第12章直流穩(wěn)壓電源的課件

12.1直流穩(wěn)壓電源概述12.2單相整流電路12.3電源濾波電路12.4線性穩(wěn)壓電路12.5集成線性穩(wěn)壓器第12章直流穩(wěn)壓電源學(xué)習(xí)本章后，讀者將了解：直流穩(wěn)壓電源的組成框圖，直流穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)：電壓調(diào)整率、輸出電阻、溫度系數(shù)和紋波系數(shù)；單相整流：半波整流、橋式整流和倍壓整流；電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波；線性穩(wěn)壓電路：并聯(lián)穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路）和串聯(lián)穩(wěn)壓電路；線性集成穩(wěn)壓器：三端固定式穩(wěn)壓器W7800和三端可調(diào)穩(wěn)壓器W117；12.1.1直流穩(wěn)壓電源的作用和組成框圖12.1直流穩(wěn)壓電源概述12.1.2直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)12.1.1直流穩(wěn)壓電源的作用和組成框圖

1、變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。

2、整流電路：將交流電源電壓變換為單向脈動電壓。3、濾波器：減小整流電壓的脈動程度，以適合負(fù)載的需要。4、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)：在交流電源電壓波動或負(fù)載變動時，使直流輸出電壓穩(wěn)定。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end12.1.2直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)1．特性指標(biāo)1）輸入電壓及其變化范圍；2）輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍；3）額定輸出電流以及過流保護(hù)電流。

額定輸出電流是指電源正常工作時的最大輸出電流。當(dāng)輸出電流超過過流保護(hù)電流（通常，大于額定電流）時，過流保護(hù)電路啟動，限制輸出電流，保護(hù)直流穩(wěn)壓電源不被燒壞。

輸出電壓是輸入電壓、輸出電流和溫度（調(diào)節(jié)元件等的特性與溫度有關(guān)）等的函數(shù)，即：2．質(zhì)量指標(biāo)VI可以是電網(wǎng)電壓的有效值Vac或者是濾波輸出電壓VAV。1）電壓調(diào)整率：2）輸出電阻：3）溫度系數(shù)：電壓調(diào)整率、輸出電組和溫度系數(shù)越小，直流穩(wěn)壓電源的質(zhì)量越好在交流電壓有效值、輸出電流和溫度不變的情況下，紋波電壓是指直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的交流分量，即紋波電壓vγ：

vO是輸出電壓的瞬時值，VO是輸出電壓的直流分量（即輸出直流電壓）。則紋波電壓的有效值Vγ：紋波系數(shù)γ通常定義為紋波電壓有效值與直流分量的絕對值之比紋波系數(shù)越小，直流穩(wěn)壓電源的質(zhì)量越好4）紋波系數(shù)end12.2單相整流電路12.2.3倍壓整流12.2.1單相半波整流電路12.2.2單相橋式整流電路1．電路組成和工作原理12.2.1單相半波整流電路設(shè)變壓器副繞組的電壓為

V2是副繞組的電壓有效值，f是電源頻率（50Hz），Von是二極管的導(dǎo)通電壓。在v2的負(fù)半周內(nèi)(v2<0)，二極管D截止。在v2的正半周內(nèi)(v2>0)，二極管D導(dǎo)通。（b）v2<0的等效電路（a）v2>0的等效電路電路在交流電的半周期內(nèi)才有負(fù)載電流，稱為單相半波整流電路。變壓器付邊繞組的平均電流不為零，具有直流偏磁。對電網(wǎng)造成較大的諧波污染。輸出直流電壓和直流電流:輸出電壓有效值:紋波電壓有效值:紋波系數(shù):說明紋波電壓大于直流輸出電壓。

流過整流二極管的平均整流電流等于負(fù)載的直流電流，即:二極管承受的最大反向電壓:根據(jù)上述參數(shù)選擇整流二極管，

IF和VR是二極管的最大平均整流電流和最高反向工作電壓參數(shù)。

整流二極管的選擇end為了提高整流電路的性能，抑制變壓器的直流偏磁，減小對電網(wǎng)的不利影響，常采用橋式整流電路。a~TrRLv2vLv1~RLv2vLb~RLv2vL~RLvLv2橋式整流電路的四種畫法：12.2.2單相橋式整流電路在變壓器副邊電壓v2為正半周時，二極管D1、D3導(dǎo)通，而二極管D2、D4截止。t0vOT當(dāng)副邊電壓v2為負(fù)半周時，二極管D2、D4導(dǎo)通，而二極管D1、D3截止。t0v2D2、D4通D1、D3通D1、D3通D2、D4通vOa~v1TrRLbv2D1D2D3D4vOa~v1TrRLbv2D2D41.電路組成和工作原理2．輸出直流電壓和紋波電壓輸出電壓有效值：紋波電壓有效值：紋波系數(shù)：說明紋波電壓小于直流輸出電壓。

輸出直流電壓：流過整流二極管的平均整流電流等于負(fù)載直流電流的一半，即：二極管承受的最大反向電壓：橋式整流電路的特點：輸出直流電壓較大，紋波電壓較小，特性較好。3．整流二極管的選擇通常用整流橋替代分立元件，其體積減小，成本降低，可靠性高。變壓器連續(xù)工作，流入變壓器和電網(wǎng)的電流是正弦波，變壓器沒有直流偏磁，對電網(wǎng)造成的諧波污染較小。u2vLIov2vLIov2vLv2Io平均電壓t0vLt0vLt0vL電路電壓波形IFVDR整流類型半波全波橋式一體化硅橋SQLF2000整流橋硅整流二極管圓橋2W06排橋KBP306整流元件的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)end倍壓整流：利用二極管的單向?qū)щ娦詾殡娙萏峁﹩螛O性電壓，將電容存儲的電壓（電荷存儲效應(yīng)）累加，形成等于若干倍交流電壓峰值的直流輸出電壓。12.2.3倍壓整流(a)2倍壓整流電路(b)6倍壓整流電路對2倍壓整流電路，

C1的耐壓大于

，C2的耐壓應(yīng)大于。倍壓整流電路一般用于高電壓、小電流（幾毫安以下）的直流電源中。

end12.3電源濾波電路12.3.1電容濾波電路12.3.2電感濾波電路電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端;電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)對整流電路的濾波，一方面要盡量降低輸出電壓中的脈動成份，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。電容器兩端的電壓不能突變（躍變）和流過電感器的電流不能突變的特性，用電容器與負(fù)載電阻并聯(lián)或電感器與負(fù)載電阻串聯(lián)構(gòu)成濾波電路。電源濾波器的基本組成元件是電容或電感。濾波原理2：頻率響應(yīng)濾波原理1：暫態(tài)效應(yīng)12.3電源濾波電路由于電源輸出較大的功率，所以，只能采用無源低通濾波。幾種濾波電路：電容濾波電路電感電容濾波電路RC型濾波電路設(shè)t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束橋式整流輸出波形電容濾波、空載v2tvot12.3.1電容濾波電路橋式整流電容濾波電路1.工作原理：在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，電容通過RL放電，v0逐漸下降。v2tvot橋式整流電容濾波電路電容濾波、帶負(fù)載12.3.1電容濾波電路1.工作原理：只有整流電路輸出電壓大于v0的時間區(qū)間，才有充電電流。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。放電：近似為指數(shù)曲線，時間長充電：近似為正弦曲線，時間短2．輸出直流電壓和紋波電壓設(shè)充電快速完成，可忽略充電時間。放電時，電容電壓為輸出平均電壓輸出電壓有效值輸出紋波電壓紋波系數(shù)輸出近似波形在實際應(yīng)用中，通常選擇得估算公式:輸出平均電壓與輸出平均電流的關(guān)系稱為電容濾波電路的負(fù)載特性。

3．電容濾波的負(fù)載特性輸出直流電壓在0.9V2和之間。當(dāng)輸出直流電流?。ㄘ?fù)載電阻大）時，輸出電壓大；當(dāng)輸出直流電流大（負(fù)載電阻?。r，輸出電壓小?？梢姡娙轂V波帶負(fù)載能力較差。二極管承受的最大反向電壓仍為變壓器付邊交流電壓的峰值，即：電容對直流分量相當(dāng)于開路，所以，流過整流二極管的平均整流電流仍然等于負(fù)載直流電流的一半，即：二極管的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于1800，并且必須維持一定的負(fù)載平均電流，故二極管的導(dǎo)通電流大。因此，計算二極管的最大平均整流電流和最高反向工作電壓參數(shù)的公式修正為：

IDFmax和VDRmax是二極管工作時的最大平均電流和最高反向電壓，可根據(jù)變壓器的最大付邊電壓電壓有效值和負(fù)載電阻確定。4．二極管的選擇例有一單相橋式濾波電路，電源頻率f=50HZ，負(fù)載電阻為250

，要求Vo=24V，試選擇整流二極管及濾波電容。查二極管參數(shù)，為了使用安全此項參數(shù)選擇應(yīng)比計算值大一倍左右。選用2CP11(IF=100mA，VR=50V)。解：（1）選擇整流二極管

變壓器副邊電壓有效值(2)選擇濾波電容選用250uF、耐壓50V的電解電容器.end12.3.2電感濾波電路利用電感電流不能突變的特性，平滑輸出電流，同樣可以濾除紋波。L與RL串聯(lián)。橋式整流電感平滑濾波直流分量，ω=0，基波分量，ω=2ω0=4π/T

，對電感和電阻串聯(lián)環(huán)節(jié)

忽略高次諧波，則紋波系數(shù)為

當(dāng)時間常數(shù)τ=L/R=2T時，γ≈0.027，濾波效果超過電容濾波的水平。由于整流輸出電壓與純電阻負(fù)載完全相同，故二極管的選擇和純電阻負(fù)載的橋式整流相同。

電感濾波的優(yōu)點是負(fù)載特性好，即輸出直流電壓隨輸出直流電流變化很小，輸出特性比較平坦。頻率越高，電感越大，濾波效果越好。缺點是：1）由于鐵心的存在，電感笨重、體積大，易引起電磁干擾；2）線圈的電感量較大，其線圈電阻也較大，因而會造成輸出電壓的下降。因此，電感濾波電路通常適用于輸出大電流的場合。

end12.4線性穩(wěn)壓電路12.4.1線性并聯(lián)穩(wěn)壓電路12.4.2線性串聯(lián)穩(wěn)壓電路12.4.3電壓基準(zhǔn)電路穩(wěn)壓電路將變化的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，滿足高性能電子電路對直流電源的要求。因此，穩(wěn)壓電路是決定直流穩(wěn)壓電源質(zhì)量的關(guān)鍵電路。

分類：按穩(wěn)壓電路中調(diào)節(jié)元件與負(fù)載的連接方式分，有并聯(lián)穩(wěn)壓電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路。按穩(wěn)壓電路中調(diào)節(jié)元件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)壓電路。在線性穩(wěn)壓電路中，調(diào)節(jié)元件工作在線性狀態(tài)；而在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，調(diào)節(jié)元件工作在開關(guān)狀態(tài)（飽和或截止）。 12.4線性穩(wěn)壓電路1．電路組成和工作原理12.4.1線性并聯(lián)穩(wěn)壓電路

當(dāng)任何因素，例如VI增加，引起輸出電壓VO增加時，將發(fā)生下述自動調(diào)節(jié)過程：VO↓VO=VI-VR任何因素引起的輸出電壓的增加量，被電路的自動調(diào)節(jié)引起的減少量抵消，維持輸出電壓基本恒定。調(diào)節(jié)元件穩(wěn)壓管是通過自身的特性調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)穩(wěn)壓的。橋式整流+電容濾波+穩(wěn)壓管穩(wěn)壓2．主要技術(shù)指標(biāo)1）特性指標(biāo)輸入電壓的最小值必須保證穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓：輸出電壓不能調(diào)節(jié)，等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓：

輸出端開路是直流穩(wěn)壓電源經(jīng)常出現(xiàn)的工況，此時，穩(wěn)壓管的電流達(dá)到最大值，故輸入電壓的最大值是：

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的自動調(diào)節(jié)能力主要取決于穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)范圍[IZmin，IZmax]，限流電阻R。

限流電阻R的取值，必須保證穩(wěn)壓管工作在電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。最大輸出電流是：2）質(zhì)量指標(biāo)

穩(wěn)壓電路的質(zhì)量指標(biāo)是衡量輸出電壓變化量大小的指標(biāo)。可以根據(jù)交流等效電路計算。rZ

rZ是穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻，通常遠(yuǎn)小于限流電阻R。ΔVI是交流電源、整流、濾波等各種因素引起的變化量。rZ輸出電阻：溫度系數(shù)：設(shè)濾波電路的紋波系數(shù)為γI、文波電壓為VIγ，則穩(wěn)壓電路輸出電壓的最大紋波系數(shù)（負(fù)載開路）的計算如下：限流電阻R越大、穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻rZ及溫度系數(shù)αZ越小，穩(wěn)壓電路的質(zhì)量越好。電壓調(diào)整率：穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)3)功率轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)壓電路的輸出功率與輸入功率之比即是轉(zhuǎn)換效率。輸出最大電流時，達(dá)到最大轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電壓固定，不能調(diào)節(jié)；受穩(wěn)壓管額定功率的限制，輸出電流小，輸出功率??；質(zhì)量不夠高。但電路簡單，可作為小功率電子電路的電源。例設(shè)整流濾波電路的最大輸出直流電壓為12V，紋波系數(shù)為0.1；穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓是6V，穩(wěn)定電流是5mA，額定功率是250mW，動態(tài)電阻是15Ω，溫度系數(shù)是5mV/0C。試選擇限流電阻，求直流輸出電壓、最大輸出電流和電路的各項質(zhì)量指標(biāo)。解：穩(wěn)壓管的最大電流為選擇R=150Ω最大輸出電流：電壓調(diào)整率：

如果電網(wǎng)電壓有效值變化±10%，則整流濾波輸出電壓亦變化±10%，引起的輸出直流電壓變化量如下：輸出電流變化引起的直流電壓變化量為:溫度系數(shù)為如果環(huán)境溫度變化500C，則溫度引起的輸出電壓變化為：輸出電壓總變化量為:end1．電路組成和工作原理12.4.2線性串聯(lián)穩(wěn)壓電路調(diào)整管T工作在放大區(qū)，并且與負(fù)載RL串聯(lián)，故稱為線性串聯(lián)穩(wěn)壓電路。取樣電路將輸出電壓反饋回比較放大器。

穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。比較放大器放大反饋電壓與基準(zhǔn)電壓的差值，并控制調(diào)整管的集射電壓，是輸出電壓穩(wěn)定。(+)(+)(+)(+)電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電壓波動負(fù)載電流變化輸出電壓變化深度負(fù)反饋，運放輸入端虛短和虛斷。2．輸出直流電壓和調(diào)節(jié)范圍3．最大輸出電流調(diào)整管的最大集電極允許電流

調(diào)整管的集射電壓為:4．輸入電壓范圍5．調(diào)整管選擇6．過流保護(hù)電路任何情況下輸出電流都應(yīng)該小于調(diào)整管的最大集電極允許電流。必須增加過流保護(hù)電路。6．過流保護(hù)電路----限流保護(hù)晶體管T2和電阻R0組成限流保護(hù)電路。

當(dāng)輸出電流小于輸出額定電流時，T2截止，電路正常實現(xiàn)穩(wěn)壓。

當(dāng)輸出電流大于輸出額定電流時，T2導(dǎo)通，對T1的基極分流，限制集電極電流增加。過流保護(hù)電流近似為6．過流保護(hù)電路----截流保護(hù)晶體管T2和電阻R0、R3、R4組成截流保護(hù)電路。

當(dāng)輸出電流小于輸出額定電流時，T2截止，電路正常實現(xiàn)穩(wěn)壓。

當(dāng)輸出電流大于輸出額定電流時，T2導(dǎo)通，對T1的基極分流，輸出電壓減小，引起正反饋正反饋結(jié)束時，IO=0

過流保護(hù)電流是正反饋過程啟動電流。end基準(zhǔn)電壓源是提供準(zhǔn)確電壓的電路，其輸出直流電壓非常穩(wěn)定，但輸出電流卻很小。得準(zhǔn)確基準(zhǔn)電壓的主要途徑是采用溫度補償穩(wěn)壓二極管基準(zhǔn)電壓和能隙基準(zhǔn)電壓。12.4.3電壓基準(zhǔn)電路串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓成正比，基準(zhǔn)電壓的性能對輸出電壓影響最大，必須采用高性能的基準(zhǔn)電壓源。溫度補償穩(wěn)壓二極管VOVIIO1．溫度補償穩(wěn)壓二極管基準(zhǔn)源

1）輸入電壓VI基本不變，或穩(wěn)壓管通過恒定的電流；

2）對穩(wěn)壓管進(jìn)行溫度補償。溫度補償穩(wěn)壓二極管DZ反向擊穿穩(wěn)壓，提供穩(wěn)定的6.3V基準(zhǔn)電壓。通過外接電位器RW可微調(diào)輸出電壓，使輸出電壓等于10V。電路中還包含2個精密分壓電阻RA和RB，可分壓輸出5V基準(zhǔn)電壓。

REF101是基于溫度補償穩(wěn)壓二極管的單片集成電壓基準(zhǔn)器件，提供10V的精密基準(zhǔn)電壓。在0~700C范圍內(nèi)，REF101輸出基準(zhǔn)電壓的最大變化僅為0.7mV。5端的輸出基準(zhǔn)電壓為：

溫度補償穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓通常大于5V。如果需要較低的基準(zhǔn)電壓，則需采用能隙基準(zhǔn)電壓源。

VG0是半導(dǎo)體材料在絕對零度時的能帶間隙電壓；α是PN結(jié)的電壓溫度系數(shù)。2.能隙基準(zhǔn)電壓源由半導(dǎo)體物理知識，晶體管的發(fā)射結(jié)電壓為：硅材料：VG0=1.205Vα≈-2.1mV/K

輸出基準(zhǔn)電壓等于硅材料的能隙電壓，故稱為能隙基準(zhǔn)電壓源。

負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)end12.5集成線性穩(wěn)壓器12.5.1三端固定穩(wěn)壓器12.5.三端可調(diào)穩(wěn)壓器串聯(lián)穩(wěn)壓電路適合單片集成電路制造，相應(yīng)的集成電路產(chǎn)品稱為單片集成線性穩(wěn)壓器，簡稱集成穩(wěn)壓器。只有3個引出端的集成穩(wěn)壓器稱為三端穩(wěn)壓器，3個引出端分別是輸入電壓端、輸出電壓端和公共端或調(diào)整端。輸出電壓固定的是三端固定穩(wěn)壓器，輸出電壓可調(diào)的是三端可調(diào)穩(wěn)壓器。12.5集成線性穩(wěn)壓器三端集成穩(wěn)壓器的分類1.三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L–CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器國標(biāo)型號:CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低壓差集成穩(wěn)壓器6.大電流三端集成穩(wěn)壓器型號中××代表輸出電壓的絕對值，一般為：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。W78××W79××Io1.5AW78M××W79M××Io0.5AW78L××W79L××Io0.1AW78H××W79H××Io5A三端集成穩(wěn)壓器的參數(shù)型號：W7800基準(zhǔn)電壓電路取樣電路比較放大電路調(diào)整管啟動電路過流、過壓保護(hù)電路12.5.1三端固定穩(wěn)壓器芯片過熱保護(hù)

差放、雙入、雙出、負(fù)載T10發(fā)射結(jié)VZ2具有正溫度系數(shù)，而VBE具有負(fù)溫度系數(shù)。

基準(zhǔn)電壓電路取樣電路比較放大電路調(diào)整管啟動電路保護(hù)電路改變R12可以獲得不同的輸出電壓規(guī)格。改變T11的最大允許電流，可以獲得不同的輸出電流規(guī)格。

基準(zhǔn)電壓電路取樣電路比較放大電路調(diào)整管啟動電路保護(hù)電路基準(zhǔn)電壓和比較放大電路都含有電流源，使穩(wěn)壓器的性能好。但是，在上電過程中電流源不能正常工作，故需要啟動電路來啟動電流源正常工作。

芯片過熱保護(hù)

接通電源時，…過熱時，T14導(dǎo)通過壓時，過流時，限流保護(hù)為保證W78M15正