第10章-直流穩(wěn)壓電源

第10章直流穩(wěn)壓電源10.1直流穩(wěn)壓電源的電路組成10.2單相整流電路10.3電源濾波電路10.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.5*開關(guān)穩(wěn)壓電路大多數(shù)直流電源由交流電轉(zhuǎn)換而得到。直流電源可分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類。線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，輸出電流較小，效率較低；開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓穩(wěn)定范圍寬，體積小，輸出電流大，輸出電壓中含有紋波，效率較高。本章學(xué)習(xí)目的和要求1.熟悉直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)和各部分電路的作用2.熟練握橋式整流電路的工作原理，會計算輸出直流電壓和選擇整流二極管。3.熟悉電容濾波電路的工作原理，掌握橋式整流電容濾波電路各項指標(biāo)、參數(shù)的計算和元件的選擇。4.掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成、工作原理及性能的改進措施，會計算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍.5.了解三端集成穩(wěn)壓電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)會正確使用三端集成穩(wěn)壓器件。6.了解開關(guān)型穩(wěn)壓電路的電路結(jié)構(gòu)，特點及工作原理。10.1直流穩(wěn)壓電源的電路組成變壓器：整流：濾波：穩(wěn)壓：降壓濾除脈動交流變脈動直流進一步消除紋波，提高電壓的穩(wěn)定性和帶載能力各部分功能作用：將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為放大電路提供直流工作電源。組成：電子設(shè)備中廣泛使用的直流電源是將單相交流電進行整流得到的。常用的有單相半波、全波、橋式和倍壓等整流電路。在分析整流電路時，為簡化分所過程，一般均假設(shè)負(fù)載為純電阻件負(fù)載，整流二極管為加正向電壓導(dǎo)通且正向電阻為零、加反向電壓截止且反向電流為零的理想二極管。10.2單相整流電路10.2.1半波整流電路10.2.2橋式整流電路10.2.3倍壓整流電路圖10.2.1單相半波整流電路及波形10.2.1半波整流電路1．電路組成及工作原理(參閱例2.4.2)2．負(fù)載電壓、電流值的計算式中稱為vo的直流分量，它等于輸出電壓的平均值

整流電流的波形與電壓波形相同，也含有直流分量和交流諧波分量，其平均值為3．脈動系數(shù)4．整流二極管的選擇二極管最大整流平均電流選擇即(2)最高反向工作電壓選擇

半波整流只利用了輸入電壓的半個周期，輸出電壓低、脈動大，由于輸出電流中有不小的直流電流分量使電源變壓器容量的有效利用率降低。因此它只用在整流電流小、對脈動要求不高的場合。10.2.2橋式整流電路1.橋式整流電路的組成及工作原理圖10.2.2單相橋式整流電路及簡化畫法2.負(fù)載電壓、電流值及脈動系數(shù)的計算圖10.2.3單相橋式整流電路波形3.整流二極管的選擇一般要留有足夠的余量：10.2.3倍壓整流電路1.二倍壓整流電路適合小電流負(fù)載，實際輸出電壓要小于2.多倍壓整流電路6倍壓整流電路從C2左端至C6右端：5倍壓整流電路從C1左端至C5右端：倍壓整流管子的耐壓、電容的耐壓均為

10.3電源濾波電路

10.3.1電容濾波電路10.3.2電感濾波電路10.3.3復(fù)式濾波電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，就是盡量降低輸出電壓中的脈動成分，保留其中的直流成分，使輸出的電壓接近理想的直流電壓。電容和電感都是基本的濾波元件，同時也都是儲能元件，它們能夠儲存一定的能量（電容儲存電場能，電感儲存磁場能），又由于能量不能突變，因此能量將逐漸釋放，從而能得到比未濾波前較平滑的波形。10.3.1電容濾波電路圖10.3.2橋式整流電容濾波的電壓、電流和紋波電壓波形圖10.3.1單相橋式整流電容濾波電路1．空載2．有載輸出電壓脈動降低，直流輸出提高越大，輸出電壓越高，脈動成分越小，濾波效果越好。

一般取

按選二極管3．按選擇C4．5．越大，輸出電壓越高，脈動越小，濾波效果越好。

按選二極管3．按選擇C4．5．10.3.2電感濾波電路電感濾波器適用于大電流負(fù)載。體積大、笨重、成本高10.3.3復(fù)式濾波電路1.LC型濾波電路2.LC-Π型濾波電路3.RC-Π型濾波電路適用于輸出電流小且負(fù)載較穩(wěn)定的場合解：（1）取例10.3.1單相橋式整流、電容濾波電路如圖10.3.1所示。已知交流電源電壓為220V，交流電源頻率50Hz,要求直流電壓,負(fù)載電流。試求變壓器副邊電壓的有效值；選擇整流二極管及濾波電容器。(2)選擇整流二極管可選用整流二極管（其允許最大電流,最大反向電壓）,也可選用、的整流橋堆KBL102。（3）選擇濾波電容器考慮電壓波動則電容器承受的最高電壓為計算結(jié)果所要求的電容器的參數(shù)值，產(chǎn)品市場上未必有完全符合計算要求的規(guī)格產(chǎn)品，應(yīng)在耐壓參數(shù)滿足要求的情況下選擇與容量計算值相接近的系列規(guī)格產(chǎn)品。所以，本例選用標(biāo)稱值為的電解電容器。10.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

10.4.1直流穩(wěn)壓電源的主要質(zhì)量指標(biāo)

10.4.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理10.4.3三端集成穩(wěn)壓器10.4.4三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用Vo=f(VI，IL，T)，10.4.1直流穩(wěn)壓電源的主要質(zhì)量指標(biāo)1.輸入電壓調(diào)整因數(shù)KV電壓調(diào)整率穩(wěn)壓系數(shù)2.輸出電阻Ro3.輸出電壓的溫度系數(shù)ST10.4.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理反饋電壓

FV=R2/(R1+R2)為反饋系數(shù)誤差放大器的電壓放大倍數(shù)Av和電壓反饋系數(shù)FV愈大愈好。電路的基準(zhǔn)電壓愈穩(wěn)定愈好。

電路實現(xiàn)穩(wěn)壓，必須使電路的VI>Vo+VCES，使調(diào)整管工作于放大區(qū)，所以串聯(lián)型穩(wěn)壓電路也稱為線性穩(wěn)壓電路。選擇調(diào)整管：ICM>ILmax

VBRCEO>VImax-Vomin

PCM>ILmax(VImax-Vomin)例10.4.1直流穩(wěn)壓電源電路如圖10.4.2所示。(1)說明整流電路、濾波電路、調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、比較放大電路、采樣電路等部分各由哪些元件組成。(2)標(biāo)出集成運放的同相輸入端和反相輸入端。(3)寫出輸出電壓的表達(dá)式。圖10.4.2例10.4.1的穩(wěn)壓電路解：(1)D1～D4構(gòu)成橋式整流電路；C1組成電容濾波電路；T1和T2構(gòu)成的復(fù)合管是調(diào)整管；R4、DZ2和R5、DZ1組成兩級穩(wěn)壓電路形成較穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓；集成運放A完成比較放大功能；R1、R2、R3構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)和取樣電路。其中R2為電位器，使輸出電壓具有一定的調(diào)節(jié)范圍。另外，電容C2也構(gòu)成電容濾波電路，進一步減小輸出電壓的紋波。圖10.4.2例10.4.1的穩(wěn)壓電路(2)上“－”下“+”。(3)當(dāng)R2滑動端移到上端位置時當(dāng)R2滑動端移到下端時所以輸出電壓為：(3)由集成運放兩輸入端的虛短關(guān)系VP≈VN，可得當(dāng)R2滑動端移到上端位置時令R2下表示滑動頭到下端的電阻，則當(dāng)R2滑動端移到下端時所以所以例10.4.2

圖10.4.3所示電路為輸出負(fù)電壓的穩(wěn)壓電源。已知穩(wěn)壓管Dz的穩(wěn)定電壓Vz=-2.3V，晶體管的VBE=-0.7V，電阻R3=R4=1kΩ。(1)說明串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的各部分由哪些元、器件構(gòu)成；(2)若RP的滑動端在最下端時Vo=-15V，求RP的值；(3)若RP的滑動端在最上端，問Vo=?(4)若電網(wǎng)電壓波動，最大輸出電流為1.2A，T1的最大管耗為多少瓦？(5)在輸出電流為1.2A情況下，求穩(wěn)壓電路的效率。解：(1)圖10.4.3所示為一完整的橋式整流、電容濾波、串聯(lián)穩(wěn)壓電路。其中，穩(wěn)壓電路包含電壓調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓、取樣電路、比較放大4部分。分別由下列元器件構(gòu)成：電壓調(diào)整管由復(fù)合管T1、T2構(gòu)成；基準(zhǔn)電壓部分為R2和穩(wěn)壓管DZ；取樣電路由R3、R4和電位器RP組成；比較放大由三極管T3組成。必須指出的是：圖10.4.3中穩(wěn)壓管的限流電阻R2連接到B點，是為了提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。此時，必須加入啟動電阻R1，否則電路不能正常工作。圖10.4.3采用晶體管放大器的串聯(lián)穩(wěn)壓電路(3)若RP的滑動端在最上端時(4)根據(jù)橋式整流電容濾波的輸出電壓RL=VA/IL=24V/1.2A=20Ω可見線性可調(diào)穩(wěn)壓電源在低電壓輸出時效率是非常低的，這種電源顯然是不適合較大功率應(yīng)用場合的。當(dāng)交流電壓最低時實際的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源工作時的效率沒有這么高，大多在40%～60%之間。1.三端固定輸出集成穩(wěn)壓器10.4.3三端集成穩(wěn)壓器圖10.4.478XX正電壓輸出系列封裝圖圖10.4.579XX負(fù)電壓輸出系列封裝圖78XX/79XX系列中的符號ⅩⅩ表示集成穩(wěn)壓器的輸出電壓的數(shù)值，以V為單位。每類穩(wěn)壓器電路輸出電壓有5V，6V，7V，8V，9V，10V，12V，15V，18V，20V和24V共11個檔次。2.三端輸出可調(diào)集成穩(wěn)壓器三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型產(chǎn)品有正電源輸出CW117、CW217、CW317系列和負(fù)電源輸出CW137、CW237、CW337系列。其輸出端與調(diào)整端之間的電壓為1.25V，稱為基準(zhǔn)電壓。CW117、CW117M、CW117L的最大輸出電流依次為1.5A、500mA、100mA。CW117、CW217、CW317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。它們的工作溫度范圍是：CW117(137)為—55～150℃，CW217(237)為—25～150℃；CW317(337)為0～125℃。圖10.4.6CW117及CW137系列塑料直插式封裝圖中，穩(wěn)壓器輸出電壓為12V，最大輸出電流為1.5A。為使電路正常工作，要求輸入電壓VI比輸出電壓Vo至少大2.5～3V。輸入端電容C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應(yīng)，以防止自激振蕩，還可抑制電源的高頻脈沖干擾。一般取0.1～1μF。輸出端電容C2、C3用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時也具有消振作用。D是保護二極管，用來防止在輸入端短路時輸出電容C3所存儲電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。CW7900系列的接線與CW7800系列基本相似。1.三端固定集成穩(wěn)壓器應(yīng)用10.4.4三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用圖10.4.7CW7800基本應(yīng)用電路2.三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器應(yīng)用可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和調(diào)整端之間是1.25V的基準(zhǔn)電壓源，因此圖10.4.9電路輸出電壓為:圖10.4.6CW117系列集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路組成框圖圖10.4.9CW117典型應(yīng)用電路調(diào)節(jié)電位器RP即可調(diào)節(jié)輸出電壓VO的大小。例10.4.3電路如圖10.4.7所示。已知輸入電壓VI的波動范圍為±10％；CW1l7正常工作時輸入端與輸出端之間電壓V12為3～40V，最小輸出電流Iomin＝5mA，輸出端與調(diào)整端之間電壓V23＝1.25V；輸出電壓的最大值Vomax＝28V。(1)輸出電壓的最小值Vomin＝?(2)R1的最大值R1max＝?(3)若R1＝200Ω，則R2應(yīng)取多少?(4)為使電路能夠正常工作，VI的取值范圍為多少?圖10.4.9CW117典型應(yīng)用電路解：(1)R2＝0時，Vo=Vomin=V23=1.25V。(2)為保證空載時CW117的輸出電流大于5mA，R1的最大值(3)若R1＝200Ω，為使Vomax=28V，則有可求出R2＝4.28kΩ(4)要使電路正常工作，就應(yīng)保證W117在VI波動時V12在3～40V范圍。當(dāng)VO最小且VI波動＋10％時，V12最大且應(yīng)小于40V，即V12max=1.1VI—VOmin=1.1VI－1.25<40V可得到VI的上限值為37.5V。

當(dāng)VO最大且VI波動-10％時，V12最小且應(yīng)大于3V，即V12min=0.9VI—VOmax=0.9VI－28>3V得VI的下限值為34.4V。所以，VI的取值范圍為34.4V～37.5V。(4)要使電路正常工作，就應(yīng)保證W117在VI波動時V12在3～40V范圍。當(dāng)VO最小且VI波動＋10％時，V12最大且應(yīng)小于40V，即V12max=1.1VI—VOmin=1.1VI－1.25<40V得到VI的上限值為37.5V。

當(dāng)VO最大且VI波動-10％時，V12最小且應(yīng)大于3V，即V12min=0.9VI—VOmax=0.9VI－28>3V得到VI的下限值為34.4V。所以，VI的取值范圍為34.4V～37.5V。10.5.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和分類10.5*開關(guān)穩(wěn)壓電路10.5.2開關(guān)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.5.3開關(guān)并聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.5.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和分類1.開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(1)效率高(2)體積小、重量輕(3)穩(wěn)壓范圍寬(4)紋波和噪聲較大(5)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜2.開關(guān)型穩(wěn)壓電路的分類(1)按開關(guān)管與負(fù)載間的接法分為：串聯(lián)型、并聯(lián)型。(2)按啟動開關(guān)管的方式可分為：自激型和它激型。(3)按開關(guān)器件分為：晶體管、Mos場效應(yīng)管、晶閘管電路。(4)按穩(wěn)壓的控制方式分：脈沖寬度調(diào)制(PWM)，脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合型調(diào)制。(5)按電路的結(jié)構(gòu)分：單管型、推挽型、半橋型及全橋型等。電路的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制式。圖中三極管T為工作在開關(guān)狀態(tài)的調(diào)整管。由電感L和電容C組成濾波電路，二極管VD稱為續(xù)流二極管。脈沖寬度調(diào)制電路由—個比較器和一個產(chǎn)生三角波的振蕩器組成。運算放大器A作為比較放大電路，基準(zhǔn)電源產(chǎn)生一個基難電壓。電阻R1、R2組成采樣電阻。10.5.2開關(guān)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖10.5.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的組成圖10.5.2脈沖調(diào)寬式開關(guān)型穩(wěn)壓電路原理由采樣電路得到的采樣電壓與輸出電壓成正比，它與基準(zhǔn)電壓進行比較并放大以后得到,被送到比較器的反相輸入端。振蕩器產(chǎn)生的三角波信號加在比較器的同相輸入端。圖10.5.2脈沖調(diào)寬式開關(guān)型穩(wěn)壓電路原理VE的極性為上正下負(fù)，則二極管D被反向偏置，不能導(dǎo)通，故此時二極管不起作用。當(dāng)VB為低電平時，調(diào)整管截止。在電感上產(chǎn)生的反電勢使電流通過負(fù)載和二極管繼續(xù)流通，因此，二極管D稱為續(xù)流二極管。此時調(diào)整管發(fā)射極的電位為圖10.5.4開關(guān)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的簡化電路圖10.5.3脈沖調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電路的波形圖10.5.3開關(guān)并聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖10.5.5并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的基本原理圖及其等效電