第六章直流穩(wěn)壓電源

第六章直流穩(wěn)壓電源模擬電路曹志峰1第六章直流穩(wěn)壓電源§6.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能§6.2整流電路§6.3濾波電路§6.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路§6.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

上頁下頁返回翻頁2電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。§6.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能上頁下頁返回翻頁3整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓?！?.2單相整流電路常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。上頁下頁返回翻頁4§6.2.1單相半波整流電路的工作原理u2>0時，二極管導(dǎo)通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0時，二極管截止,輸出電流為0。uo=0上頁下頁返回翻頁5uo(4)輸出電壓平均值（Uo）：(1)輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二極管上承受的最高電壓：(2)二極管上的平均電流：ID=IL上頁下頁返回翻頁6§6.2單相全波整流電路的工作原理u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)

uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：上頁下頁返回翻頁7§6.3單相橋式整流電路的工作原理橋式整流電路+-u2正半周時電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo上頁下頁返回翻頁8橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路上頁下頁返回翻頁9u2>0時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1

RL

D3Bu2<0時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B

D2

RL

D4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB上頁下頁返回翻頁10幾種常見的硅整流橋外形：+AC-~+~-~+-~上頁下頁返回翻頁11§6.4整流電路的主要參數(shù)

1.整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時，負載電壓Uo的平均值為:負載上的(平均)電流:一、整流輸出電壓的平均值與脈動系數(shù)整流輸出電壓的平均值Uo和輸出電壓的脈動系數(shù)S是衡量整流電路性能的兩個主要指標。上頁下頁返回翻頁12

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。2.脈動系數(shù)Ｓ用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo

分解后可得:上頁下頁返回翻頁13平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。例如：在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負載平均電流的一半。二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：二、平均電流與反向峰值電壓上頁下頁返回翻頁14§6.4.2倍壓整流電路的工作原理一、二倍壓整流電路u2的正半周時：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負半周時：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負載上的電壓：+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL上頁下頁返回翻頁15+–二、多倍壓整流電路+–u2的第一個正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個負半周：u2、C2、D2、C1構(gòu)成回路，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6上頁下頁返回翻頁16+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：u2、C1、C3、D3、C2構(gòu)成回路，C1補充電荷，C3充電到：u2的第二個負半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構(gòu)成回路，C2補充電荷，C4充電到：把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。上頁下頁返回翻頁17§6.3濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點:電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。上頁下頁返回翻頁18§6.3.1電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。一、濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–上頁下頁返回翻頁191.

RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–上頁下頁返回翻頁202.RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–上頁下頁返回翻頁21u2tuot只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。整流電路的輸出電流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可見，采用電容濾波時，整流管的導(dǎo)通角較小。上頁下頁返回翻頁22u2tuot電容充電時，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RLC越小，輸出電壓越低。3.RL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內(nèi)阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–上頁下頁返回翻頁23一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流過二極管瞬時電流很大。RLC越大

Uo越高

負載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時間越短

iD的峰值電流越大故一般選管時，取二、電容濾波電路的特點(1)輸出電壓Uo與放電時間常數(shù)RLC有關(guān)。RLC愈大

電容器放電愈慢

Uo(平均值)愈大上頁下頁返回翻頁24輸出波形隨負載電阻RL或C

的變化而改變,Uo

和S也隨之改變。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。(3)輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL上頁下頁返回翻頁25§6.4.3其他形式的濾波電路改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：L-C型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–

型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C型濾波電路。上頁下頁返回翻頁26§6.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關(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)以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時有限，這里不做介紹。上頁下頁返回翻頁27§6.5.1串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路一、電路結(jié)構(gòu)的一般形式1.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式負載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴大（1+

）倍。TUORL+–+–UZUIiRiZiL實際上是射極輸出器，Uo=UZ-UBE

。但帶負載的能力比穩(wěn)壓管強。上頁下頁返回翻頁28TUORL+–+–UZUIiRiZiL串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式兩個主要缺點：(1)穩(wěn)壓效果不好。Uo=UZ–UBE(2)輸出電壓不可調(diào)。改進的方法：在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負反饋的放大環(huán)節(jié)。上頁下頁返回翻頁29串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。T+_UIUO比較放大基準取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–2.具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路上頁下頁返回翻頁30T+_UIUO比較放大基準取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–調(diào)整元件T：與負載串聯(lián)，通過全部負載電流?？梢允菃蝹€功率管，復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián)。比較放大器：可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運算放大器?；鶞孰妷海嚎捎煞€(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準電壓相比較。上頁下頁返回翻頁31T+_UIUO比較放大基準取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–因調(diào)整管與負載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。上頁下頁返回翻頁32一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源二、穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo當(dāng)UI增加或輸出電流減小使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2上頁下頁返回翻頁33三、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2上頁下頁返回翻頁34四、影響穩(wěn)壓特性的主要因素

2.流過穩(wěn)壓管的電壓隨UI波動，使UZ不穩(wěn)定，降低了穩(wěn)壓精度。1.電路對電網(wǎng)電壓的波動抑制能力較差。例：UI

VC2

Uo

R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB23.溫度變化時，T2組成的放大電路產(chǎn)生零點漂移，時輸出電壓的穩(wěn)定度變差。上頁下頁返回翻頁35五、改進措施在運放理想條件下:1.選用差動放大器或運放構(gòu)成的放大器代替T2管構(gòu)成的放大器，可以解決零點漂移的問題。串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路UITR1R2UFRLUo

AV+-RWRUZ上頁下頁返回翻頁36采用輔助電源(比較放大部分的電源)。用恒流源負載代替集電極電阻以提高增益。4.調(diào)整管采用復(fù)合三極管以擴大輸出電流的范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2上頁下頁返回翻頁37*六、過流保護為避免使用中因某種原因輸出短路或過載致使調(diào)整管流過很大的電流，使之燒壞故需有快速保護措施。常見保護電路有兩類——T1RT'1IL1.限流型：當(dāng)調(diào)整管的電流超過額定值時，對調(diào)整管的基極電流進行分流，使發(fā)射極電流不至于過大。當(dāng)IL不超過額定值時，T'1截止；當(dāng)IL超過額定值時，T'1導(dǎo)通，其集電極從T1的基極分流。R為一小電阻，用于檢測負載電流。上頁下頁返回翻頁382.截流型:過流時使調(diào)整管截止或接近截止。T1T2RLUO+_+UI+__R2R1R3R4輸出電流在額定值以內(nèi)時：三極管T2截止，這時，電壓負反饋保證電路正常工作。UO

U+

UO

UB1

39輸出電流超出額定值時：因輸出電壓降低，三極管T2逐漸導(dǎo)通，U+

，穩(wěn)壓管截止，電壓負反饋被切斷。這樣U+

UB1

UC1

(=UO)UB2

IC2

U+

T1T2RLUO+_+UI+__R2R1R3R4最終UO降低到零。40七、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路缺點損耗(P=UCE

IL)大電源的效率(

=Po/Pi=UoIL/UiIi)較低為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，當(dāng)負載電流較大時:412）穩(wěn)壓電路的主要性能指標一、穩(wěn)壓系數(shù)S穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。二、輸出電阻Ro輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。上頁下頁返回翻頁42§6.5.2集成穩(wěn)壓電源隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護環(huán)節(jié)。上頁下頁返回翻頁431端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123上頁下頁返回翻頁44注：型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值輸出電壓額定電壓值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式正穩(wěn)壓W78XX負穩(wěn)壓W79XX1)集成穩(wěn)壓電源的分類上頁下頁返回翻頁45一、輸出為固定電壓的電路2)應(yīng)用電路輸出為固定正壓時的接法如圖所示。注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！+_W7800系列穩(wěn)壓器基本接線圖CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1

F1μF上頁下頁返回翻頁46二、輸出正負電壓的電路正負電壓同時輸出電路W78XXCIUI+