硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路課件

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第十九講16.2硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路16.2.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理16.2.2穩(wěn)壓電阻的計(jì)算16.2.3基準(zhǔn)源16.2.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖16.02所示。

它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起較小的電壓變化。圖16.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2)當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓

負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過(guò)程可概括如下：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑16.2.2穩(wěn)壓電阻的計(jì)算穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓電阻

R

的作用將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用，同時(shí)R也是限流電阻。

顯然R的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達(dá)到足夠的穩(wěn)壓效果。但R的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動(dòng)態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓電阻的計(jì)算如下

當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過(guò)IZmax，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(1)(2)穩(wěn)壓二極管在使用時(shí)一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過(guò)規(guī)定值，否則會(huì)造成損壞！16.3線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大，效率低。16.3.1

線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理16.3.2

穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)16.3.3

三端集成穩(wěn)壓器16.3.1線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理(1)線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖16.03來(lái)說(shuō)明。顯然，VO=VI-VR，當(dāng)VI增加時(shí)，R受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對(duì)輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL增加，R受控制而減小，使VR減小，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對(duì)輸出電壓減小的影響。圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源圖16.03串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

在實(shí)際電路中，可變電阻R是用一個(gè)三極管來(lái)替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當(dāng)于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來(lái)構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖16.04所示。它由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成。

圖16.04串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖（動(dòng)畫16-2）2．負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變

負(fù)載電流IL的增加，必然會(huì)使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過(guò)取樣電路取出一部分信號(hào)Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得的誤差信號(hào)使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算根據(jù)圖16.04可知Vf≈VREF調(diào)節(jié)R2顯然可以改變輸出電壓。（動(dòng)畫16-1）16.3.2

穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時(shí)輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過(guò)損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對(duì)穩(wěn)壓電源的短路進(jìn)行保護(hù)。過(guò)載也會(huì)造成損壞。保護(hù)的方法反饋保護(hù)型溫度保護(hù)型截流型限流型利用集成電路制造工藝，在調(diào)整管旁制作PN結(jié)溫度傳感器。當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)電路工作，工作原理與反饋保護(hù)型相同。截流型限流型當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)保護(hù)電路使調(diào)整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性見圖16.05。是當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)電路中取樣電阻的反饋?zhàn)饔茫敵鲭娏鞯靡韵拗?。限流特性見圖16.06。

圖16.05截流型特性

圖16.06限流型特性2.外形及引腳功能W7800系列穩(wěn)壓器外形1—

輸入端3—公共端2

—輸出端78xxW7900系列穩(wěn)壓器外形1—公共端3—輸入端2—輸出端79xx塑料封裝TO--220(2)線性三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種：1.固定正輸出集成穩(wěn)壓器，國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW78--/CW78M--/CW78L--2.固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW79--/CW79M--/CW79L--3.可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器，國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW117--/CW117M—CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L-4.可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，國(guó)標(biāo)型號(hào)為CW137--/CW137M—CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337MCW337L--5.三端低壓差集成穩(wěn)壓器6.大電流三端集成穩(wěn)壓器以上1---為軍品級(jí)；2---為工業(yè)品級(jí)；3---為民品級(jí)。

軍品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；

工業(yè)品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；民品級(jí)多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。(3)應(yīng)用電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖16.09所示?？烧{(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和公共端之間是1.25

V的參考源，因此輸出電壓可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)。

16.09應(yīng)用電路(固定)三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖16.10所示。

圖16.10應(yīng)用電路(可調(diào))提高輸出電壓的電路CoW78XXCiUI+_+_Uo123UXXUZRDZUXX:為W78XX固定輸出電壓Uo=UXX+UZ（4）利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源

圖16.11穩(wěn)壓器做恒流源圖16.12可調(diào)穩(wěn)壓器做恒流源電路

(a)小電流恒流源

(b)大電流恒流源三端集成穩(wěn)壓器可做恒流源使用,電路見圖16.11和16.12。16.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源

為解決線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點(diǎn)，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率可達(dá)90%以上，造價(jià)低，體積小?，F(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源已經(jīng)比較成熟，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是紋波較大，用于小信號(hào)放大電路時(shí)，還應(yīng)采用第二級(jí)穩(wěn)壓措施。16.4.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理16.4.2集成開關(guān)型穩(wěn)壓器

三角波發(fā)生器通過(guò)比較器產(chǎn)生一個(gè)方波，去控制調(diào)整管的通斷。調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)，向電感充電。當(dāng)調(diào)整管截止時(shí)，必須給電感中電流提供一個(gè)泄放通路。續(xù)流二極管D即可起到這個(gè)作用，有利于保護(hù)調(diào)整管。

根據(jù)電路圖的接線，當(dāng)三角波的幅度小于比較放大器的輸出時(shí)，比較器輸出高電平，對(duì)應(yīng)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間為ton；反之輸出為低電平，對(duì)應(yīng)調(diào)整管的截止時(shí)間toff。輸出波形中電位水平高于高電平最小值的部分，對(duì)方波而言，相當(dāng)方波存在的部分。輸出波形中電位水平低于低電平最大值的部分，對(duì)方波而言，相當(dāng)方波不存在的部分。

為了穩(wěn)定輸出電壓，應(yīng)按電壓負(fù)反饋方式引入反饋，以確定基準(zhǔn)源和比較放大器的連線。設(shè)輸出電壓增加，F(xiàn)VO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。

各點(diǎn)波形見圖16.14。由于調(diào)整管發(fā)射極輸出為方波，有濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。

圖16.14開關(guān)電源波形圖

可以通過(guò)改變比較器輸出方波的寬度（占空比）來(lái)控制輸出電壓值。這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。q稱為占空比方波高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。在輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓與占空比成正比。忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有16.4.2集成開關(guān)型穩(wěn)壓器(簡(jiǎn)介）典型的開關(guān)電源控制器和開關(guān)電源見下表

型號(hào)電源范圍/V最大輸出電流/A內(nèi)部參考源/V輸出級(jí)形式TL4947～400.25推挽或單端SG35248～350.15推挽SG35258～350.55推挽LM25753.5～3511.23_

表中前三個(gè)是開關(guān)電源控制器，后一個(gè)是單片開關(guān)電源穩(wěn)壓器。實(shí)際上就是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器，經(jīng)常也用于其它脈寬調(diào)制場(chǎng)合。集成開關(guān)穩(wěn)壓器，一般有兩大類型。一類是包括調(diào)整管在內(nèi)的集成開關(guān)穩(wěn)壓器;另一類稱為開關(guān)電源控制器，它不包括調(diào)整管。(1)開關(guān)穩(wěn)壓電源概述

利用集成開關(guān)電源控制器可以方便地構(gòu)成開關(guān)電源。SG3524是一個(gè)典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖16.15所示。

(2)開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器SG3524圖16.15SG3524的內(nèi)部方框圖

它的內(nèi)部包括有誤差放大器、限流保護(hù)環(huán)節(jié)、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。SG3524構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖16.16所示。圖16.16開關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路

3524從11和14腳輸出在時(shí)間上互相錯(cuò)開的兩路控制信號(hào)，其開關(guān)頻率由6和7腳外接的RT和CT決定。1和2腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入端，R1和R2構(gòu)成反饋回路。16腳是基準(zhǔn)源，由R3和R4給誤差運(yùn)算放大器提供一個(gè)與反饋信號(hào)比較的給定電壓。

V3和V4是或非門的輸出，只要或非門的輸入端有高電平，它的輸出即為低電平。V3和V4的輸出由V2、CP、Q或Q決定。因Q和Q只能有一個(gè)是高電平，T2和T1不可能同時(shí)導(dǎo)通。T1和T2只能按推挽方式工作，輪流交替導(dǎo)通。

SG3524電路控制過(guò)程的波形如圖16.17所示。

圖16.17SG3524的波形圖

鋸齒波由振蕩器提供，V1是誤差放大器的輸出，它們一起加到比較器上。V2是比較器的輸出。振蕩器輸出的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)T'觸發(fā)器，CP、Q和V2的或非是V3，決定T1的通斷。CP、Q和V2的或非是V4，決定T2的通斷。由于Q和Q等寬，加上V2的存在，所以V3和V4這兩路信號(hào)之間有一定的死區(qū)，以保證T