模电基础 - 直流电源

发布于:2024-07-11 ⋅ 阅读:(28) ⋅ 点赞:(0)

目录

一. 简介

二. 直流电的组成和作用

三. 整流电路

四. 滤波电路

五. 稳压管稳压电路

六. 串联型稳压电路

七. 三端稳压器的应用


一. 简介

在模电基础中,直流电源是为电子电路提供稳定直流电压的重要部分。

直流电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

电源变压器的作用是将市电交流电压变换为符合整流电路要求的交流电压。它可以实现降压或升压,使输入电压适应后续电路的需求。

整流电路将交流电压转换为单向脉动的直流电压。常见的整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流等。半波整流电路结构简单,但效率较低;全波整流和桥式整流效率较高,输出电压脉动较小。

滤波电路用于减少整流输出电压中的脉动成分,使电压变得更加平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波。电容滤波电路简单,成本低,在负载电流较小的情况下效果较好;电感滤波适用于负载电流较大的场合,但体积较大、成本较高。

稳压电路的作用是在电网电压波动或负载变化时,保持输出直流电压的稳定。常见的稳压电路有串联型稳压电路、三端集成稳压器等。串联型稳压电路通过调整管和取样、基准、比较放大等环节实现稳压;三端集成稳压器则具有使用方便、性能稳定等优点。

直流电源在电子设备中广泛应用,为各种电路和器件提供稳定可靠的直流工作电压,保证电子设备的正常运行。

二. 直流电的组成和作用

直流电源通常由以下四个主要部分组成,每个部分都有其独特的作用:

  1. 电源变压器:

    • 作用:将市电的交流电压(通常为 220V)变换为适合后续电路处理的交流电压。通过改变变压器的匝数比,可以实现降压或升压,以满足整流电路对输入电压的要求。例如,将 220V 市电降压为几十伏的交流电压。
  2. 整流电路:

    • 作用:把电源变压器输出的交流电压转换为单向脉动的直流电压。常见的整流电路如半波整流、全波整流和桥式整流,其目的是将交流的正负半周进行处理,只保留一个方向的电压。
  3. 滤波电路:

    • 作用:降低整流输出电压中的脉动成分,使输出电压更加平滑。滤波电路通常由电容、电感等元件组成。电容滤波利用电容的充放电特性,在负载上得到相对平滑的直流电压;电感滤波则通过电感对电流变化的阻碍作用来减少电压的脉动。
  4. 稳压电路:

    • 作用:当电网电压波动或负载电阻发生变化时,保持输出直流电压的稳定。这对于为电子设备提供稳定可靠的工作电压至关重要。常见的稳压电路能够通过自动调整元件的工作状态,来补偿输入电压或负载变化对输出电压的影响。

三. 整流电路

整流电路是将交流电压转换为直流电压的电路。

常见的整流电路主要有以下几种:

  1. 半波整流电路:

    • 电路结构:由一个二极管和负载电阻组成。
    • 工作原理:在交流输入电压的正半周,二极管导通,电流流过负载电阻,产生输出电压;在负半周,二极管截止,负载电阻中没有电流,输出电压为零。
    • 优点:电路简单,成本低。
    • 缺点:输出电压脉动大,电源利用率低,只有半个周期的电能得到利用。
  2. 全波整流电路:

    • 电路结构:需要中心抽头的变压器和两个二极管。
    • 工作原理:在交流输入电压的正、负半周,变压器二次绕组的两个半部分分别向负载供电,使得负载在整个周期内都有电流通过。
    • 优点:输出电压脉动较小,电源利用率提高。
    • 缺点:需要中心抽头的变压器,电路相对复杂一些。
  3. 桥式整流电路:

    • 电路结构:由四个二极管组成电桥形式。
    • 工作原理:无论输入交流电压的极性如何,总有两个二极管导通,另两个二极管截止,使得负载上始终得到同一方向的电流。
    • 优点:无需中心抽头的变压器,变压器利用率高,输出电压脉动较小,应用广泛。

整流电路的主要性能指标包括输出直流电压的平均值、脉动系数等。在实际应用中,根据不同的需求和条件选择合适的整流电路。

四. 滤波电路

滤波电路的主要作用是减少整流电路输出电压中的脉动成分,使输出电压变得更加平滑。常见的滤波电路有以下几种:

  1. 电容滤波电路:

    • 电路结构:在整流电路的输出端并联一个较大容量的电容。
    • 工作原理:在电源接通瞬间,电容充电,充电电流较大。当电源电压达到峰值后开始下降,电容通过负载电阻放电,由于放电时间常数较大,放电速度较慢,使得输出电压在一段时间内保持较高的值。随着交流电源周期性变化,电容不断进行充放电,从而平滑了输出电压。
    • 特点:电路简单,成本低,适用于负载电流较小且变化不大的场合。但输出电压受负载电阻和电容容量的影响较大。
  2. 电感滤波电路:

    • 电路结构:在整流电路的输出端串联一个电感。
    • 工作原理:电感对电流的变化有阻碍作用,当电流增大时,电感产生自感电动势阻碍电流增大;当电流减小时,电感产生的自感电动势阻碍电流减小。从而使流过负载的电流变得平滑,减少了电压的脉动。
    • 特点:滤波效果较好,适用于负载电流较大的场合,但体积大、成本高。
  3. 复式滤波电路:

    • 常见的有 LC 滤波电路(电感和电容组成)、π 型滤波电路(由一个电容、一个电感和一个电容依次连接组成)等。
    • 工作原理:结合了电感滤波和电容滤波的优点,进一步减少电压脉动。
    • 特点:滤波效果好,但电路相对复杂,成本较高。

在实际应用中,根据负载的要求和成本等因素,选择合适的滤波电路来满足对直流电源质量的需求。

五. 稳压管稳压电路

稳压管稳压电路是一种简单的直流稳压电路。

电路结构通常包括限流电阻和稳压管。

工作原理如下:当输入电压发生变化或负载电阻发生变化时,引起输出电压变化。若输出电压升高,通过稳压管的电流增大,限流电阻上的压降增大,从而使输出电压降低;若输出电压降低,通过稳压管的电流减小,限流电阻上的压降减小,使得输出电压升高。这样,在一定范围内能保持输出电压基本稳定。

其优点是电路简单,成本低;缺点是输出电流较小,输出电压不可调节,稳压精度不高,适用于对稳压性能要求不高、负载电流变化不大的小功率场合。

在设计稳压管稳压电路时,需要合理选择稳压管和限流电阻的参数,以确保电路在正常工作范围内能够有效地稳定输出电压。

六. 串联型稳压电路

稳压管稳压电路是一种简单的直流稳压电路。

电路结构通常包括限流电阻和稳压管。

工作原理如下:当输入电压发生变化或负载电阻发生变化时,引起输出电压变化。若输出电压升高,通过稳压管的电流增大,限流电阻上的压降增大,从而使输出电压降低;若输出电压降低,通过稳压管的电流减小,限流电阻上的压降减小,使得输出电压升高。这样,在一定范围内能保持输出电压基本稳定。

其优点是电路简单,成本低;缺点是输出电流较小,输出电压不可调节,稳压精度不高,适用于对稳压性能要求不高、负载电流变化不大的小功率场合。

在设计稳压管稳压电路时,需要合理选择稳压管和限流电阻的参数,以确保电路在正常工作范围内能够有效地稳定输出电压。

七. 三端稳压器的应用

三端稳压器是一种使用方便、性能稳定的集成稳压电路,在电子电路中有着广泛的应用。

以下是一些常见的应用场景:

  1. 电源供应:将不稳定的直流输入电压转换为稳定的输出电压,为各种电子设备如单片机系统、传感器、放大器等提供稳定的电源。

  2. 电池供电设备:在使用电池供电的设备中,电池电压会随着使用时间而下降,三端稳压器可确保设备在电池电压变化范围内仍能正常工作。

  3. 数字电路:为逻辑门、微控制器、存储器等数字集成电路提供稳定的电源,保证其正常运行和数据的准确性。

  4. 模拟电路:为放大器、滤波器、比较器等模拟电路提供稳定的电源,以获得准确和可靠的性能。

  5. 通信设备:在手机、无线模块、路由器等通信设备中,确保各个部分得到稳定的电压,保障通信质量。

  6. 工业控制:在工业控制系统中的传感器、变送器、控制器等设备中提供稳定的电源,增强系统的可靠性和稳定性。

以常见的 78XX 系列(正电压输出)和 79XX 系列(负电压输出)三端稳压器为例,使用时通常需要在输入和输出端连接适当的滤波电容,以进一步减小电压纹波和提高瞬态响应。

例如,在为一个 5V 供电的单片机系统设计电源时,可以使用 7805 三端稳压器,将 7 - 12V 的直流输入电压稳定为 5V 输出。

总之,三端稳压器在各种电子设备和电路中发挥着重要作用,能够有效地提高电源的稳定性和可靠性。