第六章:直流电压稳定电路详解
由前面的学习,我们可知电可分为直流电和交流电。
第一章学习了直流电。
Direct Current(直流)的首字母缩写。DC是极性(方向)不随时间变化的电流。
①流动极性(方向)和大小皆不随时间变化的电流通常被称为DC。
②流动极性不随时间变化,但大小随时间变化的电流也是DC,通常被称为纹波电流 (Ripple current)。
第二章学习了交流电。
Alternating Current(交流)的首字母缩写。AC是大小和极性(方向)随时间呈周期性变化的电流。
本章,我们要学习是的电的转换。
为什么电需要转换?因为不同的用电设备对电的要求不同,例如家用电器使用交流220V,而电子设备需要直流低压供电,如手机一般是5V充电。而芯片的供电需要1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等。电的传输是用高压交流,可以减少传输损耗。
电的转换类型:交流->交流,交流->直流, 直流->直流
(1)交流--->交流(利用变压器)--变压
变压器:是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。
电压变换公式:U1/U2=N1/N2 --->U1/N1=U2/N2
N1初级线圈绕组匝数
N2次级线圈绕组匝数
(2)交流--->直流(二极管整流)--整流
将AC(交流电压)转换为DC(直流电压)的整流方式有全波整流和半波整流。两种情况都利用了二极管的电流正向流通特性来进行整流。
关键转换器件-整流桥
① 单相半波整流电路 uo=0.45U(u=√2Usinωt,uo是平均值)
② 单相全波(桥式)整流电路 uo=0.9U(u=√2Usinωt,uo是平均值)
(3)直流--->直流(LDO:低压差线性稳压器&DC/DC转换器)---稳压
1. LDO = Low Dropout Regulator,低压差+线性+稳压器。
LDO工作原理就一句话:通过运放调节P-MOS的输出。LDO内部产生一个基准电压,作为运放的反向电压,将LDO的输出电压通过分压作为运放的正向输入电压。 运放的输出去控制P-MOS管的工作状态。P-MOS,相当于一个压控的可变电阻。运放工作在线性区,即uo=Auo(u+-u-)。
内部结构如下:
https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20211011/50CC665C22E3A66C08379A4A74BDA25C.pdf AMS1117
特点:输出纹波小,电流也较小。一般用在对纹波要求高而功耗小的地方。
串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。
当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压Uo 升高时,有如下稳压过程:
由于引入的是串联电压负反馈,故称串联型稳压电路。这就是LDO的原型。
(2)DC-DC:PWM开关式直流到直流变换器(开关电源)。有升压式、降压式和升降压式三种。实际应用以降压式为主,即把高电压变成低电压。
控制开关是P-MOS管,D是续流二极管,LC滤波电路。
https://item.szlcsc.com/98851.html DC-DC电源芯片
PWM(Pulse Width Modulation)是脉冲宽度调制。
滤波电路
交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流,其中既有直流成份又有交流成份。像这样的电压虽是直流,但纹波过大,无法使用,就需要滤波,使之变成右边这样稳定的电压。
滤波原理:滤波电路利用储能元件 电容两端的电压不能突变、通过电感中的电流不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份,保留其直流成份,达到平滑输出电压波形的目的。
方法:将电容与负载RL并联或将电感与负载RL串联。
常用的滤波方式:电容滤波、LC滤波、π形滤波。
(1)电容滤波 Uo=1.2U(电容滤波使电压平均值上升)
电容滤波电路的特点
(1) 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。RLC 越大 电容器放电越慢,则输出电压的平均值Uo 越大,波形越平滑。
为了得到比较平直的输出电压,一般取
我国电力标准 f=50Hz,所以T=1/f=0.02秒,5T/2=0.05秒
(2)LC滤波 Uo=1.2U
滤波原理:
当流过电感的电流发生变化时,线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。直流成分直接通过电感加在负载上;而交流成分落在电感的感抗上(Xc=ωL=2πfL),所以在负载上得到比较平滑的直流电压。
LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合,用于高频时更为合适。
(3)II形滤波 Uo=1.2U
滤波效果比LC滤波器更好。
AC-DC方案设计(AC 220V->DC 5V)
方案1:
方案2:开关电源
专用芯片DK112 https://item.szlcsc.com/79888.html
专用芯片OB2269 https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20171207/C89628_15126423908081169571.pdf
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RCWL-0516/RCWL-9196模块简介 & 微波感应模块简介-前言 RCWL-0516是一款由无锡日晨物联科技有限公司开发的微波感应模块(资料下载),见图0.0、图0.1,用于检测物体(人体)移动,具有以下特征: 1.穿透感应:可穿透适当厚度的玻璃、木板以及墙壁。 2.抗干扰:不受温度、灰尘等环境因素影响。 3.感应距离:5~8m(可调,见后文) 4.可重复触发、触发时间可调(见后文) 5.工作电压:3.3~18V 6.稳压输出:提供3.3V电压输出(最大100mA) 7.夜晚自动工作:外接光敏电阻和一个电阻实现 当模块检测到物体在感应范围内移动时,OUT引脚输出一段时间的高电平(该时间可通过电容“C-TM”调节,见后文);若在输出高电平期间再次检测到物体移动,高电平持续时间将延长一段时间(又称为重复触发),该时间不可叠加。 模块使用的注意事项如下,示意图见图0.2: 1. 感应面正前方不能有金属遮挡。 2. 感应面前后方预留2cm以上空间。若对灵敏度要求很高,应预留4cm以上距离,且模块后方遮挡空间应尽可能小。 3. 模块与安装载体平面尽可能平行。 4. 有元器件面为正感应面,反面为负感应面,负感应面效果略差。 5. 相同模块,单个个体之间间距应大于2m。 图0.0-模块实物图(正) 图0.1-模块实物图(反) 图0.2-感应区域示意图 原理 关于此模块的原理,有2种主流观点,这些观点所争论的焦点在于哪种解释是最主要的: 1. 以Roger Clark为代表的“反射”解释:模块上的振荡器会发射出微波信号,位于模块感应区域内的物体会反射模块所发出的微波信号,这些反射信号又被模块所接收,接收到的反射信号会改变流经晶体管发射极的电流I。外界环境不变的情况下,模块内部的调节电路会稳定振荡器,此时振荡器处于稳定状态,电流I也处于稳定;当外界环境发生变化(例如,有物体进入感应区域),该物体的反射信号会使振荡器暂时失去稳定,从而导致电流I发生变化。模块通过检测该电流I的变化,以检测物体移动。此过程中,发射频率的变化只是由于振荡器受反射信号影响而进入一个“暂稳态”所导致。 2.以Joe Desbonnet为代表的“多普勒效应”解释:位于模块感应区域内的物体会反射模块所发出的微波信号,这些反射信号的频率由于物体移动而发生改变(多普勒效应)。模块通过对比发射与反射频率的差异,以判断是否有物体进入感应区域。 应用 降低感应距离:模块背面丝印“R-GN”处添加1MΩ的电阻,模块的感应距离可降低到5m;如果不接,感应距离为7m。 调节触发时间:模块背面丝印“C-TM”处添加不同容值的电容,可以调节触发时间(“C-TM”电容容值的选择见后文);若不安装电容,触发时间为2~4s。 夜晚自动工作:模块正面丝印“CDS”处添加光敏电阻、模块背面丝印“R-CDS”处添加适当阻值的电阻,可控制模块在夜晚自动工作。“CDS”与“R-CDS”的选择方法见后文。 以上应用的实际电路请参考图1.0、图1.1。 图1.0-测试电路(正) 图1.1-测试电路(反) 测试 测试由5部分组成: 1.测量模块处于不同状态时的功耗,见表0.0。 2.未接入电阻“R-GN”时,测试模块最大感应距离,见表0.1。 3.接入电阻“R-GN”,测试模块最大感应距离,见表0.2。 4.以下步骤将介绍如何根据确定的光敏电阻“CDS”,选择电阻“R-CDS”的阻值,以实现模块夜间自动工作的功能。 1-白天,接入可调电阻“R-CDS”(推荐2MΩ)、光敏电阻“CDS”。 2-触发模块后(在模块面前走动),调节可调电阻,直到触发消失。再次尝试触发模块,正常情况下,模块应该无法被触发(如果可以触发,重复步骤2)。 3-将光敏电阻感光面遮住,尝试触发模块,正常情况下,模块应该可以被触发(如果无法触发,重复步骤3)。 4-此时可调电阻阻值即为电阻“R-CDS”的正确阻值。 5.电容“C-TM”分别接入不同容值的无极电容,测试模块单次触发所持续的时间,见表0.3。 测试条件 总电流(mA) 总功耗(mW) +5V供电电压,模块未触发 3.63 18.15 +5V供电电压,模块被触发 4.33 21.65 表0.0-模块功耗信息 正面最大感应距离(M) 6 反面最大感应距离(M) 2 表0.1-未接入电阻“R-GN”时,模块最大感应距离[1] 正面最大感应距离(M) 5 反面最大感应距离(M) 1 表0.2-接入电阻“R-GN”=1MΩ时,模块最大感应距离[1] 电容“C-TM”容值 悬空 103(10nF) 104(100nF) 224(220nF) 474(470nF) 105(1uF) 理论单次触发时间(s) 2~4 6 30 66 140 300 实际单次触发时间(s) 3 6 32 67 122 210 表0.3-电容“C-TM”容值 vs. 模块单次触发持续时间 结论 RCWL-0516是一款性价比高的人体感应模块,具有以下优缺点: 优点: