第9章直流穩(wěn)壓電源

(8-1)第九章直流穩(wěn)壓電源模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(8-2)第九章直流穩(wěn)壓電源§9.1直流電源的組成§9.2整流電路§9.3濾波電路§9.4穩(wěn)壓電路(8-3)電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定?！?.1直流電源的組成及各部分的作用(8-4)整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓?！?.2整流電路常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。(8-5)9.2.1單相半波整流電路u2>0時，二極管導(dǎo)通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降：

uo=u2一、工作原理(8-6)u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0時，二極管截止,輸出電流為0。uo=0(8-7)圖9.2.2半波整流電路的波形圖輸出電壓波形：半波整流仿真(8-8)(1)輸出電壓平均值Uo（AV）：二、主要參數(shù)圖9.2.3單相半波整流電路

輸出電壓平均值(8-9)(4)二極管上承受的反向最高電壓：(2)負(fù)載電流的平均值：(3)二極管電流的平均值：(5)脈動系數(shù)S：

S定義：整流輸出電壓的基波峰值UO1M與平均值UO(AV)之比。(8-10)三、二極管的選擇(8-11)9.2.2單相全波整流電路的工作原理u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：(8-12)9.2.3單相橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周時電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo一、單相橋式整流電路的組成二、工作原理(8-13)橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時電流通路(8-14)u2>0時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB橋式整流仿真(8-15)圖9.2.5單相橋式整流電路的習(xí)慣畫法(8-16)幾種常見的硅整流橋外形：+AC-~+~-~+-~(8-17)1.整流輸出電壓平均值Uo（AV）3.二極管電流的平均值ID（AV）三、主要參數(shù)2.輸出電流平均值Io（AV）(8-18)4.反向峰值電壓

二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo

分解后可得:5.脈動系數(shù)S(8-19)四、二極管的選擇(8-20)一、二倍壓整流電路u2的正半周時：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負(fù)半周時：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負(fù)載上的電壓：+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL9.2.4倍壓整流電路圖9.3.6二倍壓整流電路(8-21)+–二、多倍壓整流電路+–u2的第一個正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個負(fù)半周：u2、C2、D2、C1構(gòu)成回路，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6(8-22)+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：u2、C1、C3、D3、C2構(gòu)成回路，C1補(bǔ)充電荷，C3充電到：u2的第二個負(fù)半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構(gòu)成回路，C2補(bǔ)充電荷，C4充電到：把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。(8-23)§9.3濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。(8-24)9.3.1電容濾波電路以單相橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。一、濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(8-25)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–1.RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形仿真(8-26)2.RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–仿真(8-27)u2tuot電容充電時，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RLC越小，輸出電壓越低。3.RL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內(nèi)阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(8-28)二、輸出電壓平均值圖9.3.3電容濾波電路輸出電壓

平均值的分析(8-29)根據(jù)相似三角形可得(8-30)當(dāng)當(dāng)三、脈動系數(shù)(8-31)u2t只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD

。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可見，采用電容濾波時，整流管的導(dǎo)通角較小。四、整流二極管的導(dǎo)通角uot整流電路的輸出電流iD(8-32)五、電容濾波電路的輸出特性和濾波特性結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C

的變化而改變,Uo

和S也隨之改變。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。(8-33)9.3.2電感濾波電路圖9.3.8單相橋式整流電感濾波電路電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。(8-34)1、濾波原理對直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在XL上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：2、電感濾波的特點(diǎn)整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。(8-35)電感濾波后的輸出電壓平均值為輸出電壓的交流分量為(8-36)圖9.3.9復(fù)合型濾波電路9.3.3復(fù)合型濾波電路(8-37)§9.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)線性穩(wěn)壓電路。電路最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時有限，這里不做介紹。(8-38)9.4.1穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)（1）穩(wěn)壓系數(shù)Sr

穩(wěn)壓系數(shù)Sr反映電網(wǎng)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。（4）電流調(diào)整率SI

(3)輸出電阻Ro

(2)電壓調(diào)整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%時的Sr輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。（6）輸出電壓的溫度系數(shù)ST

如果考慮溫度對輸出電壓的影響,則輸出電壓是輸入電壓、負(fù)載電流和溫度的函數(shù)（5）紋波抑制比Srip

(8-41)串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–1.電路的構(gòu)成§9.4.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(8-42)T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–調(diào)整元件T：與負(fù)載串聯(lián)，通過全部負(fù)載電流?？梢允菃蝹€功率管，復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián)。比較放大器：可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運(yùn)算放大器。基準(zhǔn)電壓：可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。(8-43)T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–

因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。(8-44)一種實(shí)際的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源2.穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo當(dāng)UI增加或輸出電流減小使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UCE1(8-45)3.輸出電壓的可調(diào)范圍R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(8-46)4.調(diào)整管的選擇R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(8-47)隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。5.三端集成穩(wěn)壓器(8-48)1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123(8-49)注：型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值輸出電壓額定電壓值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式正穩(wěn)壓W78XX負(fù)穩(wěn)壓W79XX(8-50)

一、輸出為固定電壓的電路應(yīng)用電路輸出為固定正壓時的接法如圖所示。注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！+_W7800系列穩(wěn)壓器基本接線圖CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1μF(8-51)二、輸出正負(fù)電壓的電路正負(fù)電壓同時輸出電路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO(8-52)COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX:為W78XX固定輸出電壓

UO=UXX+UZ三、提高輸出電壓的電路(8-53)四、輸出電壓可調(diào)式電路用三端穩(wěn)壓器也可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，下圖是用W7805組成的7－30V可調(diào)式穩(wěn)壓電源。W7805132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1μ(8-54)(UXX=5V)運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器使用,它的電源就借助于穩(wěn)壓器的輸入直流電壓。由于運(yùn)放的輸入阻抗很高,輸出阻抗很低，可以克服穩(wěn)壓器受輸出電流變化的影響。132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1μW7805Uo19.4.3開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路一、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和基本原理二、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路三、并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路一、開關(guān)型穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及基本原理

線性穩(wěn)壓電源：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，紋波電壓小。缺點(diǎn)是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，因而功耗大，效率低（20％～49％）；需加散熱器，因而設(shè)備體積大，笨重，成本高。若調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高效率，開關(guān)型穩(wěn)壓電源的效率可達(dá)70％～95％。體積小，重量輕。適于固定的大負(fù)載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的場合。構(gòu)成開關(guān)型穩(wěn)壓電源的基本思路:

將交流電經(jīng)變壓器、整流濾波得到直流電壓↓控制調(diào)整管按一定頻率開關(guān)，得到矩形波↓濾波，得到直流電壓引入負(fù)反饋，控制占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。AC→DC→AC→DC二、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路

T截止，D導(dǎo)通，uE≈－UD；L

釋放能量，C放電。T、D均工作在開關(guān)狀態(tài)