 簡單的反饋型晶體管穩(wěn)壓電路，是直接利用輸出電壓的變化量來控制調(diào)整管的電壓變化的所以其靈敏度和電壓穩(wěn)定性都不夠理想。采用帶放大器的穩(wěn)壓電路，可以彌補這些不足。，圖中VT1是調(diào)整管，接成射極輸出器的形式，負(fù)載電阻是它的射極電阻。RR2與并聯(lián)組成分壓器，起到取出輸出電壓的作用，叫做取樣電路。VD是硅穩(wěn)壓二極管，它與限流電阻R3一起組成基準(zhǔn)電壓源。VT2是比較放大器，R4是它的集電極電阻，同時也是管的偏流電阻。晶體管把從取樣電路送來的輸出電壓上升或下降的變化信號與基準(zhǔn)電壓相比較，并把比較結(jié)果產(chǎn)生的差值電壓（或者叫做誤差電壓）加以放大，以此來控制調(diào)整管的管壓降，從而使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。因為放大器的作用，很小的輸出電壓的變化，反應(yīng)到調(diào)整管上就有比較大的變化，大大提高了調(diào)整管的靈敏度，提高的輸出電壓的穩(wěn)定性。 圖216 帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路當(dāng)輸入電壓下降或負(fù)載增大時，輸出電壓減小，取樣電壓相應(yīng)的減小，管基極電位也隨之減小，因為硅穩(wěn)壓管兩端的電壓基準(zhǔn)不變所以管的基—射極之間的電壓＝（）減小，于是管的集電極電流減小，R4兩端的壓降變小，迫使調(diào)整管的基—射極間的電壓＝（）增大，增大，管的壓降下降，結(jié)果使得輸出電壓＝（）上升，從而使輸出電壓基本恢復(fù)到原來的數(shù)值。同理，當(dāng)輸入電壓上升或負(fù)載變小時，升高，當(dāng)經(jīng)過反饋調(diào)整作用又會使下降，從而使輸出電壓基本保持不變。為了提高串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能，使用方便，在實用的穩(wěn)壓電源中有許多改進電路： 1 采用輔助電源提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓發(fā)生跳變而反饋電壓來不及調(diào)整時，輸出電壓同樣會發(fā)生跳變，為此，采用輔助電源，使得穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善。 2 比較放大器采用恒流源負(fù)載提高穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性 在串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中，比較放大器的增益越大，穩(wěn)壓性能就越好。，為了提高放大器的增益，R4的值盡可能選大些，但又不能選的太大，故可采用恒流源代替電阻R4。在恒流源的情況下，對交變電壓能產(chǎn)生很大的動態(tài)電阻，使得比較放大器有很大的電壓增益，從而提高了穩(wěn)壓性能。 3 采用兩級直流放大器提高電路的穩(wěn)定性 提高比較放大器電壓增益的另一個方法是增大放大器的級數(shù)，在高穩(wěn)定性電壓電路中常采用這種方法。但多級直流放大器的設(shè)計和制造比較困難，很容易產(chǎn)生自激振蕩，而破壞了穩(wěn)壓器的工作。在實際電路中，多用兩級放大，總放大倍數(shù)可達(dá)幾百倍。 4 采用電阻補償提高穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性 當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，一般的串連反饋型晶體管穩(wěn)壓電源不可能使輸出電壓十分穩(wěn)定，只是因為它正是利用輸出電壓的變化來調(diào)節(jié)的。但若采用電阻補償，在調(diào)整合適的時候，可以使輸出電壓穩(wěn)定不變。用輸入電壓的變化來進行補償，將輸入電壓通過一個電阻直接加到取樣電路上，這樣，取樣時能得到更大的變化量，加強了穩(wěn)壓性能，使輸出電壓更加穩(wěn)定。 5 采用差動放大器比較放大減小穩(wěn)壓電源的溫度漂移 前面介紹的穩(wěn)壓電路，電路簡單，但溫度穩(wěn)定性差，利用差動放大器作比較放大級，可以克服這個缺點。 6 基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)壓管恒流供電 提高穩(wěn)壓電路穩(wěn)定性和溫度特性 穩(wěn)壓管的主要特點是流過它的電流在很大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓變化很小。如果能使穩(wěn)壓管的工作電流保持不變，穩(wěn)壓管兩端的電壓會更加穩(wěn)定。采用恒流源為穩(wěn)壓管提供工作電流的基準(zhǔn)電壓源，穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性及溫度特性將會得到大大的提高。 7 串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電流輸出電流擴大方法 在帶有放大器的串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與放大管電流分配情況是：放大管一般在小電流狀態(tài)下工作，具體點說，＝1mA量級，這樣的集電極電阻R4才可以取較大的數(shù)值，以提高放大倍數(shù)。因此，調(diào)整管的基極電流必然很小（）。因為穩(wěn)壓電路的輸出電流就是調(diào)整管的集電極電流，即＝＝，最大只能達(dá)幾百毫安。因此，大電流穩(wěn)壓電源必須采用復(fù)合調(diào)整管或并聯(lián)調(diào)整管。 8 擴大串聯(lián)反饋型晶體管穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍 為了擴大穩(wěn)壓電源的使用范圍，常常要求穩(wěn)壓電源能夠在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，有的甚至要求從零伏起調(diào)。 改變?nèi)酉禂?shù)，即改變?nèi)与娮璧谋戎?，可以調(diào)節(jié)電源的輸出電壓。在實際應(yīng)用中，在取樣電路中多串聯(lián)一只電位器，把它的中心抽頭接在放大管的基極上，改變電位器中心抽頭的位置，就能很方便的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓。但這樣也不能在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出電壓較低時，差分放大管在輸出電壓較低時會因供電不足而無法正常工作。利用輔助電源做差分放大管的供電電源，可以使調(diào)節(jié)電壓范圍變得很寬。目前流行技術(shù)是利用多刀多擲波段開關(guān)分段調(diào)節(jié)輸出電壓[10]。 以上是對直流穩(wěn)壓電源的核心技術(shù)進行的介紹。本次畢設(shè)題目是高精度程控穩(wěn)壓電源，硬件核心就是以上介紹的三個部分。首先，利用變壓器進行市電到所需電壓的轉(zhuǎn)變，在設(shè)計中采用220V～24V的變壓器，將市電電壓降低，之后采用橋式整流電路，對電壓進行整流。一方面，橋式電路使用方便簡單，另一方面，有現(xiàn)成的集成元件可用。濾波方面采用簡單的π型RC濾波電路即可。因為設(shè)計的電路比較簡單，且直流要求較強，所以選用π型RC濾波電路。穩(wěn)壓方面選用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路，在比較放大方面選用集成運方代替晶體管，使得電路更加方便，簡單，而且穩(wěn)定可靠。核心電路如圖2－17所示：圖217 核心電路圖本章主要簡單介紹了直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)成原理，對整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路都做了詳細(xì)介紹，對于每一個模塊，說明了幾種可用電路，其優(yōu)缺點，這一部分是畢設(shè)的核心內(nèi)容。并結(jié)合畢設(shè)內(nèi)容，說明了畢設(shè)所選用的設(shè)計電路。. 單片機控制電路設(shè)計 AT89S51單片機AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS 51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個 全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此