直流穩(wěn)壓電源的原理與設計-

直流穩(wěn)壓電源的原理與設計

直流電源的組成及各部分的作用電源變壓器：把220V電網(wǎng)電壓降至所需電壓。整流電路：把交流電壓轉換成脈動的直流電壓。濾波電路：減小脈動使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路：在電網(wǎng)電壓波動或負載電流變化時保持輸出電壓基本不變。

整流與濾波電路1.半波整流電路二極管導通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。二極管截止,uo=0+–io+–u2>0時:u2<0時:一.單相整流電路單相半波整流電壓波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD

t

2340輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：()ò=pwp2021tduUoo=()òpwp

021tdsinwt22U=p2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=Uo/RL=0.45U2/RL

uo

20t二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbDRLuouDiouD

20tUDRM二極管上的平均電流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向電壓:2.全波整流電路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓u2當u2正半周時，D1導通，D2截止。當u2負半周時，D2導通，D1截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io單相全波整流電壓波形u2uouD1

t

2340uD2+–+–0~

：uD2=2u2+忽略二極管正向壓降輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo

20t()ò=pwp

01tduUoo=()òpwp

01tdsinwt22UIo=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二極管上的平均電流：oDII21=uD

20tDRM22UU=2二極管承受的最高反向電壓：3.橋式整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo組成：由四個二極管組成橋路RLD1D3D2D4u2uou2uo+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周時電流通路D1

、D4導通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2負半周時電流通路D2、D3

導通，D1

、D4截止集成硅整流橋：u2uo+

–

~+~-

+–4.整流電路的主要參數(shù)負載電壓Uo的平均值為:()ò=πootduπU2021w負載上的(平均)電流:LoRUIo=(1)整流輸出電壓的平均值uo

20t

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與Uo平均值之比。S越小越好。（2）脈動系數(shù)Ｓ用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo

分解后可得:uo

20t基波基波峰值輸出電壓平均值平均電流(ID)與反向峰值電壓(UDRM)是選擇整流管的主要依據(jù)。oDII21=例如：在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導通。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負載平均電流的一半。

二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：(3)二極管平均電流與反向峰值電壓（選購時：二極管額定電流

2ID)（選購時：最大反向電壓

2URM)全波整流電路橋式整流電路半波整流電路二、濾波電路濾波電路的結構特點:

電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC1.電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。(1)電容濾波原理a橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=uc

時間常數(shù)

=rdCu2下降，u2小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)

=RLCu2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時，才有充電電流。因此二極管中的電流是脈沖波。二極管中的電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot電容充電時，電容電壓滯后于u2。RLC越小，輸出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內阻)一般取)105(TCRτL-3=(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流過二極管瞬時電流很大RLC越大

Uo越高

負載電流的平均值越大;

整流管導電時間越短

iD的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點(a)輸出電壓平均值Uo與時間常數(shù)RLC有關RLC愈大

電容器放電愈慢

Uo(平均值)愈大(c)二極管承受的最高反向電壓2.電感濾波電路電路結構:

在橋式整流電路與負載間串入一電感L就構成了電感濾波電路。u2u1RLLuo電感濾波原理對諧波分量:

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當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo對直流分量:

XL=0相當于短路,電壓大部分降在RL上3.RC–

型濾波器改善濾波特性的方法：采取多級濾波uoRu2u1C1C2uo1′RLRC–

型濾波器將RC–

型濾波器中的電阻換為電感，變?yōu)長C–

型濾波器串聯(lián)式穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的作用: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)壓電源開關型穩(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，但因學時有限，這里不做介紹。一.硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性。由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。

硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓原理(1)當輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知

輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

這里VO減小應理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點的，這是一個有差調節(jié)系統(tǒng)。2.穩(wěn)壓電阻的計算穩(wěn)壓二極管的動態(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換為電壓的變化，從而起到調節(jié)作用，同時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態(tài)電阻有關，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關。穩(wěn)壓電阻的計算如下

當輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應小于IZmin，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值。即(1)穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞！

當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(2)三.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成

VO=VI-VR，當VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響。若負載電流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。

串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

在實際電路中，可變電阻R是用一個三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當于VR。

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成：調整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準電壓源2.工作原理1．輸入電壓變化時VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓實質：電壓負反饋2．負載電流變化時IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調節(jié)范圍的計算可見，調節(jié)R2可以改變輸出電壓。根據(jù)“虛短”Vf≈VREFT1調整管R3

、T2比較放大R1

、RW

、R2采樣電阻R

、UZ基準電壓3.分立元件組成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2（UB1）Uo當UI增加或輸出電流減小使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2（UB1）(3)輸出電壓的確定和調節(jié)范圍因為：OU2BEZUU+22WRR+21WRRR++=()22221BEZWWOUURRRRRU++++=所以：2221ZWWURRRRR+++=忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k

，求輸出電壓的調節(jié)范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU+++=

4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxURRRRU++=

4=12V4.74.7++=4.74.710.3

三端集成穩(wěn)壓器一.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整電路比較放大減流保護過熱保護啟動電路取樣電路IQR1R2輸出電壓可調的穩(wěn)壓電路I1I2如何消除IQ的影響呢？1端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1

FCo1μF-10V-5V1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1

FCo1μF+10V+5V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應用1.固定式應用舉例10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應用2.可調式應用舉例

開關型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電源用途廣泛，但存在以下兩個問題：

(1)調整管總工作在線性放大狀態(tài)，管壓降大，流過的電流也大(大于負載電流)，所以功耗很大，效率較低(一般為40%~60%)，且需要龐大的散熱裝置。

(2)電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低而使得變壓器體積大、重量重。10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應用2.可調式應用舉例四.穩(wěn)壓電路的主要性能指標輸出電壓變化量穩(wěn)壓系數(shù)輸出電阻溫度系數(shù)直流穩(wěn)壓電源的設計方法直流穩(wěn)壓電源的設計的依據(jù)是技術指標設計的內容包括：電路結構選擇、參數(shù)計算、器件選擇、具體電路設計步驟包括：根據(jù)市場、技術潮流、主要指標選擇電源類型和電路結構根據(jù)電壓關系計算各部分的電壓根據(jù)電流關系計算各部分的電流根據(jù)功率關系計算各部分的功率根據(jù)電壓、電流、功率選擇器件設計結果包括：具體電路圖，設計到電路、器件型號、管腳

電感與變壓器i四、磁導率表征