電子線路高頻非線性部分15

第1章功率電子線路1.5整流與穩(wěn)壓電路1.5.1整流電路1.5.2串聯(lián)型穩(wěn)壓器

1.5.3開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器

整流電路的功能是將電力網(wǎng)提供的交流電壓變換為直流電壓。穩(wěn)壓電路具有調(diào)節(jié)功能，將整流電路輸出的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。1.5.1整流電路

整流電路有半波、全波、橋式三種基本形式。

一、半波整流電路

半波整流電路如圖1–5–1(a)所示。在圖1–5–1(a)中，Tr—

電源變壓器；D—

整流二極管；RL

—

負(fù)載電阻；CL—濾波電容。設(shè)

v2=V2msin

t忽略二極管的導(dǎo)通電壓，并設(shè)導(dǎo)通電阻為RD。

v2>vo二極管導(dǎo)通，電容充電。

v2<vo

二極管截止，電容放電。

動(dòng)態(tài)平衡后，二極管電流iD=iO

是一串窄脈沖序列。

如圖1–5–2(a)所示，CL一定時(shí)，RL越小，紋波越大。

如圖1–5–2(b)所示，RL一定時(shí)，CL越大，紋波越小。參見(jiàn)圖1–5–1(b)和圖1–5–1(c)，經(jīng)過(guò)RLCL的濾波，輸出電壓是直流電壓VO和一個(gè)鋸齒狀波動(dòng)電壓的疊加。波動(dòng)電壓稱為紋波電壓。直流電壓VO及紋波電壓的大小與RL

和CL的數(shù)值有關(guān)。二、全波和橋式整流電路1．全波整流電路全波整流電路如圖1–5–4(a)所示。

當(dāng)v2>vO時(shí)，二極管導(dǎo)通，所以在v2

的正負(fù)半周D1

和D2

輪流導(dǎo)通。

穩(wěn)態(tài)波形如圖1–5–4(b)所示。O由于電流脈沖的頻率比半波整流提高一倍，輸出的直流電流IO和輸出電壓VO比半波整流電路大，RL和CL的濾波作用提高，紋波電壓比半波整流電路小。2．橋式整流電路圖1–5–5橋式整流電路及其電壓和電流波形

如圖1–5–5(a)所示，v2正峰值附近D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。

v2

負(fù)峰值附近D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。

圖1-5-5橋式整流電路及其電壓和電流波形

IO與VO與全波整流電路相同，但截止時(shí)的反向電壓由兩只二極管共同承擔(dān)。電壓和電流的波形如圖1–5–5(d)、(e)、(f)所示。

三、三種整流電路的性能1．半波整流電路優(yōu)點(diǎn)：元件少，電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：VO小，紋波大。

2．全波整流電路優(yōu)點(diǎn)：VO大，紋波小。缺點(diǎn)：二極管承受的反向電壓高。

3．橋式整流電路

優(yōu)點(diǎn)：VO

大，紋波小，輸出功率相同時(shí)，變壓器的伏安容量比全波整流小。

缺點(diǎn)：二極管數(shù)量多。四、倍壓整流電路倍壓整流電路如圖1–5–9所示。適用于VO

大，IO

小的場(chǎng)合。

動(dòng)態(tài)平衡后，v2

正峰值附近D1

導(dǎo)通，向CL1

充電，充電電壓vO1，v2

負(fù)峰值附近D2

導(dǎo)通，向CL2

充電，充電電壓vO2。負(fù)載RL

上的電壓為半波整流電路的兩倍。

同樣原理可以構(gòu)成多次倍壓電路。1.5.2串聯(lián)型穩(wěn)壓器一、工作原理1．組成串聯(lián)型穩(wěn)壓器的組成如圖1-5-12(a)所示。圖1-5-12(a)串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成方框圖

串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。

調(diào)整管——功率管或復(fù)合管與負(fù)載串聯(lián)。

比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。

串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。調(diào)整管——功率管或復(fù)合管與負(fù)載串聯(lián)。比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。圖1-5-12(a)串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成方框圖

基準(zhǔn)電壓源——溫度系數(shù)很小的電壓源電路。

比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。串聯(lián)型穩(wěn)壓器的工作原理如圖1–5–12(b)所示。T5—調(diào)整管，工作在放大區(qū)。

VB5

VCE5

。

R1、R2取樣電路。取樣電壓

基準(zhǔn)電壓VREF

由T1、T2

組成的差分放大器作為比較放大器，T3、T4

為有源負(fù)載。

當(dāng)VS=VREF

VO=VI-VCE5=VREF/n

若VI

或RL

變化使VO

增加VO

VS

(VREF

不變)

VC2=VB5

VCES

VO

。

反之亦然。

二、穩(wěn)壓性能1．穩(wěn)壓系數(shù)SV

輸入電壓變化

VI

時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量稱為穩(wěn)壓系數(shù)

2．負(fù)載調(diào)整率

SI

輸入電壓VI不變，輸出電流變化時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量稱為負(fù)載調(diào)整率

1．穩(wěn)壓系數(shù)SV

2．負(fù)載調(diào)整率

SI

3．輸出電阻Ro

將穩(wěn)壓源等效為一個(gè)電壓源時(shí)的內(nèi)阻。除以上參數(shù)外，還有紋波抑制比Srip和輸出電壓溫度系數(shù)ST等。三、集成串聯(lián)穩(wěn)壓電源

1．基準(zhǔn)電壓源電路

穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓源電路如圖1–5–13(a)所示。設(shè)T管的發(fā)射結(jié)和D2、D3的正向?qū)妷壕嗟?，用V(on)表示?；鶞?zhǔn)電壓VREF

VZ(6~8

V)具有正溫度系數(shù)，V(on)

具有負(fù)溫度系數(shù)。

滿足時(shí)，基準(zhǔn)電壓VREF的溫度系數(shù)如圖1–5–13(b)所示的能隙基準(zhǔn)電壓源電路中

忽略T3

管的基極電流

VT

具有正溫度系數(shù)，VBE(on)

具有負(fù)溫度系數(shù)。適當(dāng)選擇電阻的比值(R2/R3)，可以使VREF

的溫度系數(shù)為零。

2．7800系列三端式集成串聯(lián)穩(wěn)壓電路

典型應(yīng)用電路圖1-5-14(a)所示。

輸出電壓VO

固定，5

V、6

V、9

V、

。

輸入電壓VI

一般應(yīng)比輸出電壓高3

V以上。

C1、C2

消振作用。

內(nèi)部電路如圖1-5-14(b)所示。

3．基準(zhǔn)電壓電路

能隙基準(zhǔn)電路，由T1、T2、T7、R1、R3、R10

及R2、T5、T6、T3、T4

組成。

4．比較放大器

基準(zhǔn)電路和比較放大器形成一個(gè)整體，由T3、T4、T11、有源負(fù)載T9

構(gòu)成CE–CC組和放大器。

5．調(diào)整管T16、T17組成復(fù)合調(diào)整管。圖1–5–14(b)6．保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)，T15、R11、R12。

過(guò)熱保護(hù)，T14、R7

組成，R7

具有正溫度系數(shù)。

7．啟動(dòng)電路由D1及T12、T13、R4、R5、R18等組成。1.5.3開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的啟閉時(shí)間來(lái)調(diào)整輸出電壓。

一、直流–直流變換器1．降壓型變換器

圖1–5–15(a)原理電路

如圖1–5–15(a)所示，電路由開(kāi)關(guān)S、續(xù)流二極管D和低通濾波器L1、C2

組成。

S閉合：vA=VI，D截止，電感L1

充電。

S斷開(kāi)：vA=0，D導(dǎo)通(設(shè)VD(on)=0)，電感L1

放電。

圖1-5-15降壓型變壓器的原理電路及相應(yīng)的波形降壓型變換器的波形如圖1-5-15(b)所示，忽略VO

上疊加的紋波電壓，S閉合。

vL=vA-VO=VI-VO

根據(jù)

為保持iL

連續(xù)得VO=dVI

調(diào)整d可以就可以改變輸出電壓，d恒小于1，所以為降壓型變換器。

2．升壓型變換器

升壓型變換器如圖

1–5–16所示。圖1-5-16升壓型變換器原理電路

當(dāng)S閉合時(shí)，D截止，vA=0。

當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，D導(dǎo)通，vA=VO。

根據(jù)求得

d恒小于1，所以為升壓型變換器。

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以效率比串聯(lián)型穩(wěn)壓器高。一般采用直接整流，不需要電源變壓器，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器存在紋波電壓高的缺點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾比串聯(lián)型穩(wěn)壓器大。

圖1-5-16升壓型變換器原理電路二、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的工作原理降壓型變換器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路如圖1–5–18(a)、(b)所示。當(dāng)VS=VREF

時(shí)誤差放大器輸出靜態(tài)電壓，經(jīng)電壓比較器使T1

管的導(dǎo)通時(shí)間為ton

或占空系數(shù)為d0，穩(wěn)壓器的輸出電壓

調(diào)解過(guò)程如下：VO

VS

ton

d

VO

反之亦然。三、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路舉例

用集成串聯(lián)穩(wěn)壓器LM105構(gòu)成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路如圖

1–5–