電源制作基礎(chǔ)

1、.,電源,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(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。,電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量，電池因使用費(fèi)用高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設(shè)備中。,.,單相橋式整流電路,(1) 工作原理,當(dāng)正半周時(shí)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(shí)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(gè)方向的單向脈動電壓。,小功率整流濾波電路,.,動畫5-1,.,動畫5-2,.,(2) 負(fù)載上的

2、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,流過二極管的平均電流為,二極管所承受的最大反向電壓,.,濾波電路,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(shí)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。,.,電容濾波電路,單相橋式電容濾波整流電路。 在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。,.,當(dāng)v2到達(dá)

3、90時(shí)，v2開始 下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷， 電容C就要以指數(shù)規(guī)律向 負(fù)載L放電。指數(shù)放電起 始點(diǎn)的放電速率很大。,(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(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦形。,電容濾波波形圖,所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。,在剛過90時(shí)，正弦曲線下降 的速率很慢。所以剛過90時(shí) 二極管仍然導(dǎo)通。在超過90 后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的 速率越來越快，二極管關(guān)斷。,.,需要指出的是，當(dāng) 放電時(shí)間常數(shù)R

4、LC增加時(shí)， t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移， 二極管關(guān)斷時(shí)間加長， 導(dǎo)通角減小，見曲線3； 反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通 角增加。顯然，當(dāng)L很 小，即IL很大時(shí)，電容濾 波的效果不好，見濾波曲線 中的2。反之，當(dāng)L很大， 即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好,見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。,電容濾波的效果,.,需要指出的是，當(dāng) 放電時(shí)間常數(shù)RLC增加時(shí)， t1點(diǎn)要右移， t2點(diǎn)要左移， 二極管關(guān)斷時(shí)間加長， 導(dǎo)通角減小，見曲線3； 反之，RLC減少時(shí)，導(dǎo)通 角增加。顯然，當(dāng)L很 小，即IL很大時(shí)，電容濾 波的效果不好，見濾波曲線 中的2。反之，當(dāng)L

5、很大， 即IL很小時(shí)，盡管C較小, RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。,問題：有無L即空載，此時(shí)VC=VL=？,電容濾波的效果,.,動畫5-3,.,動畫5-4,.,(2)電容濾波的計(jì)算,電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q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=(35)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RLC610。）,.,（3）外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系

6、曲線。,整流濾波電路的外特性,.,電感濾波電路,利用儲能元件電感器的電流不能突變的性質(zhì)，把電感與整流電路的負(fù)載L相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。,電感濾波電路 波形圖,當(dāng)v2正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)電， 電感中的電流將滯后v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)， 電感中的電流將經(jīng)由D2、D4提供。因 橋式電路的對稱性，和電感中電流的 連續(xù)性，四個(gè)二極管D1、D3 ； D2、 D4的導(dǎo)通角都是180。,.,穩(wěn)壓電路概述,穩(wěn)壓電源方框圖,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。,負(fù)載電流的變化會 在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降， 從而使輸入電壓發(fā)生變化。,.,穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo),用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標(biāo)去衡量穩(wěn)壓

7、電路性能的高低。 VI和 IO引起的 VO可用下式表示,有時(shí)穩(wěn)壓系數(shù)也用下式定義,.,當(dāng)輸出電流從零變化到最大額定值時(shí)， 輸出電壓的相對變化值。,（4）電流調(diào)整率SI,(3)輸出電阻Ro,(2)電壓調(diào)整率SV,一般特指Vi/Vi=10%時(shí)的Sr,.,輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓 交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。,（6）輸出電壓的溫度系數(shù)ST,如果考慮溫度對輸出電壓的影響, 則輸出電壓是輸入電壓、負(fù)載電流和溫度的函數(shù),（5）紋波抑制比Srip,.,硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理,它是利用穩(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。,(1)當(dāng)輸入電壓變化時(shí)

8、如何穩(wěn)壓,由圖可知,輸入電壓VI增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程概括為：,VIVOVZIZIRVRVO,.,(2) 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓,負(fù)載電流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程概括為：,ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO,.,穩(wěn)壓電阻的計(jì)算,穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊 穿特性的動態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。,穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大， 穩(wěn)壓性能越好

9、。,穩(wěn)壓電阻R 的作用,將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化， 從而起到調(diào)節(jié)作用，同時(shí)R也是限流電阻。,顯然R 的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達(dá)到足夠的穩(wěn)壓效果。,但R 的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。,.,穩(wěn)壓電阻的計(jì)算,當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即,當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過 穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過IZmax，由 此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即,(1),(2),穩(wěn)壓二極管在使用時(shí) 一定要串入限流

10、電阻，不 能使它的功耗超過規(guī)定值， 否則會造成損壞！,.,基準(zhǔn)源,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(bǔ)償了的穩(wěn)壓二極管。,也稱為參考源,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(gè)10-6/。,型號 穩(wěn)定電壓(V) 工作電流(mA) 電壓溫度系數(shù)(10 -6/ ) MC1403 2.51 1.2 10100 . LM136/236/336 2.5 10 30 5.0 10 30 . TL431 2.536 0.4100 50 . LM3999 6.955 10 5 . AD2710K/L 10.0001mV 10 2/1 .

11、MAX676 4.0960.01 5 1 677 5.0000.01 5 1 678 10.0000.01 5 1 .,典型的基準(zhǔn)源,.,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源,穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)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。,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理,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(gè)部分組成。,.,1輸入電壓變化，負(fù)載電流保持不變,輸入電壓VI增加，必然會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準(zhǔn)源

12、電壓VREF比較，獲得誤差信號V。誤差信號經(jīng)放大后，用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。 VIVOVfVO1VCEVO,.,2負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變,負(fù)載電流IL增加，必然會使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號Vf與基準(zhǔn)源電壓VREF比較，獲得的誤差信號使VO1增加，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。 ILVIVOVfVO1VCEVO,3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算,可知,VfVREF,顯然，調(diào)節(jié)RW可以改變輸出電壓。,.,動畫16-2,.,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理,當(dāng)VI時(shí)

13、：,VO,Vf,VB、IC,VCEVO,.,動畫16-1,.,16.3.2 穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié),串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時(shí)輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對穩(wěn)壓電源的短路進(jìn)行保護(hù)。過載也會造成損壞。,保護(hù)的方法,反饋保護(hù)型,溫度保護(hù)型,截流型,限流型,利用集成電路制造工藝， 在調(diào)整管旁制作PN結(jié)溫度傳感器。 當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)，啟動保護(hù)電路工作， 工作原理與反饋保護(hù)型相同。,.,截流型,限流型,當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過保 護(hù)電路使調(diào)整管截止，從而 限制了短路電流，使之接近 為零。截流特性見圖16.05。,是當(dāng)

14、發(fā)生短路時(shí)，通過 電路中取樣電阻的反饋?zhàn)饔茫?輸出電流得以限制。限流特 性見圖16.06。,圖16.05 截流型特性,圖16.06 限流型特性,.,三端集成穩(wěn)壓器,將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護(hù)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。,集成穩(wěn)壓器符號,要特別注意，不同型號，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們?nèi)齻€(gè)電極的位置是不同的，要查手冊確定。,外形圖,.,三端可調(diào)式集成穩(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.

15、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 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-55150； 工業(yè)品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25150； 民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍

16、0125。,.,應(yīng)用電路,三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖所示。,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1.25 V的參考源，因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié)。,三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖所示。,防自激震蕩,防高頻噪聲,.,利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源,穩(wěn)壓器做恒流源,三端集成穩(wěn)壓器可 做恒流源使用。,.,16.4 開關(guān)型穩(wěn)壓電源,為解決線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點(diǎn)，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率可達(dá)90%以上，造價(jià)低，體積小?，F(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源已經(jīng)比較成熟，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是紋波較大，用于小信號放大電路時(shí)，還應(yīng)采用第二級

17、穩(wěn)壓措施。,16.4.1 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理,16.4.2 集成開關(guān)型穩(wěn)壓器,.,16.4.1 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理,開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理可用圖16.13的電路加以說明。它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)源等部分構(gòu)成。,圖16.13 開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖,.,三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個(gè)方波vB，去控制調(diào)整管的通斷。調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)，向電感充電。當(dāng)調(diào)整管截止時(shí)，必須給電感中的電流提供一個(gè)泄放通路。 續(xù)流二極管D即可起到這個(gè)作用，有利于保護(hù)調(diào)整管。,根據(jù)電路圖的接線，當(dāng)三角波的幅度小于比較放大器的輸出時(shí)，比較器輸出高電平，對應(yīng)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間為ton；反之輸出為

18、低電平，對應(yīng)調(diào)整管的截止時(shí)間toff。,輸出波形中電位水平高于高電 平最小值的部分，對方波而言，相 當(dāng)方波存在的部分。,輸出波形中電位水平低于低 電平最大值的部分，對方波而言， 相當(dāng)方波不存在的部分。,為了穩(wěn)定輸出電壓，應(yīng)按電壓負(fù)反饋方式引入反饋，以確定基準(zhǔn)源和比較放大器的連線。設(shè)輸出電壓增加，F(xiàn)VO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。,.,各點(diǎn)波形見圖16.14。由于調(diào)整管發(fā)射極輸出為方波，有濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。,圖16.14 開關(guān)電源波形圖,.,可以通過改變比

19、較器輸出方波的寬度（占空比） 來控制輸出電壓值。這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。,q稱為占空比 方波高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。,在輸入電壓一定時(shí)， 輸出電壓與占空比成正比。,忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有,.,1調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗大大降低， 電源效率大為提高； 2調(diào)整管在開關(guān)狀態(tài)下工作，為得到直流輸出， 必須在輸出端加濾波器； 3可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值； 4在許多場合可以省去電源變壓器； 5由于開關(guān)頻率較高，濾波電容和濾波電感的體 積可大大減小。,由以上分析可以得出如下結(jié)論：,.,16.4.2 集成開關(guān)型穩(wěn)壓器,典型的開關(guān)電

20、源控制器和開關(guān)電源見下表,型號 電源范圍/V 最大輸出電流 /A 內(nèi)部參考源 /V 輸出級形式 TL494 740 0.2 5 推挽或單端 SG3524 835 0.1 5 推挽 SG3525 835 0.5 5 推挽 LM2575 3.535 1 1.23 _,表中前三個(gè)是開關(guān)電源控制器，后一個(gè)是單片開關(guān)電源穩(wěn)壓器。,實(shí)際上就是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器， 經(jīng)常也用于其它脈寬調(diào)制場合。,集成開關(guān)穩(wěn)壓器，一般有兩大類型。一類是包括調(diào)整管在內(nèi)的集成開關(guān)穩(wěn)壓器;另一類稱為開關(guān)電源控制器，它不包括調(diào)整管。,(1)開關(guān)穩(wěn)壓電源概述,.,利用開關(guān)電源控制器可以方便地構(gòu)成開關(guān)電源。 SG3524是一

21、個(gè)典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖16.15所示。,(2)開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器SG3524,圖16.15 SG3524的內(nèi)部方框圖,它的內(nèi)部包括誤差放大器、限流保護(hù)環(huán)節(jié)、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。,.,SG3524構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖16.16所示。,圖16.16 開關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路,.,3524從11和14腳輸出在時(shí)間上互相錯(cuò)開的兩路控制信號，其開關(guān)頻率由6和7腳外接的RT和CT決定。1和2腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入端，R1和R2構(gòu)成反饋回路。16腳是基準(zhǔn)源，由R3和R4給誤差運(yùn)算放大器提供一個(gè)與反饋信號比較的給定電壓。,.,SG

22、3524電路控制過程的波形如圖16.17所示。,圖16.17 SG3524的波形圖,.,當(dāng)V1降低時(shí)， V2加寬， T1和T2的寬度變窄，導(dǎo)通時(shí)間減小。反之，當(dāng)V1增加時(shí)， T1和T2 的導(dǎo)通時(shí)間增加。,.,圖16.16 開關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路,設(shè)負(fù)載電流加大，VO下降，反饋電壓減小，誤差放大器的輸出V1增加， T1和T2的導(dǎo)通時(shí)間增加，輸出電壓VO增加。,(3) SG3524構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源,現(xiàn)在來討論3524構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理。,圖16.15 SG3524的內(nèi)部方框圖,反之，當(dāng)VO增加時(shí)，反饋電壓增加， V輸出減小， T1和T2的導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓VO 減小。,.,SG352