第九章-直流穩(wěn)壓電源

電工電子技術教學課件第九章直流穩(wěn)壓電源大慶職業(yè)學院王艷春第九章直流穩(wěn)壓電源電子系統(tǒng)的正常運行離不開穩(wěn)定的電源，除了在某些特定場合下采用太陽能電池或化學電池作電源外，多數電路的直流電是由電網的交流電轉換來的。我們把這種直流電源稱為直流穩(wěn)壓電源。它主要是由電源變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四部分組成。

電源變壓器

整流電路

濾波電路

穩(wěn)壓電路

o

t

o

t

o

t

o

t

o

t

u1

u2

u3

u4

UL3

LV1u1u2

u3

u4

UL負載直流穩(wěn)壓電源概述第九章直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源概述1．電源變壓器：將交流電網提供的大小和方向都按正弦規(guī)律變化的交流電壓變?yōu)樨撦d所需要的與電網同頻率的交流電壓值。2．整流電路：利用具有單向導電性能的整流元件，把方向和大小都變化的交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。3．濾波電路：利用儲能元件電容器兩端的電壓或通過電感器L的電流不能突變的性質，把電容或電感與整流電路的負載并聯或串聯，就可以將整流電路輸出的脈動的直流電壓變成平滑的直流電壓

。4.穩(wěn)壓電路：是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化，采用負反饋技術，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路的作用是使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網電壓和負載的變化而變化第九章直流穩(wěn)壓電源整流電路的任務是將交流電變換成單向脈動的直流電。常用的有單相半波、單相橋式、三相橋式及倍壓整流等不同形式的整流電路電路。小功率整流電路常用二極管作整流元件，主要依靠二極管的單向導電作用完成整流任務。因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。下面分析整流電路時，為簡單起見。把二極管當作理想元件來處理。即認為它的正向導通電阻為零，而反向電阻為無窮大。第一節(jié)單相整流電路一、單相半波整流電路1.電路組成和工作原理一、單相半波整流電路uLVbu1u2TRLau1u2uL

2

00

2

3

4

4

3

t（a）電路圖

（b）波形圖

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電路組成和工作原理一、單相半波整流電路uLVbu1u2TRLau1u2uL

2

00

2

3

4

4

3

t設V為整流二極管，令它為理想二極管，RL為要求直流供電的負載等效電阻。設u2為正弦波，u2

=U2sinωt（1）當u2正半周時，a點電位高于b點電位，二極管V正偏導通，則uL

u2；（2）當u2負半周時，a點電位低于b點電位，二極管V反偏截止，則uL

0。由波形可見，u2一周期內，負載只有單方向的半個波形，這種大小波動、方向不變的電壓或電流稱為脈動直流電。上述過程說明，利用二極管單向導電性可把交流電u2變成脈動直流電uL。由于電路僅利用u2的半個波形，故稱為半波整流電路。第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源3．整流二極管參數的選擇一、單相半波整流電路(1)流過二極管V的正向平均電流

(2)二極管在截止的半個周期內承受的最高反向峰值電壓

選管條件：

(1)二極管允許的最大反向電壓應大于承受的最高反向峰值電壓；

(2)二極管允許的最大整流電流應大于流過二極管的實際工作電流。

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源4．電路的特點由圖可見，負載上得到單方向的脈動電壓，由于電路只在正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。半波整流電路結構簡單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動大，因此，它只使用于要求不高的場合。整流二極管參數的選擇一、單相半波整流電路

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．電路組成和工作原理

二、單向橋式整流電路

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源u2

2

00

2

3

4

t

t4

3

uLuLau1u2TRLV2V4V3V1b+uL-ILV1bV3V4a+u1-u2TRLV2+uL-u1ILV1bV3V4au2+-TRLV21．電路組成和工作原理

二、單向橋式整流電路

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源bu1u2TRLuLbu1u2TRLV2V4V3V1u1+-+-+-+2．輸出電壓和電流計算

(1)

負載RL上的直流電壓UL

(2)

流過負載的平均電流

二、單向橋式整流電路

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源4．整流二極管參數的選擇(1)

流過二極管V的正向平均電流

3．輸出電壓和電流計算

(1)負載RL上的直流電壓UL(2)流過負載的平均電流

4．電路的特點單相橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，電壓脈動較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時因整流變壓器在正負半周內都有電流供給負載，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高，因此單相橋式整流電路在半導體整流電路的應用最為廣泛。二、單向橋式整流電路

第一節(jié)單相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源[例9-1]

有一直流負載，需要直流電壓UL=60V，直流電流IL=4A。若采用橋式整流電路，求電源變壓器次級電壓U2，并選擇整流二極管。解

因為所以流過二極管的平均電流二極管承受的反向峰值電壓查晶體管手冊，可選用整流電流為3A，額定反向工作電壓為100V的整流二極管2CZ12A(3A/100V)四只。一、三相橋式整流電路

第二節(jié)三相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．電路結構如圖9-5（a）所示為是一個電阻負載三相橋式整流電路。它有六個二極管，V1、V3、V5接成共陰極形式；V2、V4、V6接成共陽極形式。u2UUVRLWu2VL1u2WL2L3+-uWuU0uUuVωtu20wwωt一、三相橋式整流電路

第二節(jié)三相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源2．電路工作特點二極管的陽極電位高于陰極電位時二極管導電，反之不導電。共陰極組和共陽極組各有一只二極管在某一共陰極形式；V2、V4、V6接成共陽極形式段時間參與導電，但不能是同相的兩只管子。

(1)輸出電壓的平均值

(2)輸出電流的平均值(3)二極管的平均值

(4)二極管的最大反向電壓二、硅整流橋

第二節(jié)三相整流電路第九章直流穩(wěn)壓電源（b）單相全橋橋整流堆-～+(c)三相橋整流堆-～+（a）單相半橋橋整流堆一、電容濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電路的組成和工作原理（1）單相半波整流電容濾波電路V截止V導通uLoωtbaouLVu2CRL~++-+-u2+-一、電容濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電路的組成和工作原理（1）單相半波整流電容濾波電路V截止V導通uLoωtbaouLVu2CRL~++-+-u2+-（a）電路（b）波形圖9-7半波整流電容濾波電路及輸出波形一、電容濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電路的組成和工作原理（2）單相橋式整流電容濾波電路u2RLbV2V4V3V1+C(a)原理電路（b）輸出波形圖9-8單向橋式整流電容濾波電路及輸出波形一、電容濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源2.電路特點（1）由波形可見，整流接電容濾波后，輸出電壓的脈動程度大為減小，直流分量明顯提高（2）輸出電壓的平均值有所提高。當滿足RLC≥（3~5）T/2時

，UL≈（半波帶負載）

UL≈1.2（橋式整流帶負載）（3）輸出電壓平均值Uo的大小，與RL、C的大小有關，RL愈大，C愈大，電容放電愈慢，UL愈高。電容濾波只適合在小電流，且變動不大的電子設備中使用。

此外，由于二極管的導通時間短（導通角小于1800），而電容的平均電流為零，可見二極管導通時的平均電流和負載的平均電流相等，因此二極管的電流峰值必然較大，產生電流沖擊，容易使管子損壞。一、電容濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源2.電路特點(4)具有電容濾波的整流電路中的二極管，在半波整流電路中，輸出端開路時，這時二極管承受了2U2的反向工作電壓。它與無濾波電容時相比，增大了一倍。對于單相橋式整流電路而言，無論有無濾波電容，二極管的最高反向工作電壓都是（5）濾波電容值的選取應視負載電流的大小而定。一般在幾十微法到幾千微法，電容器耐壓值應大于輸出電壓的最大值。通常采用極性電容器。二、電感濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電感濾波原理uLRLu2L~u12.電路特點當忽略電感器L的電阻時，負載上輸出的平均電壓和純電阻(不加電感)負載相同，即=0.9UL輸出電壓平均值UL。一般小于全波整流電路輸出電壓的平均值雖然電感濾波電路對整流二極管沒有電流沖擊，但為了使L值大，多用鐵芯電感，但體積大、笨重，易引起電磁干擾且輸出電壓的平均值較低。一般只適用于大電流的場合三、復式濾波電路

第三節(jié)濾波電路第九章直流穩(wěn)壓電源

1．LC濾波電路

2．

LCΠ濾波電路3.RCΠ濾波電路

RC2C1C2LC1CL一、硅穩(wěn)壓管組成的并聯型穩(wěn)壓電路

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1.電路組成及工作原理

~u1IRV1—V4u2RIZRLUZV5CIL其穩(wěn)壓過程為：IL↓→UR↓→UL↑→UZ↑→IZ↑→IR不變→UL

不變。反之亦然。

硅穩(wěn)壓管組成的并聯型穩(wěn)壓電路如圖所示，經整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管V組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓UL=UZ。

在這種電路中，不論是電網電壓波動還是負載電阻的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用。

一、硅穩(wěn)壓管組成的并聯型穩(wěn)壓電路

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源~u1IRV1—V4u2RIZRLUZV5CIL2.電路特點顯然對穩(wěn)壓二極管最來說，負載短路是不會損傷穩(wěn)壓二極管的，負載開路時，穩(wěn)壓二極管中的電流最大，對穩(wěn)壓二極管最不利。并聯型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調節(jié)，所以該電路適合對電源要求不高且輸出電流很小的場合。電阻R除了限制電流，保護穩(wěn)壓二極管外，還起到穩(wěn)定輸出電壓的作用，常稱為穩(wěn)壓電阻。R大，較小的穩(wěn)壓二極管電流的變化，就可以在電阻R上獲得較大的電壓變化量，以補償輸入電壓的變化。二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．三端固定輸出集成穩(wěn)壓器

（1）電路的組成和穩(wěn)壓原理啟動電路UL開關調整管比較放大基準電壓Ui取樣電路+--+圖9-13CW7800系列穩(wěn)壓器內部電路組成框圖

二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．三端固定輸出集成穩(wěn)壓器

（1）電路的組成和穩(wěn)壓原理啟動電路UL開關調整管比較放大基準電壓Ui取樣電路+--+圖9-13CW7800系列穩(wěn)壓器內部電路組成框圖

二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．三端固定輸出集成穩(wěn)壓器

（1）電路的組成和穩(wěn)壓原理啟動電路UL開關調整管比較放大基準電壓Ui取樣電路+--+電壓的差值減小，經比較放大后使調整管的管壓降增大，輸出電壓UL減小，從而使穩(wěn)壓電路的輸出電壓上升趨勢受到抑制，穩(wěn)定了輸出電壓。當輸入電壓減?。ɑ蜇撦d電流增大）引起輸出電壓UO減小時，電路將產生與上述相反的穩(wěn)壓過程，維持電壓基本不變。穩(wěn)壓的實質是的自動調節(jié)使輸出電壓恒定當電網電壓波動或負載變化時，可能使輸出電壓UL上升或下降。串聯型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可以進行調節(jié)。

啟動電路幫助穩(wěn)壓器快速建立輸出電壓。CW7800系列穩(wěn)壓器具有過熱、過流和過壓保護功能。當輸入電壓Ui增大（或負載電流減小）引起輸出電壓UL增加時，取樣電壓隨之增大，基準電壓與取樣二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．三端固定輸出集成穩(wěn)壓（2）型號和參數（a）正電列（b）負電源系列圖9-14

三端固定式穩(wěn)壓器外形圖7800312輸入公共輸出312輸入輸出公共312公共輸出輸入7900312輸入公共輸出二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源1．三端固定輸出集成穩(wěn)壓（2）型號和參數三端固定輸出集成穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端三個引出端。常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列、7900系列。型號中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負電壓值，00表示輸出電壓的穩(wěn)定值。根據輸出電流的大小不同，又分為CW78系列，最大輸出電流1~1.5A；CW78M00系列，最大輸出電流0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流100mA左右。7800系列輸出電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7805，表明輸出+5V電壓，輸出電流可達1.5A，CW79M12，表明輸出-12V電壓，輸出電流為-0.5A。二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源2.三端可調輸出集成穩(wěn)壓器輸出312調整輸入312輸入調整輸出輸出317312調整輸入三端可調輸出集成穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和調整端三個引出端。典型產品型號命名CW117/217/317系列(正電源)；W137/237/337系列(負電源)。

基準電壓1.25V。

輸出電流L型（100mA）；M型（500mA

）。1——為軍品級；2——為工業(yè)品級；3——為民品級。軍品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；工業(yè)品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。

二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源（1）三端固定輸出集成穩(wěn)壓器基本應用電路3.三端集成穩(wěn)壓器的應用

（a）輸出固定正電壓;（b）輸出固定負電壓圖9-16

固定輸出的穩(wěn)壓電路

W7800123Uo0.33

mF1

mF+-+-UiCICOW7800231Uo0.33

mF1

mF+--+UiCICOCO二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源（2）輸出正、負電壓穩(wěn)壓電路3.三端集成穩(wěn)壓器的應用

當需要正、負兩組電源輸出時，可采用W7800系列和W7900系列各一塊，按圖接線，即可得到正負對稱的兩組電源。圖

9-17

正、負兩組電源輸出二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源（3）三端可調輸出集成穩(wěn)壓器基本應用電路3.三端集成穩(wěn)壓器的應用

CW317的基本應用電路如圖所示，它只需外接兩個電阻(R1和RP)來確定輸出電壓。為了使電路正常工作，它的輸出電流不應小于5mA，調節(jié)端的電流約為50μA，輸出電壓的表達式為：UL

CW3371CiCoUi0.1mF1

mF23R2R1(a)正電壓輸出(b)負電壓輸出1CW31723CICOUi0.1mF1

mFR1R2UL二、線性集成穩(wěn)壓器

第四節(jié)直流穩(wěn)壓電路第九章直流穩(wěn)壓電源3.三端集成穩(wěn)壓器的應用

正確使用集成穩(wěn)壓電路，才能獲得良好的效果。分清三個引出腳。三端集成穩(wěn)壓電路的輸入、輸出和接地端裝錯時很容易損壞，需特別注意；正確選擇輸入電壓范圍。三端集成穩(wěn)壓電路是一種半導體器件，內部管子有一定的耐壓值。為此，變壓器的繞組電壓不能過高，整流器的輸出電壓的最大值不能大于集成穩(wěn)壓電路的最大輸入電壓。由于三端集成穩(wěn)壓電路有一個使用最小壓差（輸入電壓與輸出電壓的差值）的限制，所以變壓器的繞組電壓也不能過低。三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入、輸出電壓差約為2V。一般應使這一壓差保持在6V左右；保證散熱良好。第五節(jié)開關型穩(wěn)壓電源簡介第九章直流穩(wěn)壓電源線性集成穩(wěn)壓器雖然具有反應速度快、輸出紋波較小、工作產生的噪聲低等優(yōu)點，但但調整管必須工作在線性放大區(qū)，負載電流連續(xù)通過調整管，管壓降比較大，同時要通過全部負載電流，所以管耗大，電源效率低，一般為40%~60%。特別在輸入電壓升高、負載電流很大時，管耗更大，不但電源效率低，同時使調整管的工作可靠性降低。開關穩(wěn)壓電源的調整管工作在開關狀態(tài)，依靠調節(jié)調整管導通時間來實現穩(wěn)壓。由于調整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗小，故使穩(wěn)壓電源有的效率明提顯高，可達80%~90%，而且這一效率幾乎不受輸入電壓大小的影響，即開關穩(wěn)壓電源很寬的穩(wěn)壓范圍。由于效率高使得電源的主要缺點是輸出電壓中含有較大的紋波。但由于開關電源優(yōu)點顯著，故發(fā)展非常迅速，使用也越來越廣泛并且。開關型穩(wěn)壓電路的形式也很多，根據電源能量供給電路的接法不同可分為并聯型和串聯型兩種。概述一、串聯型開關穩(wěn)壓電路第五節(jié)開關型穩(wěn)壓電源簡介第九章直流穩(wěn)壓電源1.基本組成如圖所示為串聯型開關穩(wěn)壓電路框圖，它由開關調整管、儲能電路、取樣電路、比較放大電路、基準電路、脈沖寬度調制電路等部分構成。因儲能電感與負載串聯，所以叫串聯型開關穩(wěn)壓電路。UL開關調整管儲能電路比較放大基準電壓脈沖寬度控制電路PWMUi脈沖發(fā)生器C

取樣電路+-+-圖9-19

串聯型開關型穩(wěn)壓電路框圖

一、串聯型開關穩(wěn)壓電路第五節(jié)開關型穩(wěn)壓電源簡介第九章直流穩(wěn)壓電源2．工作原理

在開關穩(wěn)壓電路輸入和輸出之間接開關調整管和儲能電路。當電路工作時，輸入電壓通過調整管的周期性開（飽和）、關（截止）工作，把能量輸入儲能電路，經均衡濾波后成為電壓輸出，輸出電壓的大小取決于儲能電路輸入能量的多少，即取決于調整管開啟（導通）時間的長短。調整管的開關工作狀態(tài)受脈沖電壓控制，脈沖電壓是由脈沖發(fā)生電路產生，經脈沖調寬電路進行寬度調制后得到。取樣比較電路將一部分輸出電壓和基準電壓進行比較，當輸出電壓偏離正常值時輸出誤差信號，對開關脈沖寬度進行調制，調寬的原理是：輸出電壓升高，脈沖變窄，調整管開啟的時間縮短，電源輸入儲能電路的能量減少，輸出電壓因而降低；反之，輸出電壓降低，脈沖變寬，輸出電壓就升高。這樣，輸出電壓的變化經過開關脈沖的調寬后，改變調整管的開啟時間，就能使輸出電壓向相反的方向變化，因而使輸出電壓保持穩(wěn)定。UL開關調整管儲能電路比較放大基準電壓脈沖寬度控制電路PWMUi脈沖發(fā)生器C取樣電路+-+-一、串聯型開關穩(wěn)壓電路第五節(jié)開關型穩(wěn)壓電源簡介第九章直流穩(wěn)壓電源3.脈沖寬度調制原理脈沖發(fā)生器為一開關信號發(fā)生器，當它輸出高電平時開關調整管飽合導通；當它輸出低電平時，開關調整管截止。脈寬調制器產生一串矩形脈沖，當脈沖是低電平時，開關調整管（簡稱開關管）飽和導通；當脈沖是高電平時，開關管截止。這樣開關電源向負載提供的能量是斷續(xù)的。為了使負載得到連續(xù)的能量供給，開關型穩(wěn)壓電源還必須有一套平波裝置。當開關管飽和導通時，續(xù)流二極管截止，此時電感