《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件第7章

7.1硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

7.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

7.3集成穩(wěn)壓器

7.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源

本章小結(jié)

習(xí)題第7章直流穩(wěn)壓電源7.1.1硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

圖7.1.1所示是一種穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。7.1硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖7.1.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1.輸出電阻Ro

穩(wěn)壓電路輸出電阻定義為輸入到穩(wěn)壓電路的直流電壓Ui不變時(shí),穩(wěn)壓電路的輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比,即

(7.1.1)

2．穩(wěn)壓系數(shù)Sr

Sr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其輸入電壓相對變化量之比，即

(7.1.2)7.1.2穩(wěn)壓管和限流電阻的選擇

1．穩(wěn)壓管的選擇

在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中,Uo=UZ,當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，穩(wěn)壓管的電流將產(chǎn)生一個(gè)與之相反的變化，即ΔIZ≈－ΔIL，所以穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓區(qū)所允許的電流變化范圍應(yīng)大于負(fù)載電流的變化范圍，即IZmax－IZmin>ILmax－ILmin。選擇穩(wěn)壓管應(yīng)滿足:

(7.1.3)

若考慮到空載時(shí)穩(wěn)壓管流過的電流IZ將與R上的電流IR相等，滿載時(shí)IZ應(yīng)大于IZmin,穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流的選取應(yīng)留有充分的余量，因此還應(yīng)滿足:

IZM>ILmax+IZmin

(7.1.4)

2．限流電阻R的選擇

R的選擇必須滿足兩個(gè)條件：一是穩(wěn)壓管流過的最小電流IZmin應(yīng)大于穩(wěn)壓管的最小穩(wěn)定電流IZ；二是穩(wěn)壓管流過的最大電流IZmax應(yīng)小于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZM。

1.基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路

基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路如圖7.2.1所示。7.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖7.2.1基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路；(b)負(fù)載電流擴(kuò)大電路；(c)圖(b)的常見畫法根據(jù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流的分析可知，晶體管基極的最大電流為(IZmax－IZmin)，因而圖7.2.1(b)所示的最大負(fù)載電流為

ILmax=(1+β)(IZmax－IZmin)(7.2.1)

這也就大大提高了負(fù)載電流的調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓為

Uo=UZ－UBE

(7.2.2)

2.具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

式(7.2.2)表明基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的輸出電壓仍然不可調(diào)，且輸出電壓將因UBE的變化而改變，穩(wěn)定性較差。

1)電路的構(gòu)成

若同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，則其輸出電壓就可調(diào)；同時(shí)，為了擴(kuò)大輸出電流，集成運(yùn)放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式，就構(gòu)成了具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖7.2.2(a)所示。

輸出電壓為

(7.2.3)

圖7.2.2(b)所示為其電路的常見畫法。圖7.2.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(a)原理電路；(b)常見畫法

2)穩(wěn)壓原理

當(dāng)由于某種原因(如電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電阻的變化等)使輸出電壓Uo升高(降低)時(shí)，采樣電路將這一變化趨勢送到A的反相輸入端，并與同相輸入端電位UZ進(jìn)行比較放大；A的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低(升高);因?yàn)殡娐凡捎蒙錁O輸出形式，所以輸出電壓Uo必然降低(升高)，從而使Uo得以穩(wěn)定。上述過程可簡述如下:

Uo↑→UN↑→UB↓→Uo↓

或

Uo↓→UN↓→UB↑→Uo↑

3)輸出電壓的可調(diào)范圍

在理想運(yùn)放條件下，UN=UP=UZ，所以，當(dāng)電位器R2的滑動端在最上端時(shí)，輸出電壓最小，為

(7.2.4)

當(dāng)電位器R2的滑動端在最下端時(shí)，輸出電壓最大，為

(7.2.5)7.3.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

1.輸出電壓和輸出電流

2.電路原理圖分析

W7805的電路原理圖如圖7.3.1所示，其穩(wěn)壓電路部分如圖7.3.2所示。7.3集成穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓

UREF=UBE4+UBE3+I2R2+UBE5+UBE6

(7.3.1)

在VT3~VT6特性相同的情況下，得出

UREF=4UBE+I2R2

(7.3.2)

UREF=4.82V

(7.3.3)

輸出電壓為

(7.3.4)圖7.3.1W7805的電路原理圖圖7.3.2W7805電路中的穩(wěn)壓電路部分在圖7.3.1所示電路中，R11、R12、R13、VDZ2和VT15組成如圖7.3.3所示的安全工作區(qū)保護(hù)電路，在過流、過壓時(shí)保護(hù)電路起作用，同時(shí)避免了過損耗。VDZ1、VT14、R5

、R6和R7組成如圖7.3.4所示的芯片過熱保護(hù)電路。圖7.3.3安全工作區(qū)保護(hù)電路圖7.3.4芯片過熱保護(hù)電路

VT13的基極電位近似為

(7.3.5)

電阻R5~R7的取值應(yīng)使

UB13>UBE13+UBE7+UBE1≈2.1V(7.3.6)從而使VT13、VT7、VT1均導(dǎo)通，為VT8和VT9提供基極和集電極電流的通路，建立起穩(wěn)壓電路的工作點(diǎn)。此后，VT13的發(fā)射極電位變?yōu)?/p>

UE13≈UREF－UBE6－UBE5≈3.4V>UB13(7.3.7)

由以上分析可知，電路中的一些元件出現(xiàn)在多個(gè)功能電路中，如VDZ1

既作為啟動電路的一部分，又作為過熱保護(hù)電路的一部分。為使各管子的作用更清晰，畫出了W7805的原理框圖，如圖7.3.5所示。圖中標(biāo)注出各部分電路所包含的管子。圖7.3.5W7805的原理框圖

3.主要參數(shù)

在溫度為25℃條件下，W7805的主要參數(shù)如表7.3.1所示。表7.3.1W7805的主要參數(shù)7.3.2三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

W117為三端可調(diào)式穩(wěn)壓器。

W117的原理框圖如圖7.3.6所示。圖7.3.6W117的原理框圖與一般串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一樣，由于W117電路中引入了深度電壓負(fù)反饋，因此輸出電壓非常穩(wěn)定。因?yàn)檎{(diào)整端的電流很小，約為50μA，所以輸出電壓為

(7.3.8)7.3.3集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)

與W7800系列產(chǎn)品一樣，W117、W117M和W117L的最大輸出電流分別為1.5A、0.5A和0.1A。W117、W217和W317具有相同的引出端、相同的基準(zhǔn)電壓和相似的內(nèi)部電路，它們的工作溫度范圍依次為－55℃~150℃，－25℃

~150℃、0~125℃。它們在25℃時(shí)的主要參數(shù)如表7.3.2所示。表7.3.2W117/W217/W317的主要參數(shù)7.4.1開關(guān)型穩(wěn)壓電源的基本工作原理

1.換能電路的基本原理

開關(guān)型穩(wěn)壓電源的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓，圖7.4.1(a)所示為其基本原理圖。7.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源圖7.4.1換能電路的基本原理圖及其等效電路(a)基本原理圖；(b)VT飽和導(dǎo)通時(shí)的等效電路；(c)VT截止時(shí)的等效電路根據(jù)上述分析，可以畫出uB、uE、電感上的電壓uL和電流iL以及輸出電壓uo的波形，如圖7.4.2所示。為使問題簡單起見，圖中將iL折線化。在uB的一個(gè)周期T內(nèi)，Ton為調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間，Toff為調(diào)整管截止時(shí)間，占空比q=Ton/T。圖7.4.2換能電路波形分析若將uE視為直流分量和交流分量之和，則輸出電壓的平均值等于uE的直流分量，即

(7.4.1)

可以寫成

Uo≈qUi

(7.4.2)

2.串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源的組成

串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖7.4.3所示。

與圖7.4.1所示電路相同，若所有的開關(guān)和濾波元件都是無損耗的，則根據(jù)能量守恒原理，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關(guān)系:

(7.4.3)圖7.4.3串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖

3.串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源的工作原理

圖7.4.4所示為三角波UN2和uB的波形，與圖7.4.2所示波形對照，可以進(jìn)一步理解開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理。當(dāng)采樣電壓UN1<UREF時(shí)，占空比大于50%;當(dāng)UN1>UREF時(shí)，占空比小于50%。因而，改變R1與R2的比值，可以改變輸出電壓的數(shù)值。圖7.4.4圖7.4.3所示電路中的波形目前有多種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源的控制器芯片，有的還將開關(guān)管也集成于芯片之中，且含有各種保護(hù)電路，因而圖7.4.3所示電路可簡化成圖7.4.5所示電路。圖7.4.5開關(guān)型穩(wěn)壓電源的簡化框圖圖7.4.6(a)所示為并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的換能電路，輸入電壓Ui為直流供電電壓，晶體管VT為開關(guān)管，uB為矩形波，電感L和電容C組成濾波電路，VD為續(xù)流二極管。圖7.4.6并聯(lián)開關(guān)型換能電路的基本原理圖及其等效電路(a)基本原理圖；(b)VT飽和導(dǎo)通時(shí)的等效電路；(c)VT截止時(shí)的等效電路將圖7.4.6所示換能電路中加上脈寬調(diào)制電路后，便可得到并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，如圖7.4.8所示，其穩(wěn)壓原理與圖7.4.3相同，這里不再重復(fù)。圖7.4.7換能電路波形圖7.4.8并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路7.4.2三端開關(guān)型集成穩(wěn)壓電源

圖7.4.9所示為采用CW3524集成控制器的單端輸出降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)用電路。該穩(wěn)壓源的Uo＝+5V，Io＝1A。圖7.4.9采用CW3524集成控制器的單端輸出降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)用電路圖7.4.10CW3524的引腳圖

CW3524的內(nèi)部電路包含基準(zhǔn)電源、三角波振蕩器、比較放大器、脈寬調(diào)制電壓比較器、限流保護(hù)等主要單元。振蕩器的振蕩頻率由外接元件的參數(shù)來確定。

1)引腳說明

2)外接電路說明

3)工作原理及穩(wěn)壓過程

本章介紹了直流穩(wěn)壓電源的組成，各部分電路的工作原理和各種不同類型電路的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)、性能指標(biāo)等。主要內(nèi)容可歸納如下:

(1)直流穩(wěn)壓電源由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，濾波電路可減小脈動使直流電壓平滑，穩(wěn)壓電路的作用是在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時(shí)保持輸出電壓基本不變。本章小結(jié)

(2)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓不可調(diào)，僅適用于負(fù)載電流較小且其變化范圍也較小的場合。電路依靠穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用和限流電阻的補(bǔ)償作用，使得輸出電壓穩(wěn)定。限流電阻是必不可少的組成部分，必須合理選擇阻值，才能保證穩(wěn)壓管既能工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，又不至于因功耗過大而被損壞。

(3)串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源的基本組成部分包括調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、輸出電壓采樣電路和比較放大電路。電路引入深度電壓負(fù)反饋，使輸出電壓穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和反饋深度是影響輸出電壓穩(wěn)定性的重要因素。在集成穩(wěn)壓器和實(shí)用的分立元件穩(wěn)壓電路中，還常包含過流、過壓、調(diào)整管安全區(qū)和芯片過熱等保護(hù)電路。集成穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端(或調(diào)整端)三個(gè)引出端(故稱為三端穩(wěn)壓器)，其使用方便，穩(wěn)壓性能好。W7800(W7700)系列為固定式穩(wěn)壓器，W117/W217/W317(W137/W237/W337)為可調(diào)式穩(wěn)壓器。

通過外接電路可擴(kuò)展輸出電流和電壓。

由于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管始終工作在線性區(qū)(即放大區(qū))，功耗較大，因而電路的效率低。

(4)開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高，但一般輸出的紋波電壓較大，適用于輸出電壓調(diào)節(jié)范圍小、負(fù)載對輸出紋波要求不高的場合。串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是降壓型電路，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是升壓型電路。脈沖寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。學(xué)習(xí)本章后應(yīng)達(dá)到下列要求:

(1)理解直流穩(wěn)壓電源的組成及各部分的作用。

(2)掌握穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理，能夠合理選擇限流電阻。

(3)理解串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理，能夠計(jì)算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。

(4)了解集成穩(wěn)壓器的工作原理及使用方法。

(5)了解開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理及特點(diǎn)。

7.1判斷下列說法是否正確：

(1)一般情況下，開關(guān)型穩(wěn)壓電路比線性穩(wěn)壓電路效率高。()

(2)直流電源是一種將正弦信號轉(zhuǎn)換為直流信號的波形變換電路。()

習(xí)題

(3)直流電源是一種能量轉(zhuǎn)換電路，它將交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量。()

(4)在變壓器副邊電壓和負(fù)載電阻相同的情況下，橋式整流電路的輸出電流是半波整流電路輸出電流的2倍。

因此，它們的整流管的平均電流比值為2∶1。