线性直流稳压电源的工作原理及电路方案设计-电路图讲解-电子技术方案

线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下时的直流稳压电源，它是一种电源变换电路，也是电子系统的重要组成部分，其功能主要是为电子电路提供它所需要的电能。电子设备通常需要电压稳定的直流电源对负载进行供电。线性稳压电源被广泛的应用于电子电路中，虽然各种新型的稳压电路结构层出不穷，但线性稳压电源却始终是无法代替的。  

一、线性直流稳压电源的工作原理1、普通电源的工作原理 

 现在随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域也变得越来越广泛，电子设备的种类也在逐渐的不断更新、不断增多，电子设备与人们日常的工作、生活的关系也是日益密切。任何的电子设备都离不开安全有效的电源，电源是一切电力电子设备的动力源，因此它被形象地称之为“电路的心脏”。现在的生活中，各种高科技产品对电源的技术性能指标的要求更是越来越高。   电源通常可以分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。直流电源又可分为两类［8］，即：一类是能直接供给直流电流或电压的，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等，；另一类是能将交流电变换成所需要的稳定的直流电流或电压的，这类变换电路统称为直流稳压电源。

 现代电子设备的电路中使用了大量的半导体器件，这些半导体一般需要几伏到几十伏的直流供电电源，以便于得到其正常工作时所必需的能源。现代电子设备中使用的直流稳压电源主要分为两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。   

 线性稳压电源亦称为直流线性稳压电源，它的稳压性能很好，而且输出纹波很小，其缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器，而且稳定效率也比较低。

开关型稳压电源按照不同分类方式可以分成多种类型。按照其输出是否调整元（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种隔离可以分为非隔离型和隔离型两类；按照开关元件的激励方式，又可以将其分成自激励和他激励两种类型；而按照电源的输入，又可分为AC/DC和DC/DC两种类型；按照开关元件的连接形式，可分成串联型和并列型两种类型。

它的优点是效率高，体积小，重量轻，但却存在着线路结构复杂、维修技术难度大等的一系列的缺点。   开关电源和线性电源的成本都随着其输出功率的增加而增长，但二者的增长速率各异。一般，当输出功率较小时，线性电源的成本相对较低。但是，当线性电源成本在某一输出功率点上时，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。   

 直流稳压电源的发展方向：智能化 、数字化、模块化、绿色化［11］。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的诞生也为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。  

线性直流稳压电源的工作原理 线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是一种电源变换电路，是电子系统的重要组成部分，其功能是为电子电路提供它所需要的电能。   

 当接入220V/50Hz的市电后，先经过变压器，将220V的交流高电压转换为低电压输出到整流桥，经过整流桥的整流作用输出脉动较大的直流电，接入到滤波电路中，再利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性， 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，最后得到平滑的输出电压。 

  线性直流稳压电源设计指标 （1） 电网调整率   它表示输入电网电压由额定值变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。一般稳压电源的电网调整率等于或小于1%、0.1%，甚至0.01%。   （2） 稳压系数   稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变时，线性直流稳压电源电路设计方案详解     

 （4） 纹波电压   1）最大纹波电压   在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值大小，通常以峰—峰值或有效值表示。   2）纹波系数γ 

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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。  

线性稳压电源原理图 

 如下图所示，可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为：   Uo=Ui&TImes;RL/（RW+RL），因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。

还要注意，我们这个图并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念----实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，或就是用了，也只是辅助方法而已。   让我们继续：如果我们用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样我们就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。   

 像图1所示的那样，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。所谓并联的意思，就是象图2中的稳压管那样，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”，也许这个图并不能让你一下子看出它是“并联”的，但细心一看，确实如此。

不过，大家在此还要注意一下：此处的稳压管，是利用它的非线性区工作的，因此，如果认为它是一个电源，它也是一个非线性电源。为了便于大家理解，回头我们找一个理适合的图来看，直到可以简明地看懂为止。   由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。想要更详细的了解线性稳压电源，请参看模拟电子线路教科书。这里我们主要是帮助大家理清这些概念以及它们之间的关系。    

 图1   一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。  

图2   稳压电源电路图（一）  

 线性直流稳压电源电路图   如图所示为一种典型的线性直流稳压电源的电路图，它由电源开关K、保险管、AC—DC适配器、集成稳压器和后级滤波器组成。当输入220V交流电且开关K闭合时，输出一个稳定的直流电压，且稳定输出在一定范围内不受220V交流电网的波动和电子电路负载轻重的影响。   整流器的作用是将降低后的工频交流电压变换为直流电压。图1.25展示了整流器的工作原理。

在交流的正半周，变压器次级上正下负，电流从正极经D1、负载和D3流回变压器的负极，这样若忽略二极管的导通电压，在负载上得到一个大小与变压器次级相同的电压波形，极性为上正下负；在交流的负半周，变压器次级上负下正，电流从正极经D2、负载和D4流回变压器的负极，这样在负载也得到一个大小与变压器次级相同的电压波形，极性与正半周一样，也为上正下负。因此在交流信号的正负半周的分别作用下，整流器均输出单极性的脉动电压，该输出的直流成份已大于零。  

稳压电源电路图（二）

 图（a）电路输出电压由电位器Rp调节，并且具有线性调节特性。  

稳压电源电路图（三） 

 上图为简单稳压电路，由限流电阻Rs和稳压二极管Dz组成。   稳压电源电路图（四）   　　   

 开关型稳压电路具有体积小、效率高的特点。线性电源的效率为30%～55稳压电路%；而开关稳压器可达60%～85%，而且可以省去工频变压器和巨大的散热器，体积和重量都大为减小。这种电路已在各种电子设备中获得广泛的应用。常用的实现开关控制的方法；有自激式开关稳压器、脉宽调制式开关稳压器和直流变换式开关稳压器等。   上图是采用直流变换器的开关稳压电路的框图。对工频电压直接整流-滤波后获得的直流电压，由开关管变为高频电压。后者经高频换流变压器变为一定的电压，再经高频整流－滤波以后给出所需的输出电压u0；开关管的工作受脉冲调制器和驱动放大器的控制。                                        

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