電子技術基礎-第九章-直流穩(wěn)壓電源

電子技術基礎--第九章--直流穩(wěn)壓電源第1頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月10.0引言

電子電路都需要穩(wěn)定的直流電源供電。雖然在有些情況下（如便攜設備）可用化學電池作為直流電源，但大多數(shù)情況是利用電網(wǎng)提供的交流電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換而得到直流電源的。本章將介紹單相小功率直流電壓源的組成和工作原理。第2頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓v1變?yōu)楹线m的交流電壓v2。整流電路:將交流電壓v2變?yōu)槊}動的直流電壓v3。濾波電路:將脈動直流電壓v3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簐4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓Vo的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路v1v2v3v4Vo第3頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月單相小功率直流電壓源一般由四部分組成:電源變壓器整流濾波穩(wěn)壓第4頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容：

(1)小功率整流濾波電路

(2)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路基本要求:(1)掌握單相橋式整流電容濾波電路的工作原理及各項指標的計算。

(2)掌握帶放大器的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理及輸出電壓的計算。

(3)掌握三端集成穩(wěn)壓模塊的使用第5頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1

單相小功率整流濾波電路10.1.2

濾波電路10.1.1

單相小功率整流電路第6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.1

單相小功率整流電路單相小功率整流電路的分類:一、單相半波整流電路二、單相全波整流電路三、單相橋式整流電路四、倍壓整流電路整流電路是最基本的將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路第7頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月對整流電路要研究清楚以下問題：1.電路的工作原理：二極管工作狀態(tài)、波形分析2.輸出電壓和輸出電流的平均值：輸出為脈動的直流電壓3.整流二極管的選擇：二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓第8頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月整流二極管的伏安特性：正偏時導通，管壓降為0V，電流決定于外電路反偏時截止，電流為0，兩端電壓決定于外電路

實際特性理想化特性第9頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月~220Vv2iDvLv2V2m+-iDvL整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向?qū)щ娦?。~220Vv2iDvL+-一、單相半波整流電路為分析問題簡單起見，設二極管為理想二極管，變壓器內(nèi)阻為0。1、電路結(jié)構、工作原理第10頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2、主要參數(shù)計算：IL=VL/RL=0.45V2

/RL

vL

20

t（2）輸出電流平均值(直流分量)

IL

：（1）輸出電壓平均值(直流分量)VL：注意:V2是副邊電壓的有效值第11頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）流過二極管的平均電流：vD

20

tVRMVRM=22V（4）二極管承受的最高反向電壓：ID

=

IL=VL/RL=0.45V2

/RL

選管時應滿足：

IF

ID

，VBR

VRM并留有安全裕量注意:V2是副邊電壓的有效值第12頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月已知變壓器副邊電壓有效值V2=30V,負載電阻RL=100Ω,試問:(1)負載電阻上的電壓平均值和電流平均值各為多少?(2)電網(wǎng)電壓波動范圍是±10%,二極管承受的最大反向電壓和流過的最大電流平均值各為多少?3、思考第13頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月解:VL=0.45V2=0.45

×30=13.5VIL=VL/RL=0.45V2

/RL

=13.5/100=0.135AVRM=1.122V=46.7VID

=1.1IL=1.1

×0.135=0.15A~220Vv2iDvL已知變壓器副邊電壓有效值V2=30V,負載電阻RL=100Ω,試問:(1)負載電阻上的電壓平均值和電流平均值各為多少?(2)電網(wǎng)電壓波動范圍是±10%,二極管承受的最大反向電壓和流過的最大電流平均值各為多少?第14頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月4、總結(jié)優(yōu)點：電路中所使用的整流二極管數(shù)量少缺點：（1）輸出電壓??；（2）輸出電壓、電流的脈動較大；（3）電源變壓器只在正半周內(nèi)有電流供給負載，變壓器不能充分利用；而且二次繞組中通過含有直流成分的電流，造成鐵芯直流磁化。

~220Vv2iDvL第15頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月~220VvLiLRLv2v2’+--+~220VvLiLRLv2’v2-+-+二、單相全波整流電路變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓v2當v2正半周時，D1導通，D2截止。當v2負半周時，D2導通，D1截止。1、電路結(jié)構、工作原理第16頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）輸出電壓平均值(直流分量)VL：（2）輸出電流平均值(直流分量)

IL

：2、主要參數(shù)計算：第18頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）流過二極管的平均電流：

ID=IL/2=VL/2RL=0.45V2/RL

（4）二極管承受的最高反向電壓：第19頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

整流電路如圖所示，變壓器副邊電壓有效值V2＝20V。畫出輸出電壓的波形和平均值、整流二極管的最大整流電流和最高反向工作電壓。

~220VvLiLRLv2’v23、思考第20頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月4、總結(jié)優(yōu)點：（1）輸出電壓高；（2）輸出電壓脈動較??；缺點：二極管承受的反向電壓高第21頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月三、單相橋式整流電路+-1、電路結(jié)構、工作原理第22頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月+-第23頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月紋波直流分量(恒定分量)對輸出電壓vL的分析第24頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）輸出電壓平均值(直流分量)VL：2、主要參數(shù)計算：第25頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）輸出電流平均值(直流分量)

IL

：第26頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）紋波系數(shù)諧波電壓總的有效值直流分量第27頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）流過二極管的平均電流：第28頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）二極管承受的最高反向電壓：第29頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)脈動系數(shù)S1用傅氏級數(shù)對橋式整流的輸出vL分解后可得:vL

20

t基波基波峰值輸出電壓平均值第30頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月單相橋式整流電路的負載特性曲線單相橋式整流電路的負載特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關系曲線。曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。第31頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月若二極管D1接反會如何?D1接反3、思考v２正半周時，D1D４和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，vL=0。v２則負半周時，二極管D2、D1導通，造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D2、D1

將被燒壞。第32頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月若二極管D1開路會如何?D1開路v２正半周時，D1和D3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，vL=0。v２負半周時，D２和D４導通，負載中有電流通過，負載電壓vL=v２。電路為單相半波整流電路。第33頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月若二極管D1擊穿短路會如何?D1短路v２負半周時，情況與D１接反類似，電源及D1或D２也將因電流過大而燒壞。第34頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月4、橋式整流電路的優(yōu)點和缺點優(yōu)點：輸出電壓高，紋波電壓小管子所承受的反向電壓低電源變壓器在正負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的應用，效率較高。缺點：二極管用得較多。第35頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月整流橋堆集成的橋式整流電路稱為整流橋堆。QL51A~GQL62A~L（額定電流2A，最大反向電壓為25V~1000V）

~+~-

+–v2vL+

–

第36頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月四、倍壓整流電路

利用倍壓整流電路可以得到比輸入交流電壓高很多倍的輸出直流電壓。第37頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月當v2為正半周時，二極管Ｄ１正向偏置導通，v2通過Ｄ2

向電容器C1充電，在理想情況下，充電至vC1≈V2，極性為右正左負。當v2為負半周時，Ｄ１反偏截止，Ｄ2

正偏導通，電容C2充電，最高可充到vC2≈，極性為右正左負。第38頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月當v2再次為正半周時，Ｄ１、Ｄ2反偏截止，Ｄ3正偏導通，電容C3充電，最高可充到vC3≈，極性右正左負。依次類推，若在上述倍壓整流電路中多增加幾級，就可以得到近似幾倍壓的直流電壓。此時只要將負載接至有關電容組的兩端，就可以得到相應的多倍壓的輸出直流電壓。第39頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月在倍壓整流電路中，每個二極管承受的最高反向電壓為；電容C1的耐壓應大于，其余電容的耐壓應大于。第40頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動成分，使其更接近于直流。濾波的方法一般采用無源元件電容或電感，利用其對電壓、電流的儲能作用達到濾波的目的。10.1.2

濾波電路第41頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種濾波電路（a）電容濾波電路（b）電感電容濾波電路（倒L型）（c）

型濾波電路＋＋＋＋電抗元件(C、L)在電路中有儲能作用，所以它們具有平波作用。第42頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電容濾波電路其結(jié)構為在整流電路的輸出端并聯(lián)一較大容量的電解電容，該形式電路多用于小功率電源電路中。依靠電容的充放電作用可減小紋波：當變壓器副邊電壓小于電容兩端電壓時，由電容向負載放電。當變壓器副邊電壓大于電容兩端電壓時，由電壓向電容充電，并向負載提供電壓。１．電路結(jié)構第43頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）空載（RL=∞）時：v2tvLtvc=vLv2＞vC時：二極管導通，C充電v2＜vC時：二極管截止，C放電。由于RL=∞，無放電回路，所以vC保持。２．工作原理第44頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）接入RL（且RLC較大）時v2tiDtv2＞vC時：二極管導通，C充電v2＜vC時：二極管截止，C放電。二極管中的電流vc=vL第45頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)流過二極管瞬時電流很大整流管導電時間越短

iD的峰值電流越大(1)VL與RLC的

關系：RLC愈大

C放電愈慢

VL(平均值)愈大RLC較大v2tiDtvc=vL當整流電路的內(nèi)阻不太大（幾歐姆）且

d

(3

5)T/2時，VL=(1.1

1.2)V2３．數(shù)量關系第46頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月純電阻和電容濾波電路的外特性第47頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月討論已知變壓器副邊電壓有效值為10V，電容足夠大，判斷下列情況下輸出電壓平均值VL≈？

1.正常工作；

2.C開路；

3.RL開路；

4.D1和C同時開路。第48頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月４．電容濾波電路的優(yōu)缺點：優(yōu)點：電路結(jié)構簡單，輸出直流電壓VL較高，可達（1.1-1.2）V2，紋波較小。缺點：輸出特性較差，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。第49頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電感濾波電路

利用儲能元件電感器Ｌ的電流不能突變的性質(zhì)，把電感Ｌ與整流電路的負載ＲL相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。

適于大電流負載！對直流分量:

XL=0相當于短路,電壓大部分降在RL上對諧波分量:

f越高，XL越大,電壓大部分降在電感上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。第50頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月VL=0.9V21.當v2正半周時，D1、D3導電，電感中的電流將滯后v2。2.當負半周時，電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性，和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管D1、D3

；D2、D4的導通角都是180°。第51頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月三、其他形式的濾波電路改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：L-C型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–

型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。性能及應用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C型濾波電路。第52頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2

串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路10.2.1

穩(wěn)壓電源指標10.2.3串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路工作原理10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器10.2.5

三端集成穩(wěn)壓器的應用10.2.2并聯(lián)型穩(wěn)壓電路第53頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓電路的作用:使直流電路在電網(wǎng)波動、負載變化、溫度變化等因素影響下保證輸出電壓穩(wěn)定。交流電壓脈動直流電壓整流濾波有波紋的直流電壓穩(wěn)壓直流電壓第54頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓電源類型以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路開關型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設備)電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，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。第55頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月特性指標允許的輸入電壓允許的輸出電壓輸出電流輸出電壓調(diào)節(jié)范圍質(zhì)量指標:衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度穩(wěn)壓系數(shù)輸出電阻溫度系數(shù)紋波電壓:穩(wěn)壓電路輸出端交流分量的有效值,毫伏數(shù)量級,表示輸出電壓的微小波動。10.2.1穩(wěn)壓電源的技術指標第56頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓10.2.1

穩(wěn)壓電源質(zhì)量指標輸出電壓變化量輸入調(diào)整因數(shù)電壓調(diào)整率穩(wěn)壓系數(shù)反映了輸入電壓波動對輸出電壓的影響第57頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電阻溫度系數(shù)第58頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月正常穩(wěn)壓時VO=VZIZmin

≤IZ≤IZmaxVIVOIZIRVRVO穩(wěn)壓管自動調(diào)節(jié)電流的作用是穩(wěn)定輸出電壓的關鍵10.2.2并聯(lián)型穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路第60頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的缺點：1.輸出直流電壓由穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓決定，不能任意調(diào)節(jié)。2.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電流受穩(wěn)壓管工作電流的限制，數(shù)值不能很大。3.輸出直流電壓的穩(wěn)定度還不夠高。4.帶負載能力差。第61頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月改進：（1）提高帶負載能力——在輸出端加一射極輸出器第62頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月改進：（2）使輸出電壓可調(diào)——在射極輸出器前加一帶有負反饋的放大器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)VO=AVFVZ-0.7V第63頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月為了進一步穩(wěn)定輸出電壓，將反饋元件接到輸出端。第64頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

正電壓可調(diào)電源Vo-+WR2VIR3DZR1調(diào)節(jié)W，可調(diào)節(jié)R2部分的阻值比，改變輸出電壓VZ第65頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3

串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理(+)(+)(+)(+)輸入電壓波動負載電流變化輸出電壓變化電壓串聯(lián)負反饋輸出電壓滿足深度負反饋條件VFVF=VREF設計穩(wěn)壓電路的基本關系式第66頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）輸入電壓變化時VIVfVoVoVBVCE（2）負載電流變化時ILVoVCEVoVfVB第67頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月例題整流濾波電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路如圖示，設變壓器副邊電壓有效值V2=15V，R1=R2=3K，VZ=4.5V，估算整流濾波電路的輸出電壓VO1和穩(wěn)壓輸出VO2。第68頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月例題橋式整流電容濾波電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路及參數(shù)如圖示，設變壓器副邊電壓有效值V2=20V，設T2的VBE2=0.7V，估算整流濾波電路的輸出電壓VO1和穩(wěn)壓輸出VO2的調(diào)節(jié)范圍。第69頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

帶隙基準電壓源10.2.3

三端集成穩(wěn)壓器第70頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻R2上的壓降：所以，輸出的基準壓：特點：溫度特性好。當時溫度系數(shù)為0。第71頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月二、輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器（正電壓78

、負電壓79

）恒流源基準電壓電路調(diào)整電路比較放大減流保護過熱保護啟動電路取樣電路第72頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用的集成三端穩(wěn)壓器的外形及類型類型：W7800系列——穩(wěn)定正電壓

W7805輸出+5VW7809輸出+9VW7812輸出+12VW7815輸出+15VW7900系列——穩(wěn)定負電壓

W7905輸出-5VW7909輸出-9VW7912輸出-12VW7915輸出-15V1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端123第73頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

78××系列輸出為正電壓，輸出電流可達1A，如78L××系列和78M××系列的輸出電流分別為0.1A和0.5A。它們的輸出電壓分別為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7擋。78××系列對應的有79××系列，它輸出為負電壓，如79M12表示輸出電壓為–12V和輸出電流為0.5A。

第74頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月1.固定式應用舉例C1、C2防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾C3減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾當輸入端短路時，D給電容C3一個放電通路，防止C3兩端電壓擊穿調(diào)整管的be結(jié)。注意：輸入電壓VI一般應比輸出電壓端Vo高3V以上。第75頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出正負電壓第76頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月試分別求出圖示電路當R4滑動頭在最上端和最下端時輸出電壓的表達式。輸出電壓可調(diào)第77頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月直流穩(wěn)壓電路如圖所示，已知集成穩(wěn)壓器7805的2、3端電壓V23=5V，求輸出電壓Vo的表達式。輸出電壓可調(diào)第78頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月直流穩(wěn)壓電路如圖所示，已知集成穩(wěn)壓器7824的2、3端電壓V23=24V，求輸出電壓Vo和輸出電流Io的表達式。輸出電壓可調(diào)第79