第十三章 直流穩(wěn)壓電源

第十三章直流穩(wěn)壓電源第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日230三月2023直流穩(wěn)壓電源從工作狀態(tài)可分為：線性穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源——優(yōu)點(diǎn)：輸出平穩(wěn)，元件少。——缺點(diǎn)：效率低。開關(guān)穩(wěn)壓電源——優(yōu)點(diǎn)：效率高?！秉c(diǎn)：紋波大。下面我們討論線性穩(wěn)壓電源的組成部分及工作原理第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日330三月2023半導(dǎo)體直流電源的原理框圖交流電源負(fù)載變壓整流濾波穩(wěn)壓ututututut1、整流變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。2、整流電路：將交流電源電壓變換為單向脈動(dòng)電壓。3、濾波器：減小整流電壓的脈動(dòng)程度，以適合負(fù)載的需要。4、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)：在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，使直流輸出電壓穩(wěn)定。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日430三月2023§13–1單相半波整流電路整流電路：iD設(shè)變壓器副邊電壓為TrDR+ab~uuottuuoio

根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，在二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載兩端有輸出電壓；整流元件：1、電路2、工作原理

而在加反向電壓時(shí)二極管截止，負(fù)載得不到輸出電壓。

負(fù)載的電壓波形及電流波形見右下曲線圖。將交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓的電路。是具有單向?qū)щ娔芰Φ亩O管或晶閘管。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日530三月20233、輸出直流電壓UO，直流電流IO

二極管只在半個(gè)周期能夠?qū)щ?，而?fù)載上得到的電壓是單一方向，大小隨時(shí)間而變的(單向脈動(dòng)電壓)。

對這種整流的輸出電壓，常用一個(gè)周期的平均值來表示它的大小。其平均值為：t0uTUo如果電路負(fù)載已知，則整流輸出電流的平均值為第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日630三月20234、二極管的平均電流和最大反向電壓iDTrRab~uuoD二極管所承受的平均電流和最大反向電壓：例有一單相整流電路,負(fù)載電阻為750,變壓器副邊電壓為20V，試求Uo、Io及UDRM、并選用二極管。解查二極管參數(shù)(P358)，選用2AP4(16mA,50V)。為了使用安全此項(xiàng)參數(shù)選擇應(yīng)比計(jì)算值大一倍左右。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日730三月2023~RLuo~RLuuoa~TrRLbuuo~RLuuo13-2、單相橋式整流電路

單相半波整流電路只利用了電源的半個(gè)周期，并且整流電壓的脈動(dòng)較大。為此常采用全波整流電路，最常見的就是單相橋式整流電路，它有四個(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成。下圖給出了橋式整流電路的四種畫法。1、電路該電路的特點(diǎn)是：兩陰兩陽接負(fù)載，陰陽交會接電源。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日830三月2023

在變壓器副邊電壓u為正半周時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，而二極管D2、D4截止；uoa~TrRLbuD1D2D3D4uoa~TrRLbuD2D4t0u0T

當(dāng)副邊電壓u為負(fù)半周時(shí)，二極管D2、D4導(dǎo)通，而二極管D1、D3截止。2、橋式整流電路的工作原理t0uD2、D4通D1、D3通D1、D3通D2、D4通第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日930三月20233、輸出直流電壓與直流電流TUot0u第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日1030三月2023t0u0uoa~TrRLbuD2D4t0uTD1、D3通D1、D3通D2、D4通D2、D4通uoa~TrRLbuD1D2D3D44、二極管的平均電流和最大反向電壓第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日1130三月2023UUoIoUUoIoUUoUIo整流電壓平均值t0uot0uot0uo電路整流電壓波形二極管平均電流二極管反向電壓副邊電流有效值常見的幾種整流電路第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1230三月2023

從前面的討論得知，無論是哪種整流電路，其輸出電壓或電流都存在著脈動(dòng)現(xiàn)象。這在少數(shù)要求不高的場合，如電鍍、電解以及直流電磁鐵等處可以應(yīng)用。而各種電子設(shè)備，都要求平穩(wěn)的直流電源，因此要加濾波器以改善輸出波形的脈動(dòng)程度。對整流電路的濾波，一方面要盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成份，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。§13-3濾波電路第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日1330三月2023

濾波器的基本組成元件是電容或電感。利用它們在所供給的能量較多時(shí)儲存一部分能量，然后再逐漸釋放出來，從而得到比較平滑的波形。下面介紹幾種常用的濾波電路

從另一個(gè)角度來看，是利用L、C對不同頻率所呈顯的不同阻抗，將其合理地安排在電路中，就可以降低不需要的交流成分，保留直流成分，達(dá)到濾波的目的。t0u§13-3濾波電路第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日1430三月2023TrDRLab~uC=uoCt0u0D截止D導(dǎo)通D導(dǎo)通D截止D導(dǎo)通t0u0電容濾波器的作用1、電路與工作原理（1）未接電容時(shí)的波形（2）接電容以后根據(jù)以上的分析，負(fù)載上的電壓的脈動(dòng)程度大為減小，對于全波及橋式整流電路，其原理相同，只是波形更加平穩(wěn)。13.4、電容濾波電路(C濾波器)第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日1530三月2023

在負(fù)載不同的情況下，取用輸出電流Io愈大輸出平均電壓Uo愈小。其外特性曲線如右圖：

采用電容濾波時(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)程度與電容器的放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)，其值愈大則脈動(dòng)程度就愈小。一般認(rèn)為或即可達(dá)到要求，此時(shí)輸出電壓Uo由下式估算：(半波)(全波)

電容濾波器輸出電壓的脈動(dòng)程度有所改善，但帶負(fù)載能力較差。IoUo01.4U電容濾波0.45U無電容濾波(RL=∞)第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日1630三月2023

由于二極管的導(dǎo)通時(shí)間較短，因此通過二極管的的電流峰值較大，應(yīng)避免電流沖擊損壞二極管；

由于濾波電容保持有電壓輸出，應(yīng)注意二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓UDRM有所不同，帶電容濾波的半波整流電路帶電容濾波的橋式整流電路UDRM不變；

常用電容器一般在101~103微法，視負(fù)載電流大小而定。其耐壓值應(yīng)大于輸出電壓的最大值，一般大容量電容具有極性。電容濾波電路中元件的選擇：第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日1730三月2023~TrRLuCL電感電容濾波電路

由于電感線圈對整流電流的交流分量具有阻抗，L比RL大得愈多則濾波效果就愈好。

一般需要線圈的電感量較大，但其直流電阻也較大，因而會造成輸出電壓的下降。LC濾波器適于電流較大、輸出電壓脈動(dòng)很小的場合，更適合于高頻濾波。13.5、電感電容濾波器(LC濾波器)

要進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，可在濾波電容之前串入鐵心電感線圈L——即LC濾波器。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日1830三月2023-24VN2C1N3N13A2000F50VFU2C21A.047FFU12CZ124直流交流24V~220V

如圖電源輸出電壓為24V，電流為1.8A。變壓器副繞組N3的電壓約為20V，C2起抑制高頻干擾作用；副繞組N2的電壓為5.5V，供照明指示燈用。直流24V電池的極性可任意接入。實(shí)際電源舉例第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日1930三月2023RLUiC~UoIo

經(jīng)整流和濾波后，雖脈動(dòng)程度有了最大改善，但直流電壓幅度還會隨著電網(wǎng)的波動(dòng)或負(fù)載的變化而變化。

如圖采用橋式整流和電容濾波，得到直流電壓Ui，再經(jīng)過限流電阻R和穩(wěn)壓管DZ，使負(fù)載得到一個(gè)比較穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路§13.6直流穩(wěn)壓電源一、電路、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（并聯(lián)式穩(wěn)壓電源）DZRIZ最簡單的直流穩(wěn)壓電源是利用穩(wěn)壓管組成的。第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2030三月2023RLUiDZRC~UoIZIo穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路保持負(fù)載電壓Uo近似不變。當(dāng)電源電壓升高時(shí)當(dāng)負(fù)載增加時(shí)→保持負(fù)載電壓Uo近似不變。二、工作原理u↑→Ui↑→Uo

↑→IZ↑↑→UR

↑→Uo↓（RL↓）→Io↑→UR↑→Uo

↓→IZ

↓↓→UR

↓第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2130三月2023三、R的選擇RLUiDZRC~UoIZIo最壞的情況U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向IZmaxIZmin第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2230三月2023三、R的選擇RLUiDZRC~UoIZIoR稱為限流電阻，也叫穩(wěn)壓電阻。最壞的情況注意：R可能無解；同時(shí)注意電阻的功率。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2330三月2023四、DZ的選擇：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便缺點(diǎn)：輸出UO不能調(diào)整，輸出電流受限，輸出電壓的穩(wěn)壓性較差。效率很低RLUiDZRC~UoIZIo第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2430三月2023恒壓源RLUODZRFUZR2+UR++–R1RLUODZRFUZR2+UR++–R1反相輸入恒壓源同相輸入恒壓源第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2530三月2023§13.6.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的缺點(diǎn)

二、串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的引出UiDZRC~IZIoRLUoUoRL3、輸出穩(wěn)定性不高。2、工作電流小，帶負(fù)載差。1、輸出電壓不能任意調(diào)整。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2630三月2023UiDZRC~IZIoRLUoUoRLRLUODZC~UZRT1Io由于晶體管和負(fù)載是串聯(lián)的，所以稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。T叫調(diào)整管，二、串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的引出第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2730三月2023RLUODZC~R1UZR2R1R2UfR4R3T1T2Io輸出電壓的求法三、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的原理圖第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2830三月2023四、使用運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源RLUODZR1UZR2R1R2U1R3TIo++–第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2930三月2023§13.7集成三端穩(wěn)壓電器

穩(wěn)壓電源的應(yīng)用場合相當(dāng)廣泛，但分立件串聯(lián)型穩(wěn)壓電源及由運(yùn)放構(gòu)成的穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，還要注意加接保護(hù)電路。因此，單片集成穩(wěn)壓電源應(yīng)運(yùn)而生并且得到廣泛應(yīng)用?；究梢宰龅矫庹{(diào)試，且體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉。第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日3030三月2023一、外形圖和主要參數(shù)123123W78159824型號W7805W7809W7812W7815Uo(V)591215UiMax(V)35ΔUMin2~3Iom(A)2.2Ro(Ω)0.03~0.15

目前最普遍應(yīng)用的單片穩(wěn)壓電源是W（LM）7800系列和W（LM）7900系列。其內(nèi)部電路是在串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上構(gòu)成的。只有三個(gè)引出端：輸入端1、輸出端2和公共端3(俗稱三端集成穩(wěn)壓器)。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日3130三月2023CiCoW7800123UiUo+–+–++CiCoW7900321UiUo++––++W7800系列為正電源輸出，典型應(yīng)用只需在輸入端和輸出端與地之間各并聯(lián)一個(gè)電容即可。前者抵消較長輸入線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。后者用于吸收負(fù)載突變所產(chǎn)生的電壓抖動(dòng)雜波。W7900系列為負(fù)電壓輸出，除功能電極位置有差異外與W7800系列的應(yīng)用電路一致。二、典型應(yīng)用電路第三十一頁，共三十七頁，2022年，8