第十八章直流穩(wěn)壓電源

第18章直流穩(wěn)壓電源18.2濾波器18.3直流穩(wěn)壓電源18.1整流電路本章要求：理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算;2.了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理;3.了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應(yīng)用。第18章直流穩(wěn)壓電源第18章直流穩(wěn)壓電源小功率直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓18.1

整流電路整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓。

常見的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流;單相和三相整流等。分析時可把二極管當(dāng)作理想元件處理：

二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦?/p>

下面重點(diǎn)分析半波和橋式整流、濾波電路18.1.1單相半波整流電路uDO2.工作原理Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)utOuoOu

正半周－－utOuDO2.工作原理Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；1.電路結(jié)構(gòu)uoOu

正半周

3.工作波形Va<Vb，二極管D截止。

u負(fù)半周－18.1.1單相半波整流電路4.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓URM(5)變壓器副邊電流有效值I5.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時應(yīng)滿足：

IOM

ID

，URWMURM

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用的元件少。

缺點(diǎn)：只利用了電源的半個周期，所以電源利用率低,輸出的直流成分比較低；輸出波形的脈動大;變壓器電流含有直流成分，容易飽和。故半波整流只用在要求不高，輸出電流較小的場合。18.1.2單相橋式整流電路2.工作原理Va>Vb，二極管

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)－uouDtt－uu

正半周18.1.2單相橋式整流電路2.工作原理3.工作波形uD2uD41.電路結(jié)構(gòu)Va<Vb,二極管D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。uouDttuD1uD3－－uu

負(fù)半周4.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓URM(5)變壓器副邊電流有效值I(1)輸出直流電壓高；

(2)脈動較小；

(3)二極管承受的最大反向電壓較低；

(4)電源變壓器得到充分利用。

目前，半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝在一起，制成單相及三相整流橋模塊，這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線，提高了可靠性，使用起來非常方便。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)：18.1.2單相橋式整流電路單相橋式整流電路的幾種形式

解：變壓器副邊電壓有效值

例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=50,負(fù)載電壓Uo=100V,試求變壓器的變比和容量,并選擇二極管。流過每只二極管電流平均值每只二極管承受的最高反向電壓整流電流的平均值

考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降，變壓器副邊電壓一般應(yīng)高出5%~10%，即取

U=1.1111122V

I=1.11Io=21.11=2.2A

變壓器副邊電流有效值變壓器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA變壓器副邊電壓U

122V

可選用二極管2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。

例1：單相橋式整流電路，已知交流電網(wǎng)電壓為220V，負(fù)載電阻RL=50，負(fù)載電壓Uo=100V，試求變壓器的變比和容量,并選擇二極管。例2：

試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2

或D4

斷開時負(fù)載電壓的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路，后果又如何？

解：當(dāng)D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時，D1和D3導(dǎo)通，負(fù)載中有電流過，負(fù)載電壓uo=u；負(fù)半周時，D1和D3截止,負(fù)載中無電流通過,負(fù)載兩端無電壓，uo=0。

如果D2或D4接反則正半周時，二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。

如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時，情況與D2或D4接反類似，電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞。18.1.3三相橋式整流電路2.工作原理在每一瞬間共陰極組中陽極電位最高的二極管導(dǎo)通；共陽極組中陰極電位最低的二極管導(dǎo)通。1.電路

三相變壓器原繞組接成三角形，副繞組接成星形共陽極組共陰極組

在t1~

t2

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，D1導(dǎo)通；共陽極組中b點(diǎn)電位最低，D4導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線電壓uab。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9

在t2~

t3

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，D1導(dǎo)通；共陽極組中c點(diǎn)電位最低，D6導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線電壓uaC。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo

在t3~

t4

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，D3導(dǎo)通；共陽極組中c點(diǎn)電位最低，D6導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線電壓ubC。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo

在t4~

t5

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，D3導(dǎo)通；共陽極組中a點(diǎn)電位最低，D2導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線電壓uba。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理結(jié)論：

在一個周期中，每個二極管只有三分之一的時間導(dǎo)通（導(dǎo)通角為120°）。變壓器副邊電壓負(fù)載電壓負(fù)載兩端的電壓為線電壓。3.參數(shù)計算(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓URM18.2

濾波器

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。方法:將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。+Cici=uC

18.2.1電容濾波器(C濾波器)2.工作原理

u>uC時，二極管導(dǎo)通,電源在給負(fù)載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uo=uC

。

u<uC時，二極管截止，電容通過負(fù)載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC

。3.工作波形二極管承受的最高反向電壓為。1.電路結(jié)構(gòu)電路無濾波電容有濾波電容單相半波整流單相橋式整流單相全波整流截止二極管上的最高反向電壓UDRM4.電容濾波電路的特點(diǎn)(T—電源電壓的周期)(1)

輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數(shù)

RLC有關(guān)。

RLC

越大電容器放電越慢輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

橋式、全波）

Uo

=1.0U

（半波）當(dāng)負(fù)載RL開路時，UO

為了得到比較平直的輸出電壓(2)外特性曲線有電容濾波1.4U

無電容濾波0.45UUooIO

結(jié)論

采用電容濾波時，輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，即帶負(fù)載能力較差。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場合。(3)流過二極管的瞬時電流很大選管時一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導(dǎo)通時間越短iD

的峰值電流越大。uotOiDtO例：

有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。流過二極管的電流二極管承受的最高反向電壓變壓器副邊電壓的有效值解：1.選擇整流二極管IOM=100mAURWM=50V

可選用二極管2CZ52B

例：有一單相橋式整流濾波電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，選擇整流二極管及濾波電容器。取RLC=5T/2已知RL=502.選擇濾波電容器可選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器解：18.2.2電感電容濾波器(LC濾波器)1.電路結(jié)構(gòu)2.濾波原理

對直流分量:XL=0,L相當(dāng)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L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。

當(dāng)流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動減小。

LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。18.2.3形濾波器形LC濾波器

濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。

比形LC濾波器的體積小、成本低。形RC濾波器

R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。交直流收擴(kuò)兩用機(jī)電源

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。N1N3C20.047FD2D3D4D12CZ12A×4N2FU23A2000F/50V+C1–24VFU11A直流24V交流～220V18.3

直流穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設(shè)備。

穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負(fù)載及環(huán)境溫度的變化無關(guān)。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實(shí)際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

穩(wěn)壓電路是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分，也可以是一個獨(dú)立的電子部件。18.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR設(shè)UI一定，負(fù)載RL變化UO

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZIRIz限流調(diào)壓1.電路RDZ穩(wěn)壓電路18.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZ設(shè)負(fù)載RL一定，UI變化UO

基本不變IRRIZIR1.電路UIUZ3.參數(shù)的選擇(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)ICM(3)UI

=(2~3)UO(4)為保證穩(wěn)壓管安全工作為保證穩(wěn)壓管正常工作

適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負(fù)載變動不大的場合。跳磚18.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路組成與穩(wěn)壓原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成框圖

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中。18.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路2.具有放大環(huán)節(jié)的典型串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路調(diào)整元件比較放大基準(zhǔn)電壓取樣電路穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)：

UCE

的自動調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定若Ui增大時，自動調(diào)整過程如下：UiUOVB2UBE2IB2IC2UCE2

UOUCE1

IC1IB1UBE1

穩(wěn)壓原理:

具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路輸出電壓的大小,決定于電路的分壓比和基準(zhǔn)電壓，調(diào)節(jié)電位器的RP滑動端即可改變輸出電壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路使二極管免受瞬時大電流沖擊橋式整流濾波串聯(lián)型穩(wěn)壓電路復(fù)合調(diào)整管進(jìn)一步改善穩(wěn)壓性能

串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路如圖所示。它由橋式整流電路、電容濾波器及串聯(lián)型穩(wěn)壓電路三部分組成。T1是電源變壓器,用以降壓；D1~D4組成橋式整流電路；并聯(lián)在整流二極管兩端的電容起保護(hù)作用,使二極管免受瞬時大電流的沖擊；C5為濾波電容。整流濾波得到的直流電壓容易隨電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流的變化而變化,所以在整流濾波電路后面加入直流穩(wěn)壓電路，以保證由穩(wěn)定的直流電壓輸出。T2、T3組成復(fù)合調(diào)整管；T1擔(dān)任比較放大；穩(wěn)壓二極管D5產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓；R6、RP、R7組成取樣電路。

電路的穩(wěn)壓過程是：當(dāng)輸出電壓UO因電網(wǎng)電壓或負(fù)載的變動而升高時，由取樣電路取出誤差電壓加到T1基極，而T1發(fā)射極因穩(wěn)壓管D5的作用而保持穩(wěn)定，所以T1的基極電壓降串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路原理增大，管子的集電極電流IC隨之增大，則在IC1負(fù)載電阻R1、R2上的壓降也增大，結(jié)果使復(fù)合調(diào)整管T2、T3得基極電位下降，管子內(nèi)阻增大，T3的UCE增大，由于UO=18V–UCE，使UO下降，因而保持了UO的穩(wěn)定。如果UO降低，則上述過程相反，這時穩(wěn)壓電路使UO上升，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

R1、C6、R2組成兩節(jié)濾波電路，以濾除T2基極電壓波紋。T2基極所接電阻R3的作用是防止電路自激。R4為T2的射極負(fù)載電阻,R5擔(dān)任限流,C8為濾波電容,用來進(jìn)一步改善穩(wěn)壓性能。3.帶有運(yùn)放的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路調(diào)整元件比較放大基準(zhǔn)電壓取樣電路

典型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路溫度穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度不高,采用線性集成運(yùn)放作為比較放大器，以減小穩(wěn)壓電路輸出電壓的溫漂和提高輸出電壓穩(wěn)定精度。

當(dāng)由于電源電壓或負(fù)載電阻的變化使輸出電壓UO

升高時，有如下穩(wěn)壓過程：穩(wěn)壓過程

由電路圖可知UOUFUBUOICUCE

由于引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍

輸出電壓18.3.3

集成穩(wěn)壓電源

單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活,價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。1.

固定式三端集成穩(wěn)壓器XX表示集成穩(wěn)壓器的輸出電壓的數(shù)值,以V為單位。輸出電流：78LXX/79LXX

—輸出電流100mA78MXX/79MXX

—輸出電流500mA78XX/79XX

—輸出電流1.5A5V,6V,

9V,12V,15V,18V,24V等多種輸出電壓：型號命名W78XX

(輸出正電壓)系列W79XX(輸出負(fù)電壓)系列(1)W7800、W7900系列穩(wěn)壓器有金屬封裝和塑料封裝兩種(2)外形及引腳功能外形封裝和引腳功能圖

使用時必須注意引腳功能，不能接錯，否則電路將不能正常工作，甚至損壞集成電路。(3)性能特點(diǎn)(W7800、W7900系列)輸出電流超過1.5A(加散熱器)不需要外接元件內(nèi)部有過熱保護(hù)內(nèi)部有過流保護(hù)調(diào)整管設(shè)有安全工作區(qū)保護(hù)輸出電壓容差為4%跳磚三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器，因內(nèi)部有過熱、過流保護(hù)電路，因此它的性能優(yōu)良，可靠性高。由于其具有體積小、使用方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。(4)主要參數(shù)①

電壓調(diào)整率SU(穩(wěn)壓系數(shù))

反映當(dāng)負(fù)載電流和環(huán)境溫度不變時，電網(wǎng)電壓波動對穩(wěn)壓電路的影響。

②

電流調(diào)整率SI

反映當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度不變時，輸出電流變化時輸出電壓保持穩(wěn)定的能力，即穩(wěn)壓電路的帶負(fù)載能力。0.005~0.02%0.1~1.0%③

輸出電壓UO

⑥

最大輸入電壓UiM

⑦

最大功耗PM

④

最大輸出電流IOM

⑤

最小輸入、輸出電壓差(Ui-UO

)min

輸出電壓：1.25~37V連續(xù)可調(diào)輸出電流：

L型(0.1A)、M型(0.5A)，未標(biāo)字母(1.5A)外形及引腳功能2.可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器W117/217/317系列(輸出正電壓)W137/W237/W337系列(輸出負(fù)電壓)3.三端輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用輸出為固定正電壓時的接法如圖所示