直流穩(wěn)壓電源基本原理和設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源的原理與設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電壓。濾波電路：減小脈動(dòng)使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路：在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)保持輸出電壓基本不變。純電阻負(fù)載半波整流電壓波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340u2>0二極管導(dǎo)通uo=u2u2<0二極管截止uo=0

整流與濾波電路-----半波整流u1u2aTbDRLuouDiouo20t純電阻負(fù)載半波整流參數(shù)直流電壓反向電壓直流電流有效值電流二極管電流u1u2aTbD1RLuoD2u2io單相全波整流電壓波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+

整流與濾波電路-----全波整流單相全波整流主要參數(shù)u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20tu1u2TD3D2D1D4RLuo橋式整流電路波形

整流與濾波電路-----橋式整流uo20t正半周D1、D4

導(dǎo)通，D2

、D3截止負(fù)半周D2、D3

導(dǎo)通，D1

、D4截止橋式整流電路參數(shù)u1u2TD3D2D1D4RLuouo20t

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。脈動(dòng)系數(shù)Ｓ用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出uo

分解后可得:uo20t基波基波峰值輸出電壓平均值全波整流電路橋式整流電路半波整流電路整流電路性能的簡(jiǎn)單對(duì)比二、濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLCRLLu2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時(shí)，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u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1.電容濾波電路uot當(dāng)u2上升到大于電容上的電壓uc，u2對(duì)電容充電，充電時(shí)間常數(shù)=rdC很小,每次都能充滿uo=uc當(dāng)u2下降到小于電容上的電壓時(shí)。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(shí)間常數(shù)=RLC比較大,放電慢.u2tuot電容充電時(shí)，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(shí)(考慮整流電路內(nèi)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(shí)電流很大RLC越大Uo越高負(fù)載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時(shí)間越短iD的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點(diǎn)(a)輸出電壓平均值Uo與時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)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串聯(lián)式穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的作用:交流電壓脈動(dòng)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(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)電路最簡(jiǎn)單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)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(shí)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(huì)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(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(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)。2.穩(wěn)壓電阻的計(jì)算穩(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，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(1)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規(guī)定值，否則會(huì)造成損壞！

當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過IZmax，由此可計(jì)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(gòu)成

VO=VI-VR，當(dāng)VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加對(duì)輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL↑→R↓→VR↓→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。

串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

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。

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成：調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源2.工作原理1．輸入電壓變化時(shí)VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓實(shí)質(zhì)：電壓負(fù)反饋2．負(fù)載電流變化時(shí)IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算可見，調(diào)節(jié)R2可以改變輸出電壓。根據(jù)“虛短”Vf≈VREF穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2（UB1）Uo當(dāng)UI增加或輸出電流減小使Uo升高時(shí)R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2（UB1）(3)輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍因?yàn)椋篛U2BEZUU+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(diào)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(fù)電壓79

）恒流源基準(zhǔn)電壓電路調(diào)整電路比較放大減流保護(hù)過熱保護(hù)啟動(dòng)電路取樣電路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–+Uo231CI0.1~1FCo1μF-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+_Uo132CI0.1~1FCo1μF+10V+5V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用1.固定式應(yīng)用舉例

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用2.可調(diào)式應(yīng)用舉例

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用2.可調(diào)式應(yīng)用舉例四.穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)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(shè)計(jì)方法直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)的依據(jù)是技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：電路結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)計(jì)算、器件選擇、具體電路設(shè)計(jì)步驟包括：根據(jù)市場(chǎng)、技術(shù)潮流、主要指標(biāo)選擇電源類型和電路結(jié)構(gòu)根據(jù)電壓關(guān)系計(jì)算各部分的電壓根據(jù)電流關(guān)系計(jì)算各部分的電流根據(jù)功率關(guān)系計(jì)算各部分的功率根據(jù)電壓、電流、功率選擇器件設(shè)計(jì)結(jié)果包括：具體電路圖，設(shè)計(jì)到電路、器件型號(hào)、管腳

電路結(jié)構(gòu)的選擇穩(wěn)壓類型:線性串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)式穩(wěn)壓電源;穩(wěn)壓器件:三端穩(wěn)壓器,晶體管穩(wěn)壓,其他集成穩(wěn)壓器;濾波電路:電容濾波,電感濾波,電感電容濾波;整流電路:橋式整流,全波整流,半波整流;工頻變壓器降壓.得到如下電路:

電路參數(shù)的計(jì)算—電壓的計(jì)算U2Ui△UU0電路參數(shù)的計(jì)算—電流的計(jì)算I0IiI2ID

ID0電路元件參數(shù)的選取1、穩(wěn)壓器件:三端穩(wěn)壓器,正穩(wěn)壓系列78LXX：100mA78MXX：500mA78XX：1A78HXX：5AXX=05，06，08，09，12，15，24負(fù)穩(wěn)壓系列：79LXX；79MXX；79XX；正可調(diào)穩(wěn)壓系列：LM117；LM217；LM317

Uo=1.25-25V

Iomax=1.5A負(fù)可調(diào)穩(wěn)壓系列：LM137；LM237；LM337

Uo=-（1.25-25）V

Iomax=1.5A2、輸出濾波電容3、穩(wěn)壓器前后小濾波電容作用：是輸出電壓波形更平滑，減少負(fù)載對(duì)電源的影響，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。取值范圍：取值太小時(shí)，起不到應(yīng)有的作用；太大時(shí)會(huì)造成沖擊太大；反饋相移大，甚至自激。參考輸出電流取值：耐壓：〉=50%的裕量<100mA500mA1A1.5A3A5A47μF100μF220μF470μF1000μF2200μF主要目的是濾除高頻干擾，電解電容的高頻特性較差，小容量的無極性電容高頻特性好，起到互補(bǔ)作用。也有利于改善動(dòng)態(tài)特性。取值在0.01μF~0.33μF4、瀉放電阻5、濾波電容6、整流二極管:、保護(hù)二極管濾波電容越大紋波越小，但整流沖擊大，電流有效值大，要求變壓器和整流管的功率和電流都要大。給穩(wěn)壓器的漏電流提供瀉放回路，防止空載電壓高于正常輸出電壓。R<U0/Is

Is一般在微安數(shù)量級(jí)。7、變壓器功率30-8080-200200-400400以上效率0.80.850.90.95鐵芯與磁導(dǎo)率表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料三、功率損耗銅損耗Pcu鐵損耗PFe鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。OHBΔPCu線圈電阻R上的損耗ΔPFe處于交變磁化下的鐵心的損耗（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱