大话开关电源（一）——线性电源的组成与工作原理

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1.1.1 线性稳压电源的组成

线性稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其结构如图所示。

1. 电源变压器

• 功能：将来自电网的交流输入电压（例如220V, 50Hz）变换为较低的交流电压（例如9V、12V、15V等）。
• 组成：通常有两个或两个以上的绕组，其中接交流电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。
• 作用：实现电压幅度变换及电气隔离。由于电源变压器工作频率为50Hz或60Hz，因此体积较大，比较笨重。

2. 整流电路

• 功能：将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。
• 组成：通常选用由4只二极管组成的桥式整流器件，简称整流桥。
• 特点：整流电路输出的脉动直流电压含有很大的交流成分，不能直接供电子电路使用，因此需要滤波电路。

3. 滤波电路

• 功能：滤除脉动直流电压中大部分的交流成分，使其变成比较平滑的直流电压。
• 组成：在中小功率线性电源中，通常采用电容滤波电路，将滤波电容直接并联在整流电路的输出端即可。
• 特点：尽管滤波后的直流电压比较平滑，但仍有一定的纹波电压。当电网的交流电压或者电源的负载电流变化时，滤波后的直流电压也将发生变化。

4. 稳压电路

• 功能：在电网电压、负载电流、环境温度等发生变化时，自动调节电路参数，使电源的输出电压保持恒定，并将输出电压的纹波降低到很小的数值。
• 核心部分：稳压电路是稳压电源的核心部分。

1.1.2 线性稳压电源的工作原理

线性稳压电源的稳压电路结构与等效电路如图所示，其中图(a)为结构框图，图(b)为等效电路。

组成部分

• VT：调整管，等效为可变电阻R。
• VDz：稳压二极管，用于产生基准电压（UREF）。
• R₂和R₃：取样电阻，用来检测输出电压（Uo）并分压产生反馈电压（UF）。
• EA：误差放大器，将反馈电压（UF）与基准电压（UREF）进行比较放大，从而控制调整管的导通情况。
• Rl：负载电阻。

工作原理

1. 负载电流增加导致输出电压Uo降低：
   • 反馈电压UF也随之降低。
   • 误差放大器EA将反馈电压UF与基准电压UREF进行比较放大，其输出电压Uc升高。
   • 调整管VT的基极电流增大，等效电阻R减小，引起输出电压Uo回升，最终使输出电压Uo保持稳定值。
2. 输入电压U1升高：
   • 由于R与R1串联，如果R为固定电阻，必然使输出电压Uo也跟着升高。
   • 但是，这里的R是由调整管VT等效的可变电阻，当电路检测到Uo升高时，会自动控制调整管VT的导通情况，使等效的电阻R变大，从而使输出电压Uo保持不变。

比喻：水管系统

电源变压器

比喻：水塔

• 功能：将水源（电网的交流电压）储存并提供较低压力的水（较低的交流电压）。
• 作用：改变水压并确保与水源隔离。

整流电路

比喻：单向阀

• 功能：将双向流动的水（正负交替的交流电）转换成单向流动的水（单向的脉动直流电）。
• 作用：允许水只向一个方向流动，防止反向流动。

滤波电路

比喻：沉淀池

• 功能：过滤掉水中的杂质（脉动直流电压中的交流成分），使水变得更干净（平滑的直流电压）。
• 作用：通过沉淀和过滤，使水更加纯净。

稳压电路

比喻：智能水阀系统

• 功能：根据水压变化（电网电压、负载电流、环境温度变化）自动调节水流量（电路参数），保持水压恒定（输出电压恒定）。
• 组成：调整管（可变阀门）、稳压二极管（基准水压传感器）、取样电阻（检测水压传感器）、误差放大器（控制系统）。
• 工作原理：当水压变化时，智能水阀系统会检测到并自动调节阀门开度，确保输出水压保持稳定。

工作原理的比喻

1. 负载水流增加导致水压降低：
   • 水压传感器检测到水压降低（反馈电压降低）。
   • 控制系统将当前水压与基准水压比较，输出调整信号（误差放大器输出电压升高）。
   • 阀门开度增大（调整管基极电流增大），使更多的水流出（等效电阻减小），恢复水压到稳定值（输出电压保持稳定）。
2. 输入水压升高：
   • 如果阀门固定，水压会随之升高（R为固定电阻，输出电压升高）。
   • 但是，智能阀门会根据检测到的水压自动调节，减少阀门开度（调整管等效电阻变大），使水压保持稳定（输出电压保持不变）。

通过这个水管系统的比喻，可以直观地理解线性稳压电源各部分的功能和它们如何协同工作来保持输出电压稳定。