《電工電子》課件項目八 穩(wěn)壓電源的設(shè)計

項目8穩(wěn)壓電源的設(shè)計《電工電子技術(shù)項目化教程》任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握穩(wěn)壓電源的基本原理和電路組成；掌握開關(guān)電源的基本原理和電路組成能力目標(biāo)：掌握穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法任務(wù)分析通過學(xué)習(xí)，了解并掌握穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的基本原理和電路組成，并完成穩(wěn)壓電源的設(shè)計。任務(wù)8.1穩(wěn)壓電源的設(shè)計8.1.1穩(wěn)壓電源的組成穩(wěn)壓電源的組成框圖見圖15-1所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖中可見穩(wěn)壓電源的由4部分組成，各組成部分的作用如下：整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動直流電濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進一步穩(wěn)定直流電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計.2單相橋式整流電路15.2.1工作原理電路原理圖如圖15-2所示單相橋式電路巧妙地利用二極管的單相導(dǎo)電性，分別構(gòu)成了兩組回路，無論變壓器的兩端的極性如何，正極性端與電阻R的上端相連，負(fù)極性端與電阻R的下相連。這樣負(fù)載一直都有一個單方向的電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計電路中電壓和電流波形圖如圖15-3所示：當(dāng)正半周時二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-3電路中電壓和電流波形圖15.2.2負(fù)載上的直流電壓和直流電流輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：

流過負(fù)載的平均電流為：任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計流過二極管的平均電流為：

二極管所承受的最大反向電壓

數(shù)量關(guān)系如圖15-4所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計3濾波電路15.3.1濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。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)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計1.電容濾波電路在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容C，就構(gòu)成了電容濾波電路（見圖15-5）1)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C相當(dāng)于并聯(lián)在V2上，所以輸出波形同V2，是正弦形。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計在剛過90°時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時，二極管仍然導(dǎo)通。在超過90°后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關(guān)斷。所以，在t1到t2時刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，Vc=VL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時刻二極管關(guān)斷，Vc=VL按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為RLC。原理圖見圖15-6。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-6電容濾波電路2)電容濾波的計算電容濾波的計算比較麻煩，因為決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=(3

5)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

RLC≥6~10。）任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計4穩(wěn)壓電路引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化。

15.4.1穩(wěn)壓電路方框圖見圖15-7。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-7穩(wěn)壓電路方框圖2穩(wěn)壓電路種類1.硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理（見圖15-8。）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，只會引起較小的電壓變化。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)過補償了的穩(wěn)壓二極管。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10-6/℃。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計2.串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管的缺點是工作電流較小，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。典型的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，由基準(zhǔn)電壓、比較放大、調(diào)整、取樣幾個部分組成。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-9串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理電路如圖15-9。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計3.三端集成穩(wěn)壓器將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護電路集成在一起就是集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器有：輸入端、輸出端和公共端，稱三端集成穩(wěn)壓器。要特別注意，不同型號，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們?nèi)齻€電極的位置是不同的，要查手冊確定。1） 集成穩(wěn)壓器符號圖15-102） 外形圖見圖15-11任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計3）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)壓器任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計⑥大電流三端集成穩(wěn)壓器以上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℃。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計4.應(yīng)用電路1）三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖15-12所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-12三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路2）三端固定式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出應(yīng)用電路如圖15-13所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-13三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的正負(fù)輸出應(yīng)用電路3）三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖15-14所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-14三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路4）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出的典型應(yīng)用電路如圖15-15所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-15三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出的典型應(yīng)用電路可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和公共端之間是1.25V的參考源，因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié)。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計8.2.1開關(guān)穩(wěn)壓電源基本工作原理分析1開關(guān)穩(wěn)壓電源與串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓電源比較穩(wěn)壓電源是使用電子電路調(diào)整輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定目的的電源，有串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源也是穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓電源不能直接稱為開關(guān)電源。普通的串聯(lián)穩(wěn)壓電源都安裝電源變壓器，具有輸出電壓穩(wěn)定、波紋小等優(yōu)點，但是電壓范圍小，效率低。并聯(lián)穩(wěn)壓電源輸出電壓特別穩(wěn)定，但是負(fù)載能力很差，一般只在儀表內(nèi)部做基準(zhǔn)用。任務(wù)8.2開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率高，電壓范圍寬，輸出電壓相對穩(wěn)定，由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，所以開關(guān)電源的工作效率可達(dá)80﹪～90﹪。而通常的線性調(diào)整式穩(wěn)壓電源的效率僅達(dá)50﹪左右開關(guān)電源是近代普遍推廣的穩(wěn)壓電源，比如現(xiàn)在電腦的ATX電源、筆記本電腦電源適配器、打印機電源、手機充電器等等。穩(wěn)壓電源是在負(fù)載功率變化時，輸出電壓仍然保持固定的電壓值。開關(guān)電源也是穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓電源不能直接稱為開關(guān)電源。兩種電源的比較見表15.2所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計2開關(guān)電源的分類1.根據(jù)開關(guān)管在電路中的連接方式分類，可分為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源，并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和脈動變壓器耦合式開關(guān)電源。如圖15-16所示四種類型開關(guān)電源電路。1)串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指：開關(guān)管（或儲能電感）與負(fù)載采用串接方式連接的一種電源電路。2)并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指：開關(guān)管（或儲能電感）與負(fù)載采用并接方式連接的一種電源電路3）脈沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電路電源是指：開關(guān)管與脈沖變壓器一次繞組串聯(lián)后與整流電路并聯(lián)，負(fù)載電路與脈沖變壓器二次繞組并聯(lián)。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計2.根據(jù)開關(guān)管的激勵方式不同分類，開關(guān)電源可分為自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源和他激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。1）自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源是利用電源電路中的正反饋電路來完成自激振蕩，啟動電源。2）他激式開關(guān)穩(wěn)壓電源電路是專門設(shè)有一個振蕩器來啟動電源的。3.根據(jù)使用的器件種類不同分類，可分為由分立元器件組成的開關(guān)穩(wěn)壓電源和由集成電路組成的開關(guān)穩(wěn)壓電源任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計4.根據(jù)穩(wěn)壓的控制方式不同分類，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為脈沖調(diào)寬式和脈沖調(diào)頻式兩種1）所謂脈沖調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源是指：由相關(guān)電路對開關(guān)的脈沖寬度進行調(diào)制的一種穩(wěn)壓電路2）所謂脈沖調(diào)頻式開關(guān)穩(wěn)壓電源是指：由相關(guān)電路對開關(guān)的脈沖頻率進行調(diào)制的一種穩(wěn)壓電路15.5.3串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路工作原理分析1.串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源是指開關(guān)管串聯(lián)在輸入電壓與負(fù)載電路之間的一種工作方式的電源電路。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計3.串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的工作原理串聯(lián)式開關(guān)電源的基本電路如圖15-17所示。在該電路中，VT1為開關(guān)管，VD1為續(xù)流二極管，L為儲能電感，C為濾波電容，RL為負(fù)載電阻。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-17串聯(lián)式開關(guān)電源的基本電路3.串聯(lián)式開關(guān)電源基本電路的工作原理

1）VT1基極輸入正脈沖：開關(guān)管VT1正偏飽和導(dǎo)通，如圖15-18所示輸出的電壓ui一路加到續(xù)流二極管VD1的負(fù)極上，使其反偏截止；另一路經(jīng)L、C、RL形成回路，電流經(jīng)L對電容C進行充電，也對RL負(fù)載供電。線圈自感電壓為左“+”右“-”，以阻礙電流的增大。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-18VT1基極輸入正脈沖的原理圖

VT1基極輸入負(fù)脈沖：開關(guān)管VT1反偏截止如圖15-19所示，從而切斷了輸入電壓ui向負(fù)載供電的通路。但由于電感中的電流不會突變，在電感中會感應(yīng)出右“+”正、左“-”負(fù)的電壓。該電壓就會使續(xù)流二極管正偏導(dǎo)通，儲存在電感L中的能量就會通過VD1導(dǎo)通的二極管繼續(xù)向電容C充電，同時也為負(fù)載提供工作電流，以維持負(fù)載電流的連續(xù)性。電路要求電容耐壓值高，一般不小與輸入電源2倍。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計圖15-20關(guān)鍵點的電壓和電流波形電路圖中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。圖中A、B、C圖分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、<0.5、>0.5時，輸出電壓uo的波形、儲能濾波電容兩端電壓uc的波形、儲能電感L電流IL的波形。電壓波形小結(jié)：①占空比大電源輸出電壓Uo大，但電壓波動也大；相反，占空比小電源輸出電壓Uo就小。②當(dāng)占空比等于0.5時，電源輸出電壓為脈沖電壓的平均值，且電壓較穩(wěn)定。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計4．串聯(lián)式開關(guān)電源電路分析做幾點說明

1）由于輸入電壓沒有隔離電路，所以整個電路是帶電的，稱為熱地板，在調(diào)試和修理時要注意安全。

2）由于開關(guān)管與負(fù)載串聯(lián)，因此對開關(guān)管的反向耐壓要求不高。