硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)安徽理工大學(xué)電氣工程系安徽理工大學(xué)電氣工程系主講 ：黃友銳第十九講16.2 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路16.2.1 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理16.2.2 穩(wěn)壓電阻的計(jì)算16.2.3 基準(zhǔn)源16.2.1 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖16.02所示。 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(huì)引起較小的電壓變化。圖16.02 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(1) 當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知zlr+=iiirivvvvvririzo= 輸入電壓vi的增加，必然引起vo的增加，即vz增加，從而使iz增加，i

2、r增加，使vr增加，從而使輸出電壓vo減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下： 這里vo減小應(yīng)理解為由于輸入電壓vi的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使vo的增加沒有那么大而已。vo還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。vivovzizirvrvo圖16.02 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2) 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓 負(fù)載電流il的增加，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)壓過程可概括如下： ilirvrvz（vo）izirvrvo16.2.2穩(wěn)壓電阻的計(jì)算穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻r越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓

3、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(dòng)態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻r 的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓電阻的計(jì)算如下 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lmaxzminziminmax=iivvr 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

4、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lminzmaxzimaxmin=iivvrmaxminrrr(1) (2) 穩(wěn)壓二極管在使用時(shí)一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會(huì)造成損壞！16.2.3 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(hào) 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

5、30 5.0 10 30 . tl431 2.536 0.4100 50 . lm3999 6.955 10 5 . ad2710k/l 10.0001mv 10 2/1 . 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16.3 線性串聯(lián)型穩(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。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大，效率低。16.3.1 線

6、性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理16.3.2 穩(wěn)壓電路的保護(hù)環(huán)節(jié)16.3.3 三端集成穩(wěn)壓器16.3.1 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理(1) 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源的工作原理可用圖16.03來說明。 顯然，vo =vi-vr，當(dāng)vi增加時(shí)，r 受控制而增加，使vr增加，從而在一定程度上抵消了vi增加對(duì)輸出電壓的影響。若負(fù)載電流il增加，r受控制而減小，使vr減小，從而在一定程度上抵消了因il增加，使vi減小，對(duì)輸出電壓減小的影響。 圖16.03 串聯(lián)穩(wěn)壓電源 圖16.03 串聯(lián)穩(wěn)壓電源 示意圖 在實(shí)際電路中，可變電阻r是用一個(gè)三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降

7、vce，vce相當(dāng)于vr 。要想輸出電壓穩(wěn)定，必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖 16.04 所示。它由調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成。 圖16.04 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖(2) 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理 根據(jù)圖16.04分兩種情況來加以討論。1輸入電壓變化，負(fù)載電流保持不變 輸入電壓vi的增加，必然會(huì)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(hào)vf與基準(zhǔn)源電壓vref比較，獲得誤差信號(hào)v。誤差信號(hào)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（動(dòng)畫16-2

8、） 2負(fù)載電流變化，輸入電壓保持不變 負(fù)載電流il的增加，必然會(huì)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(hào)vf與基準(zhǔn)源電壓vref比較，獲得的誤差信號(hào)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。 ilvivovfvo1vcevo3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算根據(jù)圖16.04可知vfvrefref2321o1o)+(1=vrrrrvv調(diào)節(jié)r2顯然可以改變輸出電壓。（動(dòng)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

9、大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞，為此必須對(duì)穩(wěn)壓電源的短路進(jìn)行保護(hù)。過載也會(huì)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(dòng)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)發(fā)生短路時(shí)，通過電路中取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，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16.3.3 三端集成穩(wěn)壓器(1)概述 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。早期的集

10、成穩(wěn)壓器外引線較多，現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)：輸入端、輸出端和公共端，稱為三端集成穩(wěn)壓器。它的電路符號(hào)見圖16.07，外形如圖16.08所示。圖16.07 集成穩(wěn)壓器符號(hào) 要特別注意，不同型號(hào)，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(cè)確定。圖16.08 外形圖 照片2. 外形及外形及引腳功能引腳功能w7800系列穩(wěn)壓器外形1 輸入端3 公共端2 輸出端w7900系列穩(wěn)壓器外形1 公共端3 輸入端2 輸出端塑料封裝to-220 (2) 線性三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種：1. 固定正輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為cw78-/cw78m-/cw78l-2. 固定負(fù)輸出集

11、成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為cw79-/cw79m-/cw79l-3. 可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為cw117-/cw117mcw117l- cw217-/cw217m-/cw217l-cw317-/cw317m-/cw317l-4. 可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，國標(biāo)型號(hào)為cw137-/cw137m cw137l-cw237-/cw237m-cw237l-cw337-/cw337mcw337l-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(jí)；2-為工業(yè)品級(jí)；3-為民品級(jí)。 軍品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55150； 工業(yè)品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-2515

12、0； 民品級(jí)多為塑料封裝，工作溫度范圍0125。(3) 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16.09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)。)1 (25. 1+=1ppap1refreforrrirrvvv 16.09應(yīng)用電路(固定)三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖16.10所示。 圖16.10應(yīng)用電路(可調(diào))同時(shí)輸出正、負(fù)電壓的電路同時(shí)輸出正、負(fù)電壓電路w7815ciui+ _uo123+ _ciw791512coco3uo提高輸出電壓的電路cow78xxciui+_+_uo123uxxuzrdz

13、uxx: 為w78xx固定輸出電壓uo=uxx+uz（4）利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源 圖16.11穩(wěn)壓器做恒流源圖16.12可調(diào)穩(wěn)壓器做恒流源電路 (a)小電流恒流源 (b)大電流恒流源 三端集成穩(wěn)壓器可做恒流源使用,電路見圖16.11和16.12。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(hào)放大電路時(shí)，還應(yīng)采用第二級(jí)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.

14、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，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(duì)應(yīng)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間為ton；反之輸出為低電平，對(duì)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(duì)方波而言，相當(dāng)方波存在的部

15、分。 輸出波形中電位水平低于低電平最大值的部分，對(duì)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，fvo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qvttvtvvttvttvttvtvtttionioncesioffde0eo)(1+)(1d1d1=11 可以通過改變比較器輸出方波的寬度

16、（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(簡介）典型的開關(guān)電源控制器和開關(guān)電源見下表 型號(hào) 電源范圍/v 最

17、大輸出電流 /a 內(nèi)部參考源 /v 輸出級(jí)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 利用集成開關(guān)電源控制器可以方便地構(gòu)成開關(guān)電源。 sg3524是一個(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

18、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)部包括有誤差放大器、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(hào)，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(hào)比較的給定電壓。 v3 和 v4 是或非門的輸出，只要或非門的輸入端有高電平，它的輸出即為低電平。 v3和v4的輸出由v2、cp、q或q決定。因q和q只能有一個(gè)是高電平，t2和t1不可能同時(shí)導(dǎo)通。 t1和t2只能按推挽方式工作，輪流交替導(dǎo)通。 sg3524電路控制過程的波形如圖16.17所示。 圖16.17 sg3