《模擬電子技術(shù)及應(yīng)用》課件第6章

在我國，電網(wǎng)主要提供的是50Hz的正弦交流電，但很多電氣設(shè)備需要直流電源供電，例如電解、電鍍、蓄電池充電、直流電動(dòng)機(jī)等，都需要直流電源供電；此外，在電子線路和自動(dòng)控制裝置中還需要電壓非常穩(wěn)定的直流電源。比較經(jīng)濟(jì)適用的方法是利用電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過變換，將其變?yōu)橹绷麟?。小功率的線性直流穩(wěn)壓電源主要由以下四部分組成。

(1)變壓環(huán)節(jié)：利用工頻變壓器，將電網(wǎng)電壓變換為所需要的交流電壓。

(2)整流環(huán)節(jié)：利用二極管或晶閘管的單向?qū)щ娦?，把交流電變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電。

(3)濾波環(huán)節(jié)：將脈動(dòng)直流電壓的脈動(dòng)成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。

(4)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)：在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電流變化時(shí)，保持直流輸出電壓的穩(wěn)定。

整流就是把大小、方向都隨時(shí)間變化的交流電變換成脈動(dòng)直流電，完成這一任務(wù)的電路稱為整流電路。整流電路按其所使用的電源可分為單相整流電路和三相整流電路。常見的單相整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。單相橋式整流電路用得最為普遍。本節(jié)主要介紹單相半波和單相橋式整流電路。6.1整流電路6.1.1單相半波整流電路

1.工作原理

單相半波整流電路如圖6-1(a)所示，它是最簡單的整流電路，由變壓器T、晶體二極管V及負(fù)載電阻RL組成。假定負(fù)載是純電阻，二極管為理想二極管(即認(rèn)為二極管的正向電阻為零，反向電阻為無窮大)，且忽略變壓器的內(nèi)阻。設(shè)變壓器次級的輸出電壓為u2＝U2sin

tV，U2為變壓器次級電壓的有效值。在u2正半周，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管V正向偏置而導(dǎo)通，如果忽略二極管的管壓降，按圖6-1(b)所示的參考方向，則加在負(fù)載電阻RL上的電壓uL和流過負(fù)載電阻的電流iL分別為

式中，iV為流過二極管的電流。

在u2的負(fù)半周時(shí)，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位，二極管V反向偏置而截止，負(fù)載電阻RL中無電流流過，則有

uL＝0，iL＝iV＝0

此時(shí)二極管V承受反向電壓，其反向電壓最大值Um＝U2。

在單相半波整流電路中，流過負(fù)載電阻的電壓uL以及電流iL的波形如圖6-1(b)所示。

圖6-1

2.平均電壓UL和平均電流IL的計(jì)算

經(jīng)過二極管V整流后，加在負(fù)載電阻RL上的電壓和流過負(fù)載電阻RL的電流是脈動(dòng)的直流電。設(shè)UL是輸出電壓的瞬時(shí)值在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，則單相半波整流電壓的平均值為

(6-1-1)

整流電流的平均值為

(6-1-2)

3.脈動(dòng)系數(shù)

整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)定義為輸出電壓的基波最大值Uom與輸出直流電壓Uo之比，即

式中，Uom可通過半波整流輸出電壓Uo的傅里葉級數(shù)求得：

所以

(6-1-3)

即半波整流的脈動(dòng)系數(shù)為157%，所以，脈動(dòng)成分很大。

4.選管原則

整流電路所用的二極管，一般要根據(jù)流過其電流平均值IV和它在電路中所承受的最高反向峰值電壓URM來選擇。

(1)二極管的平均電流：

(6-1-4)

(2)二極管的最高反向峰值電壓：

(6-1-5)式(6-1-1)表明，對于半波整流，純電阻負(fù)載RL上所得到的直流電壓只有變壓器次級電壓有效值的0.45倍，如果考慮二極管的正向電壓降和變壓器的損耗，則UL的數(shù)值會(huì)更低。另外，對于半波整流電路，變壓器和二極管只有半個(gè)周期工作，所以電源利用率低，輸出的直流成分脈動(dòng)大，這是半波整流電路的缺點(diǎn)。半波整流電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。由于上述原因，半波整流電路只用在輸出電壓要求不高，輸出電流較小且對電壓平滑程度要求不高的場合。

例6-1

有一單相半波整流電路如圖6-1(a)所示。已知負(fù)載電阻RL＝750

，變壓器次級電壓有效值U2＝20V，試求UL、IL及二極管承受的最高反向電壓UVM，并選用二極管。

解由式(6-1-1)~式(6-1-5)可得

UL＝0.45U2＝0.45×20＝9V

經(jīng)查手冊，二極管應(yīng)選用2AP4(16mA，50V)。為了使用安全，二極管的反向峰值電壓URM要選得比UVM大一倍左右。6.1.2單相橋式整流電路

單相半波整流電路的缺點(diǎn)是只利用了交流電源的半個(gè)周期，且整流電路的輸出電壓脈動(dòng)較大。為了克服這些缺點(diǎn)，常采用全波整流電路，其中最常用的是單相橋式整流電路。

1.工作原理

單相橋式整流電路如圖6-2(a)所示，圖中T為電源變壓器，它的作用是將交流電壓u1變成整流電路要求的交流電壓u2，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，4只整流二極管V1～V4接成電橋的形式，故稱為橋式整流電路。圖6-2(b)是橋式整流電路的另一種畫法，圖6-2(c)是其簡化畫法。下面分析橋式整流電路的工作原理。

圖6-2設(shè)

，在u2的正半周(0≤

t＜

)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，二極管V1和V3承受正向電壓而處于導(dǎo)通狀態(tài)，而二極管V2和V4因加反向電壓而截止，電流i1的路徑是：A→V1→RL→V3→B，將二極管看成是理想二極管，則uL＝u2，iL＝i1。在u2的負(fù)半周(

≤

t＜2

)，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位，二極管V2和V4因加的是正向電壓而處于導(dǎo)通狀態(tài)，而二極管V1和V3因承受反向電壓而截止，RL中有電流通過，電流i2的路徑是：B→V2→RL→V4→A，則uL＝－u2，iL＝i2。由以上的分析可以看出，無論在u2的正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻中始終都有電流流過，且流過負(fù)載RL的電流方向始終是相同的。

在單相橋式整流電路中，流過負(fù)載電阻RL的電流iL及電壓uL的波形如圖6-3所示。

圖6-3

2.負(fù)載上的平均電壓UL和平均電流IL的計(jì)算

由圖6-3可以看出，變壓器次級電壓u2按正弦規(guī)律變化。經(jīng)過整流后，負(fù)載電阻上的電壓和流過負(fù)載的電流方向不變，但其大小仍作周期性變化，其電壓的平均值為

(6-1-6)

電流平均值為

(6-1-7)

3.脈動(dòng)系數(shù)

脈動(dòng)系數(shù)為

S＝0.67

4.整流元件參數(shù)的計(jì)算

(1)二極管的平均電流。在橋式整流電路中，二極管V1、V3和V2、V4是兩兩輪流導(dǎo)通的，i1和i2共同構(gòu)成了負(fù)載電流iL，所以流經(jīng)每只二極管的平均電流為

(2)最大反向電壓。二極管在截止時(shí)，管子兩端承受的最高反向電壓就是變壓器次級電壓u2的最大值，即

5.二極管的選擇

(1)二極管的平均電流：IF≥IV＝12IL(6-1-8)(2)最高反向峰值電壓：URM≥UVM＝2U2(6-1-9)單相橋式整流電路與單相半波整流電路相比，在輸入電壓相同時(shí)，輸出電壓提高了一倍，輸出電壓的脈動(dòng)程度明顯減少，變壓器的利用率高，因此這種電路得到了廣泛應(yīng)用。

例6-2

在圖6-2(a)所示的單相橋式整流電路中，若變壓器次級電壓有效值U2＝200V，負(fù)載電阻RL＝100

，求整流輸出電壓的平均值UL，整流輸出電流平均值IL以及每個(gè)整流元件的平均電流IV和二極管所承受的最大反向電壓UVM。

解由式(6-1-6)可知，整流輸出電壓的平均值為

UL＝0.9U2＝0.9×200＝180V

整流輸出電流的平均值為

流過每只整流二極管的平均電流為

每只二極管所承受的最大反向電壓為

經(jīng)過整流電路的輸出電壓是直流電壓，但直流成分里含有較大的脈動(dòng)成分，這樣的直流電壓不能保證儀器儀表的正常工作，因此需要降低其輸出電壓中的脈動(dòng)成分，同時(shí)還要盡量保留其中的直流成分，從而使得輸出的電壓更加平滑，濾波電路就是實(shí)現(xiàn)這種功能的。濾波電路一般由電容、電感、電阻等元件組成。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波等。6.2濾波電路6.2.1電容濾波電路

圖6-4為單相橋式整流、電容濾波電路。電容濾波器是根據(jù)電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變的原理工作的。下面分析其濾波原理。

1.負(fù)載RL未接入時(shí)的情況

設(shè)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)u2為正半周時(shí)，u2通過V1、V3向電容器C充電；u2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)V2、V4向電容器C充電，充電時(shí)間常數(shù)為

tC＝RnC圖6-4式中，Rn包括變壓器副繞組的電阻和二極管V的正向電阻。由于Rn一般很小，因此電容器很快就充電達(dá)到交流電壓u2的最大值Um。而電容器無放電回路，故輸出電壓UL(即電容器C兩端的電壓UC)保持在Um，輸出為一個(gè)恒定的直流電壓，如圖65中

t＜0(即縱坐標(biāo)左邊)部分所示。

2.接入負(fù)載RL的情況

設(shè)變壓器副邊電壓u2在t＝0時(shí)刻從0值開始上升(即正半周開始)時(shí)接入負(fù)載RL，由于電容器中負(fù)載未接入前已充電，故剛接入負(fù)載時(shí)u2＜uC，二極管受反向電壓作用而截止，電容器C經(jīng)RL放電。電容器放電過程的快慢取決于RL與C的乘積，即放電時(shí)間常數(shù)td。td越大，放電過程越慢，輸出電壓越平穩(wěn)。放電時(shí)間一般為

(6-2-1)

式中，T為交流電源電壓的周期。

由圖6-5可以看出，在二極管導(dǎo)通期間，一方面供電給負(fù)載，同時(shí)對電容C充電。充電電壓uC隨著正弦電壓u2增大至最大值，而后u2和uC都下降，當(dāng)u2<uC時(shí)，二極管承受反向電壓而截止，電容C對負(fù)載RL放電，負(fù)載中仍有電流通過，負(fù)載電壓按放電規(guī)律下降。在u2的負(fù)半周，當(dāng)|u2|＞uC時(shí)，電容C再次被充電至u2的最大值，而后u2下降，C放電。在u2的下一個(gè)周期內(nèi)，重復(fù)上述過程。

圖6-5

3.輸出電壓的計(jì)算

經(jīng)電容濾波后，負(fù)載RL上電壓平均值的大小與負(fù)載RL有關(guān)。當(dāng)RL為無窮大時(shí)(不接負(fù)載)，電容充電到最大值后

，無放電回路，故uL的平均值UL為，而無濾波電容時(shí)，uL的平均值UL為0.45U2或0.9U2，由此可得：

半波整流電容濾波的輸出電壓為

橋式整流電容濾波的輸出電壓為

實(shí)際中，無論是哪種整流形式，經(jīng)電容濾波后，輸出電壓uL的平均值UL均按下式計(jì)算，即

UL＝(1.0~1.4)U2

若RL較小，則按UL＝1.0U2計(jì)算；若RL較大，則按UL＝1.4U2計(jì)算，一般情況下，按下式計(jì)算：

UL＝1.2U2

(6-2-2)

4.濾波電容的選擇

為了獲得較好的濾波效果，實(shí)際電路中可按式(6-2-1)選擇濾波電容的容量。一般電容容量較大，故選擇電解電容，其耐壓值應(yīng)大于。

電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是當(dāng)要求輸出電壓的脈動(dòng)成分非常小時(shí)，則要求電容的容量非常大，這樣不但不經(jīng)濟(jì)，甚至不可能。當(dāng)要求輸出電流較大或輸出電流變化較大時(shí)，電容濾波也不適用。此時(shí)，應(yīng)考慮其他形式的濾波電路。

例6-3

有一單相橋式整流電容濾波電路如圖6-4所示，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UL＝30V，試選擇整流二極管及濾波電容器。

解

(1)選擇整流二極管。

流過二極管的電流為

根據(jù)式(6-2-2)，取UL＝1.2U2，則變壓器副邊電壓的有效值為二極管承受的最高反向電壓為

因此選用二極管2CP11，其最大整流電流為100mA，反向工作峰值電壓為50V。

(2)選擇濾波電容器。

根據(jù)式(6-2-1)，取

已知RL＝200

，故

因此，可選用C＝250

F，耐壓為50V的有極性電容器。6.2.2其他濾波電路

1.電感濾波電路

在橋式整流電路和負(fù)載電阻RL之間串接一個(gè)電感L，如圖6-6所示，就組成了一個(gè)電感濾波電路。由于通過電感線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢阻礙電流的變化，從而使負(fù)載電流和負(fù)載電壓的脈動(dòng)大為減小。頻率愈高，電感愈大，濾波效果愈好。當(dāng)忽略電感L的電阻時(shí)，純電感負(fù)載上輸出的電壓平均值UL≈0.9U2。電感濾波的特點(diǎn)是整流管的導(dǎo)通角較大，峰值電流很小，輸出電壓比較平坦。其缺點(diǎn)是體積大，易引起電磁干擾。因此，電感濾波一般只適用于低電壓、大電流的場合。

圖6-6

2.電感電容濾波器(LC濾波器)

為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的脈動(dòng)，在電感L后再接一電容器構(gòu)成電感電容濾波電路，如圖6-7所示。LC濾波器適用于電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場合，用于高頻電路更為合適。

圖6-7

3.型濾波電路

如果要求輸出電壓的脈動(dòng)更小，可以在LC濾波器的前面再并聯(lián)一個(gè)濾波電容C1，如圖6-8所示，這樣便構(gòu)成了

型濾波器。它的濾波效果比LC濾波器更好，但整流二極管的沖擊電流較大。

圖6-8由于電感線圈的體積大而且笨重，成本又高，因此有時(shí)候用電阻代替

型濾波器中的電感線圈，這樣便構(gòu)成了

型RC濾波器，如圖6-9所示。電阻對于交、直流電流都具有同樣的降壓作用，但是當(dāng)它和電容配合之后，使脈動(dòng)電壓的交流分量較多地降落在電阻兩端(因?yàn)殡娙軨2的交流阻抗很小)，而較少地降落在負(fù)載上，從而起到了濾波的作用。R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R太大，將使直流壓降增加，所以這種濾波電路主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場合。

圖6-9

經(jīng)整流和濾波后的電壓往往會(huì)隨交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化。電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)產(chǎn)生測量和計(jì)算的誤差，從而引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至使其無法正常工作。特別是精密電子測量儀器、自動(dòng)控制、計(jì)算裝置及晶閘管的觸發(fā)電路等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電。因此，需要一種穩(wěn)壓電路，使輸出電壓在電網(wǎng)波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)基本穩(wěn)定在某一數(shù)值。6.3穩(wěn)壓電路6.3.1穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)

穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩大類：特性指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)。特性指標(biāo)規(guī)定了穩(wěn)壓電源的適用范圍，如額定輸出電流、額定輸出電壓(或輸出電壓調(diào)節(jié)范圍)等。質(zhì)量指標(biāo)用來衡量穩(wěn)壓電源的性能優(yōu)劣，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及波紋系數(shù)等。

1.穩(wěn)壓系數(shù)S

穩(wěn)壓系數(shù)S定義為負(fù)載一定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量的比值，即

(6-3-1)

式中，Ui是整流濾波后的直流電壓。S愈小，輸出電壓愈穩(wěn)定。

2.輸出電阻Ro

輸出電阻Ro定義為輸入電壓Ui及環(huán)境溫度不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比，即

(6-3-2)

Ro反映了RL變化時(shí)輸出電壓變化量的大小，其值與電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)密切相關(guān)。

3.溫度系數(shù)ST

溫度系數(shù)ST是指Ui和IL都不變的情況下，環(huán)境溫度T變化所引起的輸出電壓變化，即

(6-3-3)

顯然，ΔUo＝STΔT就是穩(wěn)壓電源隨溫度的漂移電壓。為了減小漂移電壓，可選用溫度系數(shù)小的穩(wěn)壓管，必要時(shí)可采取恒溫措施。

由于輸出直流電壓Uo隨輸入電壓Ui、負(fù)載電阻RL、負(fù)載電流IL和環(huán)境溫度T的變化而變化，因此，輸出電壓變化一般表示式為

ΔUo＝SΔUi＋RLΔIL＋STΔT (6-3-4)

4.波紋電壓Sr

波紋電壓Sr是指輸出電壓Uo中交流分量的有效值，其大小除與穩(wěn)壓電路的性能有關(guān)外，還與穩(wěn)壓系數(shù)S有關(guān)。6.3.2并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

最簡單的直流穩(wěn)壓電路是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，如圖6-10(a)所示，由穩(wěn)壓管VZ和限流電阻R組成。穩(wěn)壓管在電路中應(yīng)為反向連接，它與負(fù)載電阻RL并聯(lián)后，再與限流電阻串聯(lián)，屬于并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。下面簡單分析該電路的工作原理。

圖6-10

1.負(fù)載電阻RL不變

當(dāng)負(fù)載電阻不變，電網(wǎng)電壓上升時(shí)，將使Ui增加，Uo隨之增加，由穩(wěn)壓管的伏安特性可知，穩(wěn)壓管的電流IZ就會(huì)顯著增加，結(jié)果使流過電阻R的壓降增大，以抵償U(kuò)i的增加，從而使負(fù)載電壓Uo的數(shù)值基本保持不變。

上述穩(wěn)壓過程可表述如下：

同理，如果交流電源電壓降低使Ui減小時(shí)，電壓Uo也減小，因此穩(wěn)壓管的電流IZ顯著減小，結(jié)果使通過限流電阻R的電流IR減小，IR的減小使R上的壓降減小，結(jié)果使負(fù)載電壓Uo數(shù)值近似不變。

2.電源電壓不變

假設(shè)電網(wǎng)電壓保持不變，負(fù)載電阻RL減小，IL增大時(shí)，由于電流在R上的壓降升高，因此輸出電壓Uo將下降。由于穩(wěn)壓管并聯(lián)在輸出端，由伏安特性可看出，當(dāng)穩(wěn)壓管兩端的電壓有所下降時(shí)，電流IZ將急劇減小，而IR＝IL＋I(xiàn)Z，故IR基本維持不變，R上的電壓也就維持不變，從而得到輸出電壓基本維持不變。

上述穩(wěn)壓過程表述如下：

當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，穩(wěn)壓過程相反，讀者可自行分析。

選擇穩(wěn)壓管時(shí)，一般可取

(6-3-5)

6.3.3集成穩(wěn)壓電路

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。當(dāng)前已經(jīng)廣泛使用的集成器件為單片集成穩(wěn)壓電源。它具有體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

單片式三端穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端(接地)三個(gè)接線端子，所需外接元件少，使用方便，工作可靠，所以應(yīng)用較多。按輸出電壓是否可調(diào)，三端集成穩(wěn)壓器可分為固定式和可調(diào)式兩種。

1.固定輸出的三端穩(wěn)壓器

1)正電壓輸出穩(wěn)壓器

常用的三端固定正電壓穩(wěn)壓器有7800系列，型號中的00兩位數(shù)表示輸出電壓的穩(wěn)定值，分別為5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。例如，7812的輸出電壓為12V，7805的輸出電壓為5V。

按輸出電流大小不同，7800系列又分為：CW7800系列，最大輸出電流為1~1.5A；CW78M00系列，最大輸出電流為0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流為100mA左右。

7800系列三端穩(wěn)壓器的外部引腳如圖6-11(a)所示，1腳為輸入端，2腳為輸出端，3腳為公共端。

2)負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器

常用的三端固定負(fù)電壓穩(wěn)壓器有7900系列，型號中的00兩位數(shù)表示輸出電壓的穩(wěn)定值，和7800系列相對應(yīng)，分別為－5V、－6V、－9V、－12V、－15V、－18V、－24V。

按輸出電流不同，和7800系列一樣，7900系列也可分為CW7900系列、CW79M00系列和CW79L00系列。7900系列的管腳圖如圖6-11(b)所示，1腳為公共端，2腳為輸出端，3腳為輸入端。

圖6-11

3)典型應(yīng)用電路

三端穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓系數(shù)約為0.005％～0.02％，紋波抑制比為56～68dB。三端穩(wěn)壓器的接法如圖6-12所示(7805和7905的管腳接法不同，請?zhí)貏e注意)。圖6-12中C1可以防止由于輸入引線較長帶來的電感效應(yīng)所產(chǎn)生的自激，其取值范圍在0.1~1

F之間(若接線不長時(shí)可不用)。C2用來減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾。C3為容量較大的電解電容，用來進(jìn)一步減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾。

圖6-12當(dāng)需要正、負(fù)兩組電源輸出時(shí)，可采用7800系列和7900系列各一塊，按圖6-13接線，即可得到正負(fù)對稱的兩組電源。

圖6-13

2.可調(diào)輸出的三端穩(wěn)壓器

前面介紹了7800、7900系列集成穩(wěn)壓電路，這些都是固定輸出的穩(wěn)壓電源。實(shí)際應(yīng)用中還需要輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，常見的可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器有CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列。如圖6-14(a)所示為正可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，圖6-14(b)為負(fù)可調(diào)輸出穩(wěn)壓器。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器的輸出電壓為1.25~37V，輸出電流可達(dá)1.5A。

圖6-14使用這種穩(wěn)壓器非常方便，只要在輸出端接兩個(gè)電阻，就可得到所要求的輸出電壓值，它的應(yīng)用電路如圖6-15所示，是可調(diào)輸出穩(wěn)壓電源標(biāo)準(zhǔn)電路。

在圖6-15標(biāo)準(zhǔn)電路中，因CW117／217／317的基準(zhǔn)電壓為1.25V，這個(gè)電壓在輸出端3和調(diào)整端1之間，故輸出電壓只能從1.25V上調(diào)。輸出電壓表達(dá)式為

(6-3-6)

圖6-15式(6-3-6)中的第二項(xiàng)，即50×10－6×R2，表示從CW117／217／317調(diào)整端流出的經(jīng)過電阻R2的電流為50

A。它的變化很小，所以在R2阻值很小時(shí)，可忽略第二項(xiàng)，即為

(6-3-7)

線性穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)定性好、波紋小、瞬態(tài)響應(yīng)快、線路簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于其工作在線性放大區(qū)，因而管壓降大、功耗大、效率低，而且體積大、重量重，不能微小型化。開關(guān)穩(wěn)壓電源正是基于上述缺點(diǎn)而發(fā)明的新型穩(wěn)壓電源，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及其他電子設(shè)備中。本節(jié)主要講述開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)、種類及其工作原理。6.4開關(guān)穩(wěn)壓電源6.4.1開關(guān)穩(wěn)壓電源概述

1.開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)

開關(guān)穩(wěn)壓電源主要由開關(guān)調(diào)整管、脈寬調(diào)制器、儲(chǔ)能濾波電路和取樣電路組成，圖616為開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖。

圖6-16

2.開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)功耗小、效率高。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，晶體管在激勵(lì)信號的激勵(lì)下，交替地工作在導(dǎo)通－截止和截止－導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換頻率高，這使得開關(guān)晶體管的功耗小，效率高。

(2)體積小、重量輕。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，沒有采用笨重的工頻變壓器，而且開關(guān)晶體管上的耗散功率大幅度降低以后，又省去了較大的散熱片，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源體積小、重量輕。

(3)穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變換較大時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。

(4)濾波效率高。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源頻率的1000倍，這使得整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。

(5)電路形式靈活多樣。電路形式有自激式和他激式，調(diào)寬型和調(diào)頻型，單端式和雙端式等。

(6)干擾大。這是開關(guān)穩(wěn)壓電源的最大缺點(diǎn)，在開關(guān)穩(wěn)壓電源中開關(guān)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，若不采取措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)影響整機(jī)的正常工作。

3.開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類

開關(guān)穩(wěn)壓電源從不同角度可做如下分類。

(1)按激勵(lì)方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為他激式和自激式。

他激式：電路中專設(shè)激勵(lì)信號產(chǎn)生的振蕩器。

自激式：開關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管。

(2)按調(diào)制方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合型。

脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

頻率調(diào)制型：占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。

混合型：通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。

(3)按開關(guān)晶體管電流的工作方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為開關(guān)型和諧振型。

開關(guān)型：用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波。

諧振型：開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

(4)按開關(guān)管的類型不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為晶體管型和可控硅型。

晶體管型：采用晶體管作為開關(guān)管。

可控硅型：采用可控硅作為開關(guān)管。

(5)按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。

串聯(lián)型：儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。

并聯(lián)型：儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。

(6)按晶體管的連接方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。

單端式：使用一個(gè)晶體管作為電路中的開關(guān)管。

推挽式：使用兩個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成推挽功率放大器的形式。

半橋式：使用兩個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成半橋的形式。

全橋式：使用兩個(gè)開關(guān)晶體管，將其連接成全橋的形式。

(7)按輸入與輸出電壓的大小不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為升壓式和降壓式。

升壓式：輸出電壓比輸入電壓高，實(shí)際上就是并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

降壓式：輸出電壓比輸入電壓低，實(shí)際上就是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。

(8)按工作方式不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為可控整流型、斬波型和隔離型。

可控整流型：采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關(guān)管，交流供電，依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)通的大小，達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。

斬波型：直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動(dòng)直流，經(jīng)過濾波得到與輸入電壓不同的直流輸出電壓。

隔離型：直流供電，在輸入回路與逆變電路之間經(jīng)高頻變壓器隔離、變壓，最后得到電壓不同的直流輸出電壓。

(9)按電路結(jié)構(gòu)不同，開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為分立元件式和集成電路式。

分立元件式：整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源電路都采用分立元器件組成。

集成電路式：整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。

以上各式各樣的開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是從不同的角度，以開關(guān)穩(wěn)壓電源不同的特點(diǎn)命名的。盡管各種電路的激勵(lì)方法、輸出電壓的調(diào)節(jié)手段、儲(chǔ)能電感的連接方式、開關(guān)管的種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu)等各不相同，但它們都可歸結(jié)為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源這兩大類。下面具體介紹這兩類開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)和工作原理。6.4.2串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源

1.電路結(jié)構(gòu)

串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理如圖6-17所示。它主要由開關(guān)調(diào)整管V、儲(chǔ)能濾波電路(電感L、電容C和續(xù)流二極管VD)組成。

圖6-17

2.工作原理

圖6-18是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源波形圖。

設(shè)開關(guān)晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換周期為T，導(dǎo)通期的時(shí)間為ton，截止期的時(shí)間為toff，占空比為

＝ton／T。

串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理如下：當(dāng)開關(guān)晶體管V處于導(dǎo)通期間，二極管VD因被反向偏置而截止，輸入電壓Ui經(jīng)過濾波電感L加到負(fù)載RL兩端，電容C充電，儲(chǔ)能電感L的兩端所加電壓為Ui－Uo(這里我們忽略了V的飽和壓降)，在V導(dǎo)通期間，儲(chǔ)能電感L中的電流將線性上升，其電流變化的最大值為

圖6-18

當(dāng)開關(guān)晶體管V處于截止期間，儲(chǔ)存在電感L中的電流，在電感L的兩端形成與原來電壓極性相反的自感電動(dòng)勢，二極管VD被正向偏置而導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過二極管VD輸送給負(fù)載RL，此時(shí)電容C放電。在此期間流過L的電流iL是鋸齒波電流的線性下降部分，iL的變化值為只有開關(guān)晶體管V導(dǎo)通期間在儲(chǔ)能電感L中增加的電流數(shù)值等于開關(guān)晶體管V截止期間在儲(chǔ)能電感L中減少的電流數(shù)值時(shí)，才能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，才能給負(fù)載RL提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓，即

6.4.3并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源

1.電路結(jié)構(gòu)

并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理如圖6-19所示。它主要由開關(guān)調(diào)整管V、儲(chǔ)能濾波電路(電感L、電容C和續(xù)流二極管VD)組成，與串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源不同的是開關(guān)管與輸入電壓和負(fù)載是并聯(lián)的。

圖6-19

2.工作原理

設(shè)開關(guān)晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換周期為T，導(dǎo)通期的時(shí)間為ton，截止期的時(shí)間為toff，占空比

。

其工作原理如下：當(dāng)開關(guān)晶體管V處于導(dǎo)通期間，輸入電壓Ui加到儲(chǔ)能電感L的兩端(這里我們忽略了V的飽和壓降)，二極管VD被反向偏置而截止，負(fù)載RL依靠電容C放電供給電流。在此期間，流過L的電流iL為近似線性增加的鋸齒波電流，并以磁能的形式儲(chǔ)存在L中，電流iL的變化值為ΔIL1＝

。

當(dāng)開關(guān)晶體管V處于截止期間，儲(chǔ)存在電感L中的電流，在L的兩端形成與原來電