基于串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源的分析與研究

武峭山

（大連交通大學 遼寧 大連 116028）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中經(jīng)常用直流電源供電，有些電子線路和自動控制裝置中還需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。工程技術(shù)上常采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源來實現(xiàn)穩(wěn)壓，這種電路雖然能穩(wěn)定直流電壓，但調(diào)整管（晶體三極管）是工作在放大狀態(tài)，功耗PC=UCEIC比較大，效率比較低，只有30%~40%左右。采用串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源可以解決這一問題，由于調(diào)整管工作在飽和導(dǎo)通和截止狀態(tài)，所以把調(diào)整管稱之為開關(guān)管。因開關(guān)管飽和時UCE≈0，截止時IC≈0，所以功耗比較小，效率比較高，可提高到70%~80%左右，穩(wěn)壓效果也能達到工程要求。分析和研究串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)、工作原理，可設(shè)計和制造串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源，以滿足生產(chǎn)和實驗的需要

1 電路組成

串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理電路由三大部分組成，如圖1所示。變壓器Tr，整流二極管D1~D4組成單相橋式整流電路，主要作用是將變壓器次級線圈上的單相正弦交流電壓變?yōu)槿ㄖ绷麟妷海患蛇\算放大器 A1、A2，電阻 R1~R6，電容 C1和雙向穩(wěn)壓二極管DZ1組成矩形波—三角波發(fā)生器電路，主要作用是將集成運算放大器A1輸出的矩形波電壓轉(zhuǎn)換成A2輸出的三角波電壓；晶體管T，集成運算放大器A3、A4，電感L，電容 C2，二極管 D5，穩(wěn)壓二極管 DZ2，電阻 R7~R9組成串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，主要作用是穩(wěn)定直流電壓和濾掉直流電壓中的交流分量（濾波）；P是交流電源，RL是負載電阻。

2 原理分析

整流電路部分。變壓器Tr將初級線圈上交流電源P產(chǎn)生的正弦交流電壓，變換為次級線圈上同頻率的正弦交流電壓u。在變壓器次級線圈電壓u的正半周時，變壓器次級線圈電壓上正下負，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，導(dǎo)通的二極管D1、D3正向壓降忽略（設(shè)為理想二極管），則整流電路輸出一個半波電壓Ui≈u；在變壓器次級線圈電壓u的負半周時，變壓器次級線圈電壓上負下正，二極管 D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，導(dǎo)通的二極管D2、D4正向壓降忽略（設(shè)為理想二極管），則整流電路又輸出一個半波電壓Ui≈u；在變壓器次級線圈電壓u的整個周期內(nèi)，由整流二極管D1~D4整流輸出的直流電壓Ui為全波，整流前后的電壓波形如圖2所示。

圖2 單相橋式整流電路的電壓波形Fig.2 Single phase bridge rectifier circuit voltage waveform

矩形波—三角波發(fā)生器電路部分。這部分電路中的集成運算放大器 A1， 電阻 R1、R2、R4、R5和雙向穩(wěn)壓二極管 D Z1組成了滯回比較器；集成運算放大器A2，電阻R3、R6和電容C1組成了積分電路。

電路工作穩(wěn)定后，當比較器輸出電壓uo1為－UZ（穩(wěn)壓二極管DZ1的穩(wěn)定電壓）時，應(yīng)用疊加定理可確定出A1同相輸入端的電位。

當A1的輸出端電壓uo1單獨作用，A2的輸出端電壓uo2不作用（uo2＝0，即 A2的輸出端接地）時，A1同相輸入端電位

當A2的輸出端電壓uo2單獨作用，A1的輸出端電壓uo1不作用（uo1＝0，即 A1的輸出端接地）時，A1同相入輸端電位

比較器A1的參考電壓u1-=0，要使輸出電壓uo1由－UZ變?yōu)?UZ，必須在 u1+=u1-=0 時實現(xiàn)，由（1））式得

A1、A2輸出端電壓共同作用時，A1同相輸入端電位即當uo2上升到Z時，uo1才能從－UZ變?yōu)?UZ。

同理，當比較器輸出電壓uo1為+UZ時，用疊加定理可確定出A1同相輸入端的電位是

要使比較器A1的輸出電壓uo1由+UZ變?yōu)椋璘Z，也必須在u1+=u1-=0 時實現(xiàn)，由（2）式得

即當uo2下降到-UZ時，uo1才能從+UZ變?yōu)椋璘Z。

這樣周期性地變化，A1輸出的是矩形波電壓uo1，A2輸出的是三角波電壓uo2。如圖3所示。

圖3 矩形波-三角波發(fā)生器電路的電壓波形Fig.3 Rectangular wave，triangular wave generator voltage waveform of the circuit

串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路部分。圖1中晶體管T是調(diào)整管，電感L和電容C2組成LC濾波電路，D5為續(xù)流二極管，電阻R8、R9組成采樣電路，A4為比較放大器，A3為電壓比較器，電阻R7、穩(wěn)壓二極管DZ2組成基準電壓電路。這部分電路主要起到濾波和穩(wěn)壓作用。

首先分析濾波作用。調(diào)整管T集電極上加的電壓是整流后的輸出電壓Ui，基極上加的電壓是電壓比較器A3的輸出電壓uB，波形如圖4所示。

圖 4 uo2、uB、uE和 uo 的波形Fig.4 uo2、uB、uE and uo waveform

當uB為高電平電壓時，調(diào)整管T飽和導(dǎo)通，此時晶體管發(fā)射極電壓等于二極管D5上電壓為

UCES為調(diào)整管飽和管壓降，值很小忽略，續(xù)流二極管D5承受反向電壓而截止。Ui經(jīng)LC濾波器濾波后向負載電阻RL供電，同時向電容器C2充電，輸出電壓uo基本平滑。

當uB為低電平電壓時，調(diào)整管T截止，整流電路與濾波電路斷開，電感電流iL方向不變，流經(jīng)負載電阻RL和續(xù)流二極管D5，同時電容C2也向負載電阻RL放電，此時輸出電壓uo也基本平滑。調(diào)整管發(fā)射極電壓為

UD為續(xù)流二極管D5的正向壓降。uB、uE和uo的波形如圖4所示。

其次分析穩(wěn)壓作用。在圖1中，從采樣電路取得采樣電壓UF與基準電壓電路提供的基準電壓UR經(jīng)比較放大器A4比較放大后，得出輸出電壓Uo3。若 UF＜UR時，Uo3為正。Uo3與三角波電壓uo2在電壓比較器A3中比較后得到調(diào)整管基極電壓uB。當Uo3＞uo2時，uB為高電平電壓，使調(diào)整管飽和導(dǎo)通；反之，uB為低電平電壓，使調(diào)整管截止。電壓Uo3、uo2的波形如圖4所示。

串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路輸出電壓的uo的平均值，在忽略電感直流電壓的情況下為調(diào)整管發(fā)射極電壓的平均值。即：

當由于輸入電壓或負載電阻變化使輸出電壓Uo發(fā)生變化（設(shè)減小）時，穩(wěn)壓過程可分析如下：

保持輸出電壓Uo基本不變，達到了穩(wěn)壓目的。

當由于輸入電壓或負載電阻變化使輸出電壓Uo發(fā)生變化（設(shè)增大）時，穩(wěn)壓過程同上式相反，即

同樣保持輸出電壓Uo基本不變，達到了穩(wěn)壓目的。

3 結(jié) 論

以上利用模擬電子技術(shù)基本理論，闡述了串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路的組成。通過單元分析法對串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路原理進行了分析與研究。得出結(jié)論是：串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源可將交流電轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電，穩(wěn)壓效果好，工作效率高。穩(wěn)壓的控制方式是通過改變調(diào)整管基極電壓的占空比來實現(xiàn)的。這種穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕，功耗低，穩(wěn)壓范圍寬，功率從幾十瓦到幾千瓦，可為不同需要的電子設(shè)備提供直流電源。分析和研究串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)與原理對于指導(dǎo)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計和生產(chǎn)具有實際意義。

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