模擬電子技術(shù)課件第十章

1、10 直流穩(wěn)壓電源重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。難點(diǎn)：電容濾波電路的工作原理 并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理 10.1 小功率整流電路 10.2 小功率濾波電路 10.3 并聯(lián)式穩(wěn)壓電路 10.4 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路10 直流穩(wěn)壓電源 10.0 引言引言直流穩(wěn)壓電源的作用 將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為放大電路提供直流工作電源。組成各部分功能變壓器：整流：濾波：穩(wěn)壓：降壓濾除脈動(dòng)交流變脈動(dòng)直流進(jìn)一步消除紋波，提高電壓的穩(wěn)定性和帶載能力10.1 小功率整流電路10.1.1 單相橋式整流電路10.1.2 單相半波整流電路10.1.3 單相全波整流電路10.1.1 單相橋式整流電路(1) 工作原理 單相

2、橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，其電路如圖10.02（a）所示。（a）橋式整流電路 （b）波形圖圖10.02 單相橋式整流電路 在分析整流電路工作原理時(shí)，整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴８鶕?jù)圖10.02(a)的電路圖可知： 當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。 在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。單相橋式整流電路的波形圖見(jiàn)圖10.02(b)。 當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。 根據(jù)圖10.02（b）可知，輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為（

3、2）參數(shù)計(jì)算 流過(guò)負(fù)載的平均電流為流過(guò)二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓 流過(guò)負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析。此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大，最低次諧波的幅值與平均值的比值稱為脈動(dòng)系數(shù)S。10.1.2單相半波整流電路 單相整流電路除橋式整流電路外，還有單相半波和全波兩種形式。單相半波整流電路如圖10.04(a)所示，波形圖如圖10.04(b)所示。(a)電路圖 (b)波形圖 圖10.04 單相半波整流電路 根據(jù)圖10.04可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為流過(guò)負(fù)載和二極管的平均電流為二

4、極管所承受的最大反向電壓2022/9/15 單相全波整流電路如圖10.05(a)所示，波形圖如圖10.05(b)所示。10.1.3 單相全波整流電路 (a)電路圖 圖10.05 單相全波整流電路 (b)波形圖 根據(jù)圖10.05（b）可知，全波整流電路的輸出，與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為流過(guò)負(fù)載的平均電流為 二極管所承受的最大反向電壓 單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)S與單相橋式整流電路相同。注意，整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用的。整流電路既有交流量，又有直流量，通常對(duì): 輸入（交流）用有效值或最大值； 輸出（交直流）用平均值； 整流管正向電流用平均值； 整流管反向電壓用最大值。 單相橋

5、式整流電路的變壓器中只有交流電流流過(guò)，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過(guò)。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣的功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。幾種濾波電路10. 2 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10.2.1 電容濾波電路 (1)濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一

6、部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 （2）電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式電容濾波整流電路為例來(lái)說(shuō)明。電容濾波電路如圖10.06所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。圖10.06電容濾波電路 當(dāng)v2到達(dá)90時(shí)，v2開(kāi)始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。(3)濾波原理 若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。 圖10.07電容濾波波形圖 所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2

7、到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。電容濾波過(guò)程見(jiàn)圖10.07。 在剛過(guò)90時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過(guò)90時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò)90后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來(lái)越快，當(dāng)剛超過(guò)指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)，二極管關(guān)斷。 需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)，t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通角減小，見(jiàn)曲線3；反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然，當(dāng)L很小，即IL很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見(jiàn)圖10.08濾波曲線中的2。反之，當(dāng)L很大，即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見(jiàn)濾波曲線中的3。所以電容濾波

8、適合輸出電流較小的場(chǎng)合。問(wèn)題：有無(wú)L即空載，此時(shí)VC=VL=？圖10.08 電容濾波的效果(4)電容濾波的計(jì)算 電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在RLC=(35)T/ 2的條件下，近似認(rèn)為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足RLC610。） （5）外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖10.09所示。 圖10.09 整流濾波電路的外特性 *使用條件：10.3 并聯(lián)式穩(wěn)壓電路10.3.1 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原

9、理10.3.2 穩(wěn)壓電阻的計(jì)算10.3.3 基準(zhǔn)源10.3.1 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖10.02所示。 它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起較小的電壓變化。圖10.02 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(1) 當(dāng)輸入電壓變化時(shí)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(guò)程可概括如下： 這里VO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使VO的增加沒(méi)有那么大而已。VO還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

10、VIVOVZIZIRVRVO圖10.02 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2) 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓 負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過(guò)程可概括如下： ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO10.3.2穩(wěn)壓電阻的計(jì)算 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(dòng)態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓二極管的動(dòng)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(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用，同時(shí)R也是限流電阻。 顯然R 的數(shù)值越大

11、，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達(dá)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)壓電阻的計(jì)算如下 當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即 當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過(guò) 穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過(guò)IZmax，由 此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(1)(2) 穩(wěn)壓二極管在使用時(shí)一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過(guò)規(guī)定值，否則會(huì)造成損壞！10.3.3 基準(zhǔn)源基準(zhǔn)源 一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償了的穩(wěn)壓二

12、極管。也稱為參考源這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數(shù)可小到幾個(gè)10-6/。 型號(hào) 穩(wěn)定電壓(V) 工作電流(mA) 電壓溫度系數(shù)(10 -6/ ) MC1403 2.51 1.2 10100 . LM136/236/336 2.5 10 30 5.0 10 30 . TL431 2.536 0.4100 50 . LM3999 6.955 10 5 . AD2710K/L 10.0001mV 10 2/1 . MAX676 4.0960.01 5 1 677 5.0000.01 5 1 678 10.0000.01 5 1 .典型的基準(zhǔn)源10.4

13、 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大，效率低。10.4.1 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理10.4.2 穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)10.4.3 三端集成穩(wěn)壓器10.4.1 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理(1) 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖10.03來(lái)說(shuō)明。 顯然，VO =VI-VR，當(dāng)VI增加時(shí)，R 受控制而增加，使VR增加，從而在一定程度上抵消了VI增加對(duì)

14、輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL增加，R受控制而減小，使VR減小，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對(duì)輸出電壓減小的影響。 圖16.03 串聯(lián)穩(wěn)壓電源 示意圖 圖10.03 串聯(lián)穩(wěn)壓電源 示意圖 在實(shí)際電路中，可變電阻R是用一個(gè)三極管來(lái)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(dāng)于VR。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來(lái)構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖10.04所示。它由調(diào)整管、比較放大環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成。 圖10.04 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖(2) 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理 根據(jù)圖10.04分兩種情況來(lái)加以討論。1

15、輸入電壓變化，負(fù)載電流保持不變 輸入電壓VI的增加，必然會(huì)使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過(guò)取樣電路取出一部分信號(hào)Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得誤差信號(hào)V。誤差信號(hào)經(jīng)放大后，用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。 VIVOVfVO1VCEVO2負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變 負(fù)載電流IL的增加，使輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過(guò)取樣電路取出一部分信號(hào)Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得的誤差信號(hào)使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。 ILVOVfVO1VCEVO3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算根據(jù)圖10.04可知VfVREF調(diào)節(jié)R2顯然可以改變輸出電壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的方框圖(四個(gè)基本組成部分）練習(xí)：電路如下圖所示，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ6V，晶體管的UBE0.7V，R1R2R3300，UI24V。判斷出現(xiàn)下列現(xiàn)象時(shí)，分別因?yàn)殡娐樊a(chǎn)生什么故障（即哪個(gè)元件開(kāi)路或短路）。（1）UO24V； （2）UO23.3V；（3）UO6V且不可調(diào)； （4）UO可調(diào)范圍變?yōu)?12V。 （5） UO12V且不可調(diào)； 解：（1）T1的c、e短路； （2）Rc短路； （3