第10章直流穩(wěn)壓電源(修改稿)

1、第10章直流穩(wěn)壓電源前面幾章介紹的各種電子電路，通常都需要直流電源來供電，一般電子設(shè)備中最常用的直流穩(wěn)壓電源是通過把交流電源經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓電路變換后而獲得的。直流穩(wěn)壓電源概述直流穩(wěn)壓電源的組成與分類直流穩(wěn)壓電源的作用是能夠?qū)㈩l率為50Hz、有效值為220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成輸出幅值穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源是由變壓器、整流電路、濾波電路和年I壓電路4部分組成,如圖10.1所示，這四個部分主要的功能介紹如下。圖10.1直流穩(wěn)壓電源的組成.變壓器電網(wǎng)提供的交流電一般是220V,而各種電子設(shè)備需要的直流穩(wěn)壓電源幅值各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的二次電

2、壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。.整流電路整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，一般是二極管，將正負(fù)交替的正弦交流電壓整流為單方向的脈動電壓。但是，這種單相脈動電壓往往包含著很大的脈動成分。.濾波器濾波器主要由電容、電感等儲能元件組成。它的作用是盡可能地將單相脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。.穩(wěn)壓電路當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，濾波器輸出直流電壓的幅值也將隨之改變，因此需要采取相應(yīng)的措施，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。0.1.2直流穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)直流穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范

3、圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。這些指標(biāo)的含義，可簡述如下：.特性指標(biāo)(1)輸出電壓范圍符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。(2)最大輸入一輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。(3)最小輸入一輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。(4)輸出電流調(diào)節(jié)范圍輸出電流范圍又稱為輸出負(fù)載電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，穩(wěn)壓器應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范中所給出的指標(biāo)。.

4、質(zhì)量指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù)Sr用輸出電壓和輸入電壓的相對變化量之比來表征電源的穩(wěn)壓性能，被稱之為穩(wěn)壓系數(shù)。按定義可記作Vo/VOSr0-o,(T0,I0)(10.1.1)Vi/Vi(2)輸出電阻Ro在輸入電壓和溫度不變的情況下，輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比，定義為輸出電阻，記作Ro-Vo,(T0,Vi0)(10.1.2)0式中，負(fù)號表示Vo與Io變化方向相反。(3)溫度系數(shù)St在輸入電壓和負(fù)載電路均不變的情況下，單位溫度變化引起的輸出電壓變化就是穩(wěn)壓電源的溫度系數(shù)或稱溫度漂移，記作cVOSt,(Vi0,Io0)(10.1.3)(4)紋波電壓Vop在額定工作電流的情況下，輸出電壓中的交流分量值

5、，稱為紋波電壓。.10.2整流電路將正弦交流電變?yōu)槊}動直流電的過程叫做整流。利用二極管的單相導(dǎo)電性可以組成整流電路。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。下面分別介紹單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路的組成、工作原理、工作波形和主要參數(shù)。.單相半波整流電路單相半波整流電路如圖10.2(a)所示。其中T為變壓器，D為整流二極管，設(shè)其為理想二極管，即正向?qū)〞r電阻為0,反偏時電阻無窮大，RL為負(fù)載電阻，v2為變壓器副邊電壓，設(shè)V2疝2sint,Vd為二極管兩端電壓，Vl為負(fù)載兩端電壓，iD為流過二極管的電流，Vo為輸出電壓，io為輸出電流。(1)工作原

6、理當(dāng)V2處于正半周時，其極性為上正下負(fù)，即A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，此時二極管外加正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流方向是從A點(diǎn)經(jīng)過二極管D,負(fù)載電阻Rl、回到B點(diǎn)。又因?yàn)镈為理想二極管，所以Vd0,VlV2,ioiD也。R當(dāng)V2處于負(fù)半周時，其極性為下正上負(fù)，即B點(diǎn)為正，A點(diǎn)為負(fù)，此時二極管外加反相電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，電路斷開，ioiD0,所以V2全部加在二極管兩端，Vo0,工作波形如圖10.2(b)所示。(2)主要參數(shù)U O(AV)、 輸出電流平均值 IO(AV)、脈動系數(shù)S和二極管承受的最大反相電壓UR max o輸出電壓平均值Vo(av)。輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值，即:VO(AV)兀12 Tt

7、Q.2V2sin td( t)2V2 0.45V2Tt(10.2.1)輸出電流平均值IO(AV) o輸出電流在一個周期內(nèi)的平均值，即:VO(AV)0.45V2I O (AV) -Z-RLRL(10.2.2)在圖10.2所示的單相半波整流電路中，由于二極管 管的電流平均值與輸出電流平均值相等，即D和負(fù)載電阻串聯(lián)，所以流過二極VO(AV)ID(AV) Io(AV) Rl0.45V2Rl(10.2.3)通常用于描述整流電路性能好壞的主要參數(shù)為：輸出電壓平均值脈動系數(shù)So脈動系數(shù)S是用于衡量整流電路輸出電壓平滑程度的參數(shù)，其定義為整流輸出電壓的基波峰值 Voim與輸出電壓平均值Vo為非正弦周期信號，其

8、傅里葉展開式為Vo(AV)之比。如圖10.2 (b)所示，輸出電壓Vo,2V2(- 1sin22 t 3cos t L )(10.2.4)2V2由式(10.2.1)可得:(10.2.5)所以:_VO1MS VO (AV )2V2 22V221.57(10.2.6)二極管承受的最大反相電壓VRmax。圖10.2 (a)所示的電路中，當(dāng)V2處于負(fù)半周時,二極管即D外加反向電壓，二極管所承受的最大反向電壓就是變壓器副邊電壓v2的最大值,VRmax2V2(10.2.7)AB220V50HzDVdvoRlio(a)電路圖u2t(b)波形圖圖10-2單相半波整流電路半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件

9、少。但也有明顯缺點(diǎn)：輸出波形脈動大、直流成分比較低、變壓器有半個周期不導(dǎo)電、利用率低。往往此種電路只用在輸出電流較小,要求不高的場合。.單相全波整流電路單相全波整流電路如圖10.3(a)所示。其中T為變壓器，Di、D2為整流二極管，設(shè)其為理想二極管，R為負(fù)載電阻，vi為變壓器原邊電壓，V2為變壓器副邊電壓，設(shè)v242V2sint,Vdi、VD2為極管兩端電壓，iD1、iD2為流過極管的電流，VO為輸出電壓，i。為輸出電流。(1)工作原理單相全波整流電路的原理是利用中間抽頭變壓器和兩個二極管，獲取正、負(fù)半周信號。當(dāng)輸入波形在正半周時，變壓器次級電壓極性A點(diǎn)“正”B點(diǎn)“負(fù)”，二極管D1導(dǎo)通，D2截

10、止，負(fù)載Rl上得到由上至下的電流；當(dāng)輸入波形在負(fù)半周時，變壓器次級電壓極性A點(diǎn)“負(fù)”B點(diǎn)“正”，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，負(fù)載Rl上仍然得到由上至下的電流，由此利用了負(fù)半周的信號，使整流效率提高。(b)波形圖圖10.3單相全波整流(2)主要參數(shù)輸出電壓平均值Uo(AV)o全波整流電路的整流輸出電壓是半波整流電路的兩倍，因此有：22V2VO20.9V2(10.2.8)輸出電流平均值Io(av)。I O(AV)Vo(AV)0.9V2Rl Rl脈動系數(shù)S。全波整流電路輸出電壓Vo為非正弦周期信號，其傅里葉展開式為:Uo(10.2.10)244一U2(2cos2tcostL)315基波頻率為2 ,基波

11、最大值是UO1m,則脈動系數(shù)為:U O1mUo2.2U20.67(10.2.11)(4)二極管承受的最大反相電壓相電壓為2同2,同理負(fù)半周，VD2URmax O在正半周 VD1導(dǎo)通，VD2此時承受的反導(dǎo)通，VD1全波整流的優(yōu)點(diǎn)是整流效率比半波整流提高了, 了，并且需要中間抽頭變壓器。承受的反相電壓也為2T2U 2。缺點(diǎn)是整流二極管的耐壓要求提高3單相橋式整流電路為了提高電源利用率， 降低輸出電壓的脈動,引入單相橋式整流電路，如圖10-4 (a)所示。其中T為變壓器，VD1、VD2、VD3、 極管，R為負(fù)載電阻，U1為變壓器原邊電壓， Uo為輸出電壓，io為輸出電流。1)工作原理當(dāng)U2處于正半周

12、時，其極性為上正下負(fù)，即 VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流方向是從VD4為整流二極管，并設(shè)它們均為理想二U2為變壓器副邊電壓， 設(shè)U2 亞U 2sinA點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，此時二極管A點(diǎn)經(jīng)過二極管 VD1、負(fù)載電阻Rl、VD1和二極管VD1、VD3 和 VD2、VD4 輪流導(dǎo) 即能夠在負(fù)載電阻 R獲得單相脈通，所以整個周期都有同一方向的電流流過負(fù)載電阻Rl,10-4 (b)所示。220V50HzVD3回到B點(diǎn)，又因?yàn)閂D1和VD3均為理想二極管，所以uoU2,iou0/R,且io是從上至下流經(jīng)負(fù)載電阻Rl。當(dāng)U2處于負(fù)半周時，其極性為下正上負(fù)，即B點(diǎn)為正，A點(diǎn)為負(fù)，此時二極管VD2和VD4導(dǎo)

13、通，VD1和VD3截止，電流方向是從B點(diǎn)經(jīng)過二極管VD2、負(fù)載電阻Rl、二極管VD4回到A點(diǎn)，又因?yàn)閂D2和VD4均為理想二極管，所以uoU2,ioUo/R,且io仍是從上至下流經(jīng)負(fù)載電阻Rl的?？梢姡赨2的整個周期內(nèi),動的直流電，其工作波形如圖2)主要參數(shù)(1)輸出電壓平均值(2)輸出電流平均值(b)圖10-4單相橋式整流電路(a)電路圖；(b)波形圖U o(AV) 0U O(AV)2 2U20.9U2(10.2.12)IO(AV)。I O(AV)U O( AV)Rl0.9U2Rl(10.2.13)在U2的整個周期內(nèi)，由于 VD1、VD3和VD2、 管電流的平均值為輸出電流平均值的一半，即

14、：1I D(AV) 2 I o(AV)VD4輪流導(dǎo)通，所以流過每個二極0.45U2Rl(10.2.14)(3)脈動系數(shù)So單相橋式整流電路的脈動系數(shù)與單相全波整流電路的脈動系數(shù)相同，即：(10.2.15)UO1m42U230.67(4)二極管承受的最大反向電壓時，二極管 VD1和VD3導(dǎo)通，VD2 所承受的反相電壓就是變壓器副邊電壓Uo2、25URmax。圖10-4(外所示的電路中，當(dāng)U2處于正半周和VD4截止，二極管VD2和VD4加反向電壓，它們U2的最大值。同理當(dāng)叱處于負(fù)半周時，二極管VD2和VD4導(dǎo)通，VD1和VD3截止，二極管VD1和VD3加反向電壓，它們所承受的反向電壓也是變壓器副邊

15、電壓E的最大值?？梢妶D10-4(a)所示的單相橋式整流電路中，每個二極(10.2.16)R等于100管說承受的最大反向電壓均為變壓器副邊電壓u2的最大值，即:URmax2U2【例10.2.1】某電子裝置要求電壓值為15V的直流電源，已知負(fù)載電阻試問：(1)如果選用單相橋式整流電路，則變壓器副邊電壓U2應(yīng)為多大？整流二極管的正向平均電流ID(AV)和最大反向峰值電壓URmax等于多少？輸出電壓的脈動系數(shù)S等于多少？(2)如果改用單相半波整流電路，則U2、I D(AV)、U R max 和S各等于多少?解：(1)由式(10-15)可知 TOC o 1-5 h z U2匕空型16.70.90.9根據(jù)

16、給定條件，可得輸出直流電流為UO(AV)15AIO(AV)一0.15A150mARl100則由式(10-17)和(10-19)可得11ID(AV)2IO(AV)-150mA75mAURmax.2U2216.7V23.6V此時脈動系數(shù)為S0.6767%15V 33.4V0.45150mA(2)如果改用單相半波整流電路，則UO(AV)U20.45ID(AV)IO(AV)URmax2U2233.4V47.2VS1.57157%10.2.2濾波電路經(jīng)過整流后所得到的輸出波形雖然是單相脈動直流電壓，但由于其脈動過大，不能直接作為直流穩(wěn)壓電源使用。需要將整流后的輸出送到濾波電路，以獲得比較平滑的直流電壓。

17、濾波電路的作用是能夠?yàn)V去整流后所得到的單相脈動直流電壓中的交流成分，使輸出電壓平滑。電容和電感都是基本的濾波元件，利用它們的儲能作用，在二極管導(dǎo)電時將一部分能量儲存在電場或磁場中，然后再逐漸釋放出來，從而在負(fù)載上得到比較平滑的波形。從另一個角度看，電容和電感對于交流成分和直流成分呈現(xiàn)的阻抗是不同的，如果把它們合理的安排在電路終中，可以達(dá)到降低交流成分，保留直流成分的目的，實(shí)現(xiàn)濾波作用。常用的濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)式濾波電路等。1電容濾波電路如圖10-5 (a)所示。在整流電路負(fù)載電阻的兩端并聯(lián)一個電容就能構(gòu)成電容濾波電路,電容濾波電路主要是利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于

18、平滑。1)電容濾波原理(b)圖10-5電容濾波電路(a)電路圖(b)波形圖沒有接電容時，整流二極管VD1、VD3在此的正半周導(dǎo)電，負(fù)半周時VD2、VD4導(dǎo)電，輸出電壓的波形如圖10-5(b)中虛線所示。并聯(lián)電容以后，在u2的正半周VD1、VD3導(dǎo)通時，流過二極管的電流一部分io流過負(fù)載R,另外一部分電流ic向電容充電，電容電壓Uc的極性為上正下負(fù)。若忽略二極管兩端壓降，則在二極管導(dǎo)通時，uc等于變壓器副邊電壓U2。當(dāng)U2達(dá)到最大值以后開始下降，此時電容上的電壓Uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)U2Uc時，二極管VD1、VD3被反向偏置，于是Uc以一定的時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下個半周，當(dāng)鼠uc

19、時，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，U2再次對電容充電，Uc上升到U2的峰值后又開始下降，下降到一定數(shù)值時VD2、VD4變?yōu)榻刂?，電容對?fù)載R放電，Uc按指數(shù)規(guī)律下降，放電都一定數(shù)值時VD1、VD3導(dǎo)通重復(fù)上述過程。輸出電壓的波形如圖10-5(b)中實(shí)線所示。2)輸出電壓平均值加了電容濾波電路以后，輸出電壓的直流成分提高了。不接電容時，橋式整流電路的輸出電壓為半個正弦波的形狀。在負(fù)載上并聯(lián)電容以后，輸出電壓波形包圍的面積比原來虛線部分包圍的面積增大了，所以輸出電壓的平均值提高了。若將圖10-5(b)所示的輸出電壓u0的波形用鋸齒波近似，可以推導(dǎo)出濾波電路輸出電壓平均值的估算公式為：Uo(AV)2U2

20、(1(10.2.17)式(10-20)中，T為電網(wǎng)電壓的周期。由于電網(wǎng)電壓的頻率為50Hz,所以T0.02s。由式（10-20）可以看出：濾波電路的輸出電壓平均值Uo（AV）的大小與RC有關(guān)，RLC越大，Uo（av）越大。當(dāng)負(fù)載開路，即 RlC時，Uo（av） 回2,此時輸出電壓平均值 Uo（av）最大；當(dāng)電容C開路，即無電容時，圖 10-5所示的電路為單相橋式電路，Uo（av） 0.9U2,此時輸出電壓平均值 Uo（av）最小。當(dāng)RlC （3: 5）叮2時，Uo（av） 1.2U2O實(shí)際濾波電路中，所選擇的濾波電容的容值要盡量滿足條件Equation Chapter 1 Section 4R

21、lC （3 : 5）T 2（10.4.1）以便獲得較好的濾波效果，本書在無特別說明時，出現(xiàn)的電容濾波電路都是滿足此條件的。 電容濾波電路簡單，輸出電壓平均值高，適用于負(fù)載電流較小且其變化也較小的場合。3）脈動系數(shù)S若將圖10-5所示輸出電壓Uo的波形用鋸齒波近似，可以推導(dǎo)出濾波電路脈動系數(shù)的估 算公式為：4RlC(10.4.2)T 若滿足條件 RlC （3: 5）T/2,則S約為20%10%左右?！纠?0.2.2】已知橋式整流電容濾波電路（如圖 10-5（a）中負(fù)載電阻Rl 20 ,交流電源 頻率為50Hz ,要求輸出電壓Uo av 12V，試求變壓器二次電壓有效值 U2,并選擇整流二極 管和

22、濾波電容。解：變壓器二次電壓的有效值為U2UO AV1.212V 10V1.2通過二極管的平均電流D AV1 U o AV2Rl12 A 0.3A2 20二極管承受的最高反向電壓為URmax 2U22 10 14V所以，可選擇ID 2: 3 IDAV 0.60.94只1N4001二極管組成橋式整流電路。由于一般要求 RlC3 5 T/2 ,現(xiàn)取RlCA、URmax 14V的二極管，查手冊知，可用4T/2 ,所以可得4T 2C - Rl4 2 50 F200.002F2000 F由于濾波電容C承受的最大電壓為 72U2 14V,因此可選用2000 F、25V的鋁電解電容器。2電感濾波電路圖10-

23、6電感濾波電路電感濾波電路如圖10-6所示。根據(jù)電感的特點(diǎn)，當(dāng)輸出電流發(fā)生變化時，電感中將感應(yīng)出一個反電勢，此電勢將阻止輸出電流發(fā)生變化。在半波整流電路中，這個反電勢將使整流管的導(dǎo)電角大于180。但是，在橋式整流電路中，雖然L上的反電勢有延長整流管導(dǎo)電角的趨勢，但是VD1、VD3和VD2、VD4不能同時導(dǎo)電。例如，當(dāng)E的極性由正變負(fù)后，L上的反電勢有助于VD1、VD3繼續(xù)導(dǎo)電，但是，由于此時VD2、VD4導(dǎo)電，變壓器副邊電壓全部加到VD1、VD3兩端，其極性將使VD1、VD3反向偏置，因此VD1、VD3截止。所以在橋式整流電路中，雖然采用電感濾波，整流管仍然每管導(dǎo)電180,圖中A點(diǎn)的電壓波形就

24、是橋式整流的輸出波形，與純阻負(fù)載時相同。經(jīng)過橋式整流后所得到的單相脈動直流電中既有直流成分，又有交流成分。電感濾波電路是利用電感的通直隔交來實(shí)現(xiàn)濾波作用的。由于電感對交流呈現(xiàn)一定的阻抗，整流后所得到得單相脈動直流電中的交流成分將降落在電感上。感抗越大，降落在電感上的交流成分越多。若忽略電感的電阻，電感對于直流沒有壓降，所以整流后所得到的單相脈動直流電中的直流成分經(jīng)過電感，全部落在負(fù)載電阻上，從而使得負(fù)載電阻上得到的輸出電壓的脈動減小，達(dá)到濾波目的。若忽略電感線圈的電阻，電感濾波電路的輸出電壓平均值U（AV）0.9U2。電感濾波電路的導(dǎo)通角較大，對于整流二極管來說，沒有電流沖擊。由于感抗越大，降

25、落在電感上的交流成分越多，濾波效果越好。為了使感抗大，須選用L值大的鐵芯電感，但鐵芯電感的體積大且笨重，容易引起電磁干擾，且輸出電壓平均值低。3復(fù)式濾波電路采用單一的電容或電感濾波時，電路雖然簡單，但濾波效果欠佳，為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路，最簡單的形式如圖10-7所示，即LC濾波電路。圖10-7中整流輸出電壓中的交流成分絕大部分降落在電感上，電容C又對交流接近于短路，故輸出電壓中的交流成分很少，幾乎是一個平滑的直流電壓。由于整流后先經(jīng)電感L濾波，總特性與電感濾波電路相近，故又稱為電感型LC濾波電路，若將電容C平移到電感L之前，則為電容型L

26、C濾波電路。LC濾波電路的直流輸出電壓和電感濾波電路一樣，U00.9U2o與電容濾波電路比較，LC濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是：外特性比較好，輸出電壓對負(fù)載影響小，電感元件限制了電流的脈動峰值，減小了對整流二極管的沖擊。它主要適用于電流較大，要求電壓脈動較小的場合。圖10-7LC濾波電路為了更進(jìn)一步減小輸出的脈動成分，可在LC濾波電路的輸出端再加一只濾波電容就組成了LC型濾波電路，如圖10-8(a)所示，整流輸出電壓先經(jīng)電容C1,濾除了交流成分后，再經(jīng)電感L上濾波電容C2上的交流成分極少，因此這種LC型濾波電路的輸出電流波形更加平滑。但由于鐵芯電感體積大、笨重、成本高、使用不便。當(dāng)負(fù)載電阻Rl值較大，負(fù)載

27、電流較小時，可將鐵芯電感換成電阻，組成RC型濾波電路，如圖10-8(b)所示。電阻R對交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會使輸出電壓下降，但只要R?11(C2),電容C1濾波后的輸出電壓絕大多數(shù)降在電阻Rl上，Rl越大，C2越大，濾波效果越好。(b)圖10-8型濾波電路(a)LC型濾波電路；(b)RC濾波電路10.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路雖然整流濾波電路能將正弦交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點(diǎn)漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)

28、壓措施。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路及穩(wěn)壓原理如圖10-9所示為硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的原理圖。其輸入電壓UI是整流濾波后的電壓，穩(wěn)壓管VDz與負(fù)載電阻Rl并聯(lián)。為了保證工作在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓管要處于反向接法。限流電阻R也是穩(wěn)壓電路必不可少的組成元件，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，通過調(diào)節(jié)R上的壓降來保持輸出電壓基本不變。UiIrIzIoNS uRl圖10-9硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路對任何穩(wěn)壓電路都應(yīng)從兩個方面考察其穩(wěn)壓特性，一是設(shè)電網(wǎng)電壓波動，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定；二是設(shè)負(fù)載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理。(1)當(dāng)負(fù)載電阻R保持不變時，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導(dǎo)致輸出電壓U。也將隨之升

29、高，而Uo=Uzo根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)Uz升高一點(diǎn)時，Iz也將顯著增加，這樣使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持U0不變。上述過程簡單表述如下：UoUiUrIrIlIzUiUoUzIzIrURUo500Q,又要求R400Q,則說明在給定條件下已超出穩(wěn)壓管的工作范圍，需限制輸入電壓Ul或負(fù)載電流Il的變化范圍，或選用更大容量的穩(wěn)壓管。1例10.3.1在圖10-9所示電路中，已知Ui12V,電網(wǎng)電壓允許波動范圍為10%;穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓UZ5V,最小穩(wěn)定電流Izmin5mA,最大穩(wěn)定電流Izmax30mA,負(fù)載電阻R250:350。試求解：(1)R的取值范圍；(2)若限流電阻短路，

30、則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?解：(1)首先求出負(fù)載電流的變化范圍：IlUz/Rl(5/250)A0.02AmaxminIlUz/Rl(5/350)A0.0143Aminm-max再求出R的最大值和最小值RmaxUiminUz0.9125IzminIlmax0.0050.02RminUimaxUz1.1125Zmax1Lmin0.030.0143232185所以，R的取值范圍是185:232。(2)若限流電阻短路，則Ui全部加在穩(wěn)壓管上，使之因電流過大而燒壞。10.3.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路簡單，工作可靠，穩(wěn)壓效果也較好。缺點(diǎn)是輸出電壓的大小要由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值來決定，不能根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)；負(fù)

31、載電流Io變化時，要靠Iz的變化來補(bǔ)償，而Iz的變化范圍僅在Izmin和Izmax之間，負(fù)載變化?。涣硗夥€(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電壓穩(wěn)定度不夠高，動態(tài)內(nèi)阻還比較大(約幾歐到幾十歐姆)。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路所謂串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路，實(shí)際上就是在輸入直流電壓與負(fù)載之間串聯(lián)一個調(diào)整管，當(dāng)Ui或Rl波動引起輸出電壓Uo變化時，Uo的變化將反映到三極管的輸入電壓Ube,于是Uce也隨之改變，從而調(diào)整Uo,保持輸出電壓基本穩(wěn)定。電路組成串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路如圖10-10所示，電路包括采樣電阻、放大電路、基準(zhǔn)電壓和調(diào)整管四部分。其中電阻R、R2和R3組成采樣電阻，當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電阻對變化量進(jìn)行采樣，并傳達(dá)到放大電路

32、的反相輸入端；放大電路A的作用是將采樣電阻送來的變化量進(jìn)行放大，然后送到調(diào)整管的基極；基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓管VDz提供，接在放大電路的同相輸入端，采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到的差值再由放大電路進(jìn)行放大；調(diào)整管VT接在輸入直流電壓Ui和輸出端的負(fù)載電阻Rl之間，當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動時，調(diào)整管的集-射電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化，使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。R2增大或Il減小而導(dǎo)致輸出電壓Uf也按比例地增長，但同相輸U(kuò)id Uz Uf將減小，于是放大則調(diào)整管的集電極電路 I c隨之減電路分析卜面分析串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理。假設(shè)由于Uo增大，則通過采樣以后反饋到放大電路反相輸入端的電壓入端的基準(zhǔn)電壓Uz保持

33、不變，故放大電路的差模輸入電壓電路的輸出電壓減小，使調(diào)整管的基極輸入電壓Ube減小,小，同時集電極電壓Uce增大，最后使輸出電壓Uo保持基本不變。以上穩(wěn)壓過程可簡明表示如下：Ui或IlUfUidUbeIcUceUo4由此看出，串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓過程，實(shí)質(zhì)上是通過電壓負(fù)反饋使輸出電壓保持基本穩(wěn)定的過程。【例10.4.1設(shè)圖10-10所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管為2CW14,其穩(wěn)定電壓為Uz=7V,采樣電阻R3K,R2K,R3K，試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。解：假設(shè)放大電路A是理想運(yùn)放，且工作在線性區(qū)，則可以認(rèn)為其兩個輸入端“虛短”，即UU,在本電路中UUz,而且兩個輸入端不取電流，則由圖可

34、得所以當(dāng)R2的滑動端調(diào)至最上端時,U OminUzUo(R2RR2-R3而當(dāng)R2的滑動端調(diào)至最下端時,U OmaxR2R3R1R2R3UoR1R2R3 UR20,R2R33Uz旦R3UZR2, UO達(dá)到最小值，此時7 V 11.2VR20,3 2 33Uo達(dá)到最大值，可得7 V 18.7V(11.2: 18.7) V。因此，穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍是集成三端穩(wěn)壓電路及應(yīng)用集成三端穩(wěn)壓器三端集成穩(wěn)壓器有3個引腳：輸入端、輸出端和公共端。按照功能不同可分為：三端固定穩(wěn)壓器和三端可調(diào)穩(wěn)壓器。三端固定穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)；三端可調(diào)穩(wěn)壓器是可以通過外接元件使輸出電壓能夠在很寬的范圍內(nèi)

35、調(diào)節(jié)。1.三端固定穩(wěn)壓器三端固定穩(wěn)壓器有W7800和W7900兩種系列。W7800系列集成穩(wěn)壓器的外形和符號，如圖10-11所示。W7800系列的引腳1為輸入端，引腳2為輸出端，引腳3為公共端。W7800系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出正電壓，分別可輸出5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V七種電壓，型號后面的兩位數(shù)字表示輸出電壓的幅值。三端固定穩(wěn)壓器的輸出電流分為1.5A、0.5A和0.1A三檔，按照輸出電流的不同，又分為W7800、W78M00、W78L00三種系列。W7800系列的輸出電流為1.5A,W78M00系列的輸出電流為0.5A,W78L00系列的輸出電流為0.1A。如W7805

36、型號的三端固定穩(wěn)壓器的輸出電壓為+5V,輸出電流為1.5A。W78M06型號的三端固定穩(wěn)壓器的輸出電壓為+6V,輸出電流為0.5A。W7900系列集成穩(wěn)壓器的外形和符號如圖10-1所示。W7900系列的引腳1為公共端，引腳2為輸出端，引腳3為輸入端。W7900系列集成穩(wěn)壓器能夠輸出負(fù)電壓，分別可輸出-5V、-6V、-8V、-12V、-24V電壓，型號后面的兩位數(shù)字表示輸出電壓的幅值。按照三端固定式穩(wěn)壓電路的輸出電流的不同，又可分為W7900、79M00、79L00三種系列。W79M00系列的輸出電流為0.5A,W79L00系列的輸出電流為0.1A。如W7905型號的三端固定穩(wěn)壓器的輸出電壓-5

37、V,輸出電流為1.5A。W78L06型號的三端固定穩(wěn)壓器的輸出電壓為-6V,輸出電流為0.1A。(b)輸入端 公共端 輸出端W7900-o3輸入端輸出端調(diào)整端(a)(c)(d)圖10-11三端固定集成穩(wěn)壓器(a)W7800系列外形圖；(b)W7800系列電路符號(c)W7900系列外形圖；(d)W7900系列電路符號2.三端可調(diào)穩(wěn)壓器三端可調(diào)穩(wěn)壓器也分為三端可調(diào)正電壓輸出穩(wěn)壓器和三端可調(diào)負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器。三端可調(diào)正電壓輸出穩(wěn)壓器有W117、W217和W317三種系列，這三種系列具有相同的引出端、相同的基準(zhǔn)電壓和相似的內(nèi)部電路，所不同的是它們的工作溫度范圍，分別是-55：150C、-25：150

38、C和0：125C。相應(yīng)地三端可調(diào)負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器有W137、W237和W337三種系列。三端可調(diào)穩(wěn)壓器W117系列的輸出電壓為1.25：37V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電壓可達(dá)1.5A。如圖10-12示出了W117系列穩(wěn)壓器的外形及其電路符號W117(b)圖10-12三端輸出可調(diào)穩(wěn)壓器外形及電路符號(a)外形圖；(b)電路符號10.5.2集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用.基本應(yīng)用三端集成穩(wěn)壓器最基本的應(yīng)用電路如圖10-13所示。整流濾波后得到的直流輸入電壓UI接在輸入端和公共端之間，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓UO。為了改善紋波電壓，常在輸入端接入電容Ci。同時，在輸出端接上電容CO,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。一般

39、Ci容量為0.33pF,CO的容量為0.1F。兩個電容均應(yīng)直接接在集成穩(wěn)壓器的引腳處。若輸出電壓比較高，應(yīng)在輸入端和輸出端之間跨接一個保護(hù)二極管VD。如圖10-11中的虛線所示。其作用是在輸入端短路時，使Co通過二極管放電，以便保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。VDW780030.1 F0.33 FT2000 f RlUO00圖10-13集成三端穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用一.擴(kuò)大輸出電流三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電流有一定限制，例如1.5A、0.5A或0.1A等，如果希望在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大輸出電流則可以通過外接大功率三極管的方法實(shí)現(xiàn)，電路接法如圖10-12所示。在圖10-14中，負(fù)載所需的大電流由大功率VT提供

40、，而三極管的基極由三端集成穩(wěn)壓器驅(qū)動。電路中接入一個二極管VD,用以補(bǔ)償三極管的發(fā)射極電壓UBE，使電路的輸出電壓U。基本上等于三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓UOo由圖可得UOUOUbeUdUO(10.4.9)調(diào)節(jié)電阻R的阻值可以改變流過二極管的電流，二極管兩端的電壓UDUBE。接入二極管也補(bǔ)償了溫度對三極管Ube的影響，使輸出電壓比較穩(wěn)定。電容C2的作用是濾掉二極管VD兩端的脈動電壓，以減小輸出電壓的脈動成分。UiCi0.33 FW7800VDWVT200UoUoC3C,25 FC20.1 F圖10-14擴(kuò)大集成三端穩(wěn)壓器的輸出電流.提高輸出電壓如果實(shí)際工作中要求得到更高的輸出電壓，也可以在原有的三

41、端集成穩(wěn)壓器輸出電壓的基礎(chǔ)上加以提高，電路如圖10-13(a)和(b)所示。圖10-13(a)中的電路利用穩(wěn)壓管VDz來提高輸出電壓。由圖可見，電路的輸出電壓UoUoUz(10.4.10)電路中輸出端的二極管VD是保護(hù)二極管。正常工作時，VD處于截止?fàn)顟B(tài)，一旦輸出電壓低于Uz或輸出端短路，二極管VD將導(dǎo)通，于是輸出電流被旁路，從而保護(hù)集成穩(wěn)壓電路的輸出級免受損壞。圖10-13(b)中的電路利用電阻來提升輸出電壓。假設(shè)流過電阻R、R2的電流比三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流I (約為Uo即輸出電壓為Uo5mAi大得多，則可認(rèn)為RUo(10.4.11)R R2R212 Uo(10.4.12)R此種提高輸出

42、電壓的電路比較簡單，但穩(wěn)定性能將有所降低。W7800U1C1Uo丁 0.33 F西vD0.1 FUoVDz2S力(a)it-W7800CoCi0.33 FUo0.1 FUiUo(b)圖10-15集成三端穩(wěn)壓器輸出電壓的電路(a)利用穩(wěn)壓管來提升輸出電壓；(b)利用電阻來提升輸出電壓4.輸出電壓可調(diào)W780喇W790叫為固定輸出的三端集成穩(wěn)壓器，如果希望得到可調(diào)的輸出電壓，可以選用可調(diào)輸出的集成穩(wěn)壓器，也可以將固定輸出集成穩(wěn)壓器接成圖10-16所示的電路。電路成電壓跟隨器形式，它的輸出電壓Ua等于其輸出電壓，即UaR2R3UoR3(10.4.13)中接入了一個集成運(yùn)放A以及采樣電阻R2和R3,其

43、中R2為電位器。不難看出，集成運(yùn)放接由10-14圖可得:UoUoUa(10.4.14)R2RR3R2R3UoUo(10.4.15)則電路的輸出電壓為Uo UoR3R2R3 .U o(10.4.16)由上式可知，只需移動電位器圖10-16輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路R2的滑動端，即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。但要注意，當(dāng)輸出電壓Uo調(diào)得很低時，集成穩(wěn)壓器的1、2兩端之間的電壓UiUo很高，使內(nèi)部調(diào)整管的管壓降增大，同時調(diào)整管的功率損耗也隨之增大，此時應(yīng)防止其管壓降和功耗超過額定值，以保證安全。10.6開關(guān)式穩(wěn)壓電路隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，對電源的要求更加靈

44、活多樣。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等特點(diǎn)。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器作隔離之用，其中濾波器的體積和重量也很大。而調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，從而導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，因此，它很難滿足電子設(shè)備發(fā)展的要求，但卻促成了高效

45、率、體積小、重量輕的開關(guān)電源的迅速發(fā)展。開關(guān)穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和分類開關(guān)穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)開關(guān)型穩(wěn)壓電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零；在開關(guān)管截止時，其集電極電流為零。所以其功耗小，散熱器也隨之減小，效率可高達(dá)70%-95%開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，并由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開關(guān)管工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關(guān)電源具有重量輕、體積小等特點(diǎn)。由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性以及對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高。一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動的

46、范圍為220V+10%而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓從110260V范圍內(nèi)變化時，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。由于開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電路的可靠性和穩(wěn)定性上具有的優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的運(yùn)用。開關(guān)穩(wěn)壓電路的分類開關(guān)型穩(wěn)壓電路的分類方式很多。按調(diào)整管與負(fù)載的連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型；按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制型（PWM）、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型（即脈寬-頻率調(diào)制）；按調(diào)整管是否參與振蕩可分為自激式和他激式；按使用開關(guān)管的類型可分為晶體管、VMO密和晶閘管型。開關(guān)穩(wěn)壓電路的工作原理如圖10-17給出了串聯(lián)型自激脈寬控制式開關(guān)穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)示意圖。調(diào)整管VT始終工作在開關(guān)狀態(tài)。電感L和電

47、容C組成濾波電路，用于削減輸出電壓中的紋波量。二極管VD為電感L的續(xù)流二極管，也是濾波電路的一部分。電阻R1和R2實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的采樣。運(yùn)放A實(shí)現(xiàn)對采樣電壓UF與基準(zhǔn)電壓的UREF比較放大，產(chǎn)生信號UA。比較器C在自激信號uT和Ua的作用下，實(shí)現(xiàn)對脈沖寬度的控制，從而調(diào)整三極管VT的開關(guān)時間。把調(diào)整管VT和濾波電路統(tǒng)稱為開關(guān)電源的主回路，把采樣電路、基準(zhǔn)電壓、運(yùn)放A、比較器C和自激振蕩器統(tǒng)稱為開關(guān)電源的控制電路。LVTUi圖10-17串聯(lián)型自激脈寬控制式開關(guān)穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)示意圖開關(guān)穩(wěn)壓電路是利用調(diào)整管的飽和導(dǎo)通時間ton與通斷的工作周期丁(如驍)的比值來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。在控制電路的作用下，若輸出電壓

48、Uo因負(fù)載電阻減小而降低，則比較器C的輸出電壓Uc呈高電平Uh的時間如變長，即Uc脈沖的占空比Da/T也就變大，從而穩(wěn)定了輸出電壓Uo值。反之亦然。主回路是開關(guān)電路的核心。調(diào)整管在脈沖波Uc的作用下，作為濾波電路的開關(guān)，抑制輸出電壓的變化。當(dāng)調(diào)整管VT的基極電壓為高電平Uh時，管子飽和導(dǎo)通，發(fā)射極電流iE即為電感電流iLo此電流一方面給負(fù)載Rl提供功率，另一方面對電容充電。這就是圖10-18(a)中所示的情況。L(a)(a)調(diào)整飽和管導(dǎo)通；(b)調(diào)整管截止當(dāng)調(diào)整管VT的基極電壓為低電平Ul時，管子截止，電感L產(chǎn)生反電動勢使二極管VD導(dǎo)通，為電感電流1繼續(xù)向負(fù)載供電和向電容充電提供了通路。這一通

49、路在圖10-18(b)中表示為實(shí)線。隨著反電動勢的降低，二極管不再導(dǎo)通，電容C會向負(fù)載Rl放電，以補(bǔ)充負(fù)載所需電流。這一通路在圖10-18(b)中用虛線表示。由以上分析可知，盡管調(diào)整管始終工作在開關(guān)狀態(tài)，但利用電感和電容的儲能作用，即使在調(diào)整管截止時，也能在輸出得到連續(xù)的直流電壓。調(diào)整管飽和導(dǎo)通的時間口越長，電感和電容獲得的能量越多，輸出電壓越高。上述過程可描述為UoUftonVDUo這一負(fù)反饋過程是利用輸出電壓變化量來控制調(diào)整管的導(dǎo)通時間ton,從而抑制輸出電壓的變化，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。在深度負(fù)反饋條件下，有Uo(1L)Uref(10.4.17)R2并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路的主回路如圖10-19所示，其工作原理與串聯(lián)型基本相同，讀者VD+Uo可自行分析。LL+UiuC圖10-19并聯(lián)型開關(guān)電路的主回路小結(jié)各種電子設(shè)備通常都需要有直流電流電源供電。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的獲得直流電流的方法，是利用電網(wǎng)提供的交流電流經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓以后得到。.利用二極