模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-08直流穩(wěn)壓電源

2023/2/51第8章直流穩(wěn)壓電源2023/2/52本章基本要求掌握直流穩(wěn)壓電源的電路組成和工作原理(包括單相半波整流、濾波、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路)；熟悉集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用；了解開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路及其工作原理等。2023/2/538.1概述穩(wěn)定電源的分類穩(wěn)定電源交流穩(wěn)定電源直流穩(wěn)定電源交流穩(wěn)壓電源化學(xué)穩(wěn)壓源直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)流電源交流穩(wěn)流電源線性穩(wěn)壓源開關(guān)型穩(wěn)壓源直流電源簡介2023/2/548.2直流穩(wěn)壓電源的電路組成及工作原理

8.2.1直流穩(wěn)壓電源的組成

＋12V－市電220V2023/2/559.2.2單相整流電路

9.2.2.1單相半波整流電路

電源變壓器負(fù)載整流二極管2023/2/56單相電源變壓器線圈鐵芯9.2.2.1單相半波整流電路2023/2/57假設(shè)變壓器二次側(cè)的電壓為

當(dāng)二極管的陽極電位高于陰極電位時(shí)才導(dǎo)通。

由二極管的單向?qū)щ娦苑治龅那疤醓.理想的變壓器b.

理想的二極管如果將二極管反接，輸出電壓有何變化？2023/2/58

負(fù)載上得到的是單向脈動(dòng)電壓，其大小仍然在不斷變化，其平均值為

(8-1)流過負(fù)載電阻電流的平均值為

(8-2)

單向半波整流電路中，二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓就是(8-3)2023/2/598.2.2.2單相橋式整流電路

1．單相橋式整流電路

1)電路組成常用的單相橋式整流電路如圖8-3a所示。

2023/2/510橋式整流硅堆：將四個(gè)二極管按橋式整流電路的方式連接好封裝在一起，只留四個(gè)引腳。市面上有售的如QL62A，其額定電流為2A，最大反向電壓為25V～1000V。橋式整流電路還有其它多種畫法2023/2/5112)工作原理分析的前提性能理想的二極管D1~D4(a)(b)理想變壓器u2ωt022Uu2

正半周時(shí)2023/2/512電壓u2為正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止二極管D1、D3電流二極管D1、D3承受的反向電壓u2ωt022Uωt0iD1iD3,L2/2RUωt0uD1uD3,22U詳細(xì)分析2023/2/513u2負(fù)半周時(shí)u2ωt022U2023/2/514二極管D2、D4電流二極管D2、D4承受的反向電壓電壓u2為負(fù)半周時(shí)D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU2023/2/515輸入電壓整流電路輸出電壓輸出電流u2ωt022Uuoωt022UL2/2RUωt0io輸出電流的平均值如果考慮二極管非線性，輸出電壓有何變化？2023/2/5162．橋式整流電路的性能指標(biāo)

（1）輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)的平均值直流電流為

（2）脈動(dòng)系數(shù)S

最低次諧波幅值與輸出電壓平均值之比定義為脈動(dòng)系數(shù)

（3）流過二極管的正向平均電流

==uot02023/2/517（4）二極管承受的最大反向電壓二極管在截止時(shí)管子承受的最大反向電壓(9-8)（5）輸出電壓紋波因數(shù)

Uor——輸出電壓中各次諧波電壓有效值的總和Uo——輸出電壓的平均值對(duì)于橋式整流電路2023/2/518

濾波電路的作用是濾除整流電壓中的高頻分量。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及有源濾波等。

整流輸出盡管已經(jīng)成為直流電壓，但脈動(dòng)太大，輸出中的高頻分量較多。全波和橋式整流輸出電壓可表示為：8.3濾波電路2023/2/5198.3.1電容濾波

濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及有源濾波。

濾波電容uot02023/2/5208.3.1電容濾波2023/2/521濾波原理

(1)當(dāng)C=0，外接RL時(shí)當(dāng)C=0(無濾波電容)時(shí)輸入電壓輸出電壓波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U輸出電壓輸出電壓平均值2023/2/522(2)當(dāng)C≠0、RL=∞時(shí)輸出電壓波形輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U電容器的充電時(shí)間常數(shù)為問題：ＲL開路，即空載時(shí)UO=？2023/2/523輸出電壓輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U二極管導(dǎo)通時(shí)電容器充電，充電時(shí)間常數(shù)uo=ucu2(3)當(dāng)C≠0、RL≠∞時(shí)2023/2/524當(dāng)C充電到最高點(diǎn)時(shí)C將通過RL開始放電。二極管D1、D3將截止，輸入電壓π2π3π4πu2ωt022UC充電到最高點(diǎn)π02π3π4πωtuouc,22UC開始放電2023/2/525輸出電壓波形C充電C放電D截止D導(dǎo)通濾波器輸入電壓波形電流流通角電流波形2023/2/5262)當(dāng)C開路，即無電容濾波但有負(fù)載的情況3)正常情況下1)當(dāng)R＝∞，即負(fù)載開路情況下電容濾波小結(jié)2023/2/527性能參數(shù)的工程估算

1)電容濾波電路的外特性

C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.當(dāng)io一定時(shí)，C越小，Uo(AV)越小，紋波越大。b.當(dāng)C一定時(shí)，io越大,Uo(AV)越小。外特性特點(diǎn)電容濾波電路適用于負(fù)載電流比較小或負(fù)載基本不變的場(chǎng)合。2023/2/5282)輸出直流電壓

一般取

2O(AV)2.1UU?3)輸出電流平均值

=若≥LCR=t2)5~(3T2023/2/5294)

整流二極管的平均電流

(b)二極管導(dǎo)通時(shí)，有沖擊電流；其特點(diǎn)：(a)比無濾波電容時(shí)的平均電流大；二極管的平均電流放電時(shí)間常數(shù)越大，θ越小，沖擊電流越大。(c)沖擊電流與二極管的導(dǎo)通角θ(θ<)有關(guān)。(8-11)5)整流二極管的最高反向電壓

2023/2/530【例8-1

，例8-2】鏈接

2023/2/531電容器的作用電容器在電路中的用途不同名稱也不同，如旁路電容、耦合電容、濾波電容、諧振電容、去耦電容等，但其原理都一樣。旁路(bypass)電容

耦合電容(如第3章中的RC耦合電路)濾波電容

諧振電容

電源去耦(decoupling)電容

2023/2/532在實(shí)際制作直流穩(wěn)定電源或電子電路時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①電源電路中對(duì)地濾波電容，多用容量較大的電解電容器。應(yīng)考慮各種電容器的自諧振頻率(FSR)值，所以需要在大容量濾波電容器兩端并聯(lián)小容量的電容器，以便為高頻諧波電壓提供了一個(gè)對(duì)地通路。②電源濾波中電容對(duì)地腳要盡可能靠近地，半導(dǎo)體器件(尤其是集成電路)電源引線端的去耦濾波電容器，應(yīng)盡量靠近器件的電源引腳端。③電源濾波電容并非越大越好，應(yīng)按實(shí)際需要選用。一般大電容濾除低頻波,小電容濾除高頻波。為使整流濾波電路能達(dá)到最高性價(jià)比，應(yīng)選用能與負(fù)載電阻匹配的電容值，這樣，既能使電路的輸出電壓達(dá)到要求，又不提高對(duì)其他元器件的性能要求，使電路達(dá)到最佳的性價(jià)比。2023/2/5338.3.2電感濾波電路

忽略電感器L的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的平均電壓和純電阻(不加電感)負(fù)載相同，即=0.9(8-12)

2023/2/5348.3.3復(fù)式濾波器

2023/2/535常用整流濾波電路2023/2/5368.4穩(wěn)壓電路

8.4.1并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

【例8-3】鏈接2023/2/537穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

在負(fù)載變化不大的場(chǎng)合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于負(fù)載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實(shí)際工作時(shí)要和電阻相配合使用，其電路如圖2-18所示選擇穩(wěn)壓管一般取UZ＝Uo

IZM＝(1.5~3)Iom

UI=(2~3)Uo

2023/2/538可得電阻R的取值范圍為當(dāng)負(fù)載電阻RL和輸入電壓UI一定時(shí)，電阻R的選擇是根據(jù)穩(wěn)壓管的電流不超過正常工作范圍來選的。穩(wěn)壓管的電流是在IZmin<IZ<IZM之間，2023/2/539UI↑→Uo（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑

Uo↓

穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓UI波動(dòng)使得輸出電壓Uo升高，其調(diào)節(jié)過程為：若輸入電壓UI不變，負(fù)載發(fā)生變化，如RL增大，其調(diào)節(jié)過程為：RL↓→Uo（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓

Uo↑

2023/2/5408.4.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路

8.4.2.1穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)

（1）輸入調(diào)整率和穩(wěn)壓系數(shù)

輸入調(diào)整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是指在負(fù)載和溫度不變的條件下，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響(8-14)工程常用穩(wěn)壓系數(shù)表示直流穩(wěn)壓電源的性能

(8-15)2023/2/541(2)負(fù)載調(diào)整特性

負(fù)載調(diào)整特性定義為輸出電壓的相對(duì)變化量與輸出電流變化量的比。

(8-16)(3)輸出電阻

(8-17)(4)溫度系數(shù)

(8-18)2023/2/5428.4.2.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成與工作原理

串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓是利用了電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓的基本原理，如圖8-12a所示。調(diào)整管2023/2/5431．電路組成調(diào)整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)基準(zhǔn)環(huán)節(jié)如圖8-13所示是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成框圖。2023/2/5442．穩(wěn)壓原理iUCEuL)(R或FUOUBu????ˉLLLLLLOU圖8-13中：

是整流濾波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大器，UREF為基準(zhǔn)電壓，R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)用來反映輸出電壓的變化(取樣)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是工作于線性狀態(tài)的調(diào)整管T與負(fù)載串聯(lián)，

故稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

2023/2/5453．輸出電壓在深度負(fù)反饋條件下(8-19)【例8-5】鏈接2023/2/5464．調(diào)整管參數(shù)選取原則(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U2023/2/5478.5集成穩(wěn)壓器

8.5.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

2.主要特點(diǎn)1.電路主要組成部分(1)串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路；(2)高精度基準(zhǔn)電壓源；(3)過流、過熱保護(hù)等電路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。2023/2/548

常用三端固定集成穩(wěn)壓器是7800系列和7900系列。7800系列輸出正電壓，其輸出電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V、24V等品種。

該系列的輸出電流分5檔，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。7900系列與7800系列所不同的是輸出電壓為負(fù)值。外形圖3.外形及特點(diǎn)2023/2/5494.分類按輸出電壓是否可調(diào)固定式三端穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器1——輸入端3——輸出端2——公共端78系列1——公共端3——輸出端2——輸入端79系列2023/2/550啟動(dòng)電路基準(zhǔn)電源調(diào)整環(huán)節(jié)比較放大過熱保護(hù)限流保護(hù)減流保護(hù)采樣環(huán)節(jié)5.78××內(nèi)部電路2023/2/551三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用C2防止自激振蕩C3減小高頻干擾C1

、C4減小輸出紋波和低頻干擾2023/2/552擴(kuò)大輸出電流UI+UOC1LM78×+–132C2R1T–OI￠OICI式中1RBOIII+=￠1BER1RUI=OBII￠+=bOCOIII￠+=圖中A6.01R=IA4.0B=IA4C=IA5O=I若=10，R1=0.5,|UBE|=0.3V,。則A1O=￠I2023/2/553雙路輸出電源2023/2/5548.5.2三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

(8-20)其中UREF=1.25V2023/2/555【例8-6】鏈接2023/2/556使用集成穩(wěn)壓器時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題

(1)選擇合適的集成穩(wěn)壓器類型

(2)選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)

(3)配置合適的外圍條件

1)選擇合適的濾波電容

2)防止產(chǎn)生自激

3)防止穩(wěn)壓器損壞

4)優(yōu)化PCB布局工藝

5)采取必要的散熱措施

2023/2/5578.5.3基準(zhǔn)電壓源

常用基準(zhǔn)電壓器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM385-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，MC1403(2.5V基準(zhǔn)電壓源)，LM431ACZ、TL431(精密可調(diào)2.5V～36V基準(zhǔn)穩(wěn)壓源)，LM399H(6.9999V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-5.0(5.0V精密基準(zhǔn)電壓源)等。1.TL431基準(zhǔn)電壓源TL431是一個(gè)性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓集成電路。該器件主要應(yīng)用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調(diào)電源和開關(guān)電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品。2023/2/5588.6開關(guān)式穩(wěn)壓電源

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電特性優(yōu)良，電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但調(diào)整管串接在負(fù)載回路里是它的根本弱點(diǎn)，存在著效率低（只有40%～60%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)，有時(shí)還要配備龐大的散熱裝置。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)（80%～95%），且穩(wěn)壓范圍寬，此外還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等優(yōu)點(diǎn)，因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于各種儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、空間技術(shù)以及電視接收機(jī)等家用電器產(chǎn)品中。

2023/2/559線性穩(wěn)壓電路的主要特點(diǎn)(1)電壓穩(wěn)定度高；(2)紋波電壓?。?3)響應(yīng)速度快；(4)電路簡單；(5)調(diào)整管的功耗大；(6)功率變換效率低。2023/2/5608.6.1開關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及分類

8.6.1.1開關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)

（1）允許電網(wǎng)電壓變化范圍寬。

（2）功耗低，效率高。開關(guān)電源效率約為80～95％。(3)開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量要比同功率的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源小且輕。

（4）可靠性高。（5）容易實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出和遙控。

2023/2/5618.6.1.2開關(guān)式穩(wěn)壓電源的分類

按負(fù)載與儲(chǔ)能電感的連接方式分，有串聯(lián)型與并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源；

按不同的激勵(lì)方式分，有自激式與他激式開關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路結(jié)構(gòu)可分為單管型、推挽型、半橋型和全橋型。

按控制方式分為脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)、脈沖調(diào)頻式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合調(diào)制式(PWM與PFM)三種。

2023/2/5628.6.2開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

8.6.2.1開關(guān)穩(wěn)壓中換能電路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開關(guān)管續(xù)流二極管儲(chǔ)能電感濾波電容2023/2/563控制脈沖的特點(diǎn)：

來自反饋控制電路,周期T恒定。Ui為高電平(Ton期間)時(shí)，T飽和導(dǎo)通，IEUu?D截止，C2充電、L儲(chǔ)能；Ui為低電平(Toff期間)時(shí)，T截止，

D導(dǎo)通，C2、L放能。2023/2/564直流平均電壓(8-21)q稱為脈沖波形的占空比，即一個(gè)周期持續(xù)脈沖時(shí)間ton與周期T之比值。

(8-22)TTTTTqonoffonon=+=2023/2/5658.6.2.2串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開關(guān)管續(xù)流二極管控制脈沖儲(chǔ)能電感濾波電容2023/2/5662023/2/567工作波形toffttt圖8-31圖9-22中uE(uD)、iL、uo的波形

ImintonImaxiL0UoIOuo-UD00uE(uD)電感電流iL輸出電壓uo射極電壓uE2023/2