第8章直流穩(wěn)壓電源

1、第8章 直流穩(wěn)壓電源8.1 單相整流濾波電路教學(xué)要求：1.掌握單相橋式整流電路的工作原理；2.掌握電容濾波電路的工作原理；3.了解電感濾波電路、型濾波電路的結(jié)構(gòu)及原理。引言直流穩(wěn)壓電源是將交流電變換成功率較小的直流電，一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾部分組成。整流電路用來(lái)將交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來(lái)濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。一、單相整流電路（一）半波整流電路單相半波整流電路如下圖(a)所示，圖中Tr為電源變壓器，用來(lái)將市電220V交流電壓變換為整流電路所要求的交

2、流低電壓，同時(shí)保證直流電源與市電電源有良好的隔離。設(shè)V為整流二極管，令它為理想二極管，RL為要求直流供電的負(fù)載等效電阻。由圖可見(jiàn)，負(fù)載上得到單方向的脈動(dòng)電壓，由于電路只在u2的正半周有輸出，所以稱(chēng)為半波整流電路。半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動(dòng)大，因此，它只使用于要求不高的場(chǎng)合。（二）橋式整流電路為了克服半波整流的缺點(diǎn)，常采用橋式整流電路，如下圖所示，圖中V1、V2、V3、V4四只整流 二極管接成電橋形式，故稱(chēng)為橋式整流。1.工作原理和輸出波形設(shè)變壓器二次電壓u2=21/2U2sint，波形如電壓、電流波形圖(a)所示。在u2的正半周，即a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)時(shí)，V1、

3、V3承受正向電壓而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)RL，電流路徑為aV1RLV3b，此時(shí)V2、V4因反偏而截止，負(fù)載RL上得到一個(gè)半波電壓，如電壓、電流波形圖(b)中的0段所示。若略去二極管的正向壓降，則uOu2。電壓、電流波形在u2的負(fù)半周，即a點(diǎn)為負(fù)b點(diǎn)為正時(shí)，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)RL，電流路徑為bV2RLV4a。這時(shí)RL上得到一個(gè)與0段相同的半波電壓如電壓、電流波形圖(b)中的2段所示，若略去二極管的正向壓降，uu2。由此可見(jiàn)，在交流電壓u2的整個(gè)周期始終有同方向的電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，故RL上得到單方向全波脈動(dòng)的直流電壓。可見(jiàn)，橋式整流電路輸出電壓為半波整流

4、電路輸出電壓的兩倍，所以橋式整流電路輸出電壓平均值為u=2×0.45U2=0.9U2。橋式整流電路中，由于每?jī)芍欢O管只導(dǎo)通半個(gè)周期，故流過(guò)每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，在u2的正半周，V1、V3導(dǎo)通時(shí)，可將它們看成短路，這樣V2、V4就并聯(lián)在u2上，其承受的反向峰值電壓為UR=21/2U2。同理，V2、V4導(dǎo)通時(shí)，V1、V3截止，其承受的反向峰值電壓也為UR=21/2U2。二極管承受電壓的波形如電壓、電流波形圖(d)所示。由上圖可見(jiàn)，在交流電壓u2的整個(gè)周期始終有同方向的電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，故RL上得到單方 向全波脈動(dòng)的直流電壓?？梢?jiàn)，橋式整流電路輸出電壓為半波整流電路

5、輸出電壓的兩倍。橋式整流電路與半波整流電路相比較，其輸出電壓UO提高，脈動(dòng)成分減小了。2.參數(shù)估算       二、濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分（稱(chēng)為紋波電壓）。應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，濾去交流成分。(一)電容濾波1.電路和工作原理設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路，u2為正半周，當(dāng)u2由零上升時(shí)，V1、V3導(dǎo)通，C被充電，同時(shí)電流經(jīng)V1、V3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此uo=ucu2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，uc也達(dá)到最大值，然后u

6、2下降，此時(shí)，uc>u2，V1、V3截止，電容C向負(fù)載電阻RL放電，由于放電時(shí)間常數(shù)=RLC一般較大，電容電壓uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|u2|>uc時(shí)，V2、V4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電過(guò)程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓。2.波形及輸出電壓  （二）其他形式濾波電路1.電感濾波電路電路如下圖所示，電感L起著阻止負(fù)載電流變化使之趨于平直的作用。直流分量被電感L 短路，交流分 量主要降在L 上 ，電感越大，濾波效果越好。一般電感濾波電路只使用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。2.p 型濾波為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的紋波

7、可采用p 型LC濾波電路。由于C1、C2對(duì)交流容抗小，而電 感對(duì)交流阻抗很大，因此，負(fù)載RL上的紋波電壓很小。8.2 線性集成穩(wěn)壓器教學(xué)要求： 1.掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理；2.掌握集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器的型號(hào)及特性；3.熟悉集成三端固定輸出穩(wěn)壓器的型號(hào)、參數(shù)及應(yīng)用。一、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理穩(wěn)壓電路用來(lái)在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定直流輸出電壓。采用三極管作為調(diào)整管 并與負(fù)載串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，稱(chēng)為串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路；調(diào)整管并與負(fù)載并聯(lián)的穩(wěn)壓電路，稱(chēng)為并聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路；當(dāng)調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)則稱(chēng)為線性穩(wěn)壓器。（一）串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理當(dāng)輸入電壓UI增大（或負(fù)載電流I

8、O減?。┮疠敵鲭妷篣O增加時(shí)，取樣電壓UF隨之增大，UZ與UF的 差值減小，經(jīng)A放大后使調(diào)整管的基極電壓UBI減小，集電極IC1減小，管壓降UCE增大，輸出電壓UO減 小，從而使穩(wěn)壓電路的輸出電壓上升趨勢(shì)受到抑制，穩(wěn)定了輸出電壓。同例，當(dāng)輸入電壓UI減?。ɑ蜇?fù)載電流IO增大）引起輸出電壓UO減小時(shí)，電路將產(chǎn)生與上述相反的穩(wěn)壓過(guò)程，維持電壓基本不變。可見(jiàn)穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)是UCE的自動(dòng)調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定。（二）輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍二、三端固定輸出集成穩(wěn)壓器CW7800 系列(正電源)，CW7900 系列(負(fù)電源)。輸出電壓：5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V輸出電

9、流：78L×× / 79L×× 輸出電流100 mA；78M×× / 9M×× 輸出電流 500 mA ；78 ×× / 79 ×× 輸出電流1.5 A 。如CW7805 輸出 5 V，最大電流1.5 A；CW78M05 輸出 5 V，最大電流0.5 A；CW78L05 輸出 5 V，最大電流0.1 A。封裝和符號(hào)：              （二）CW78

10、00 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)啟動(dòng)電路幫助穩(wěn)壓器快速建立輸出電壓UO；調(diào)整電路由復(fù)合管構(gòu)成；取樣電路輸出固定的電壓。CW7800系列穩(wěn)壓器具有過(guò)熱、過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)功能。（三）應(yīng)用電路1.基本應(yīng)用電路和基本應(yīng)用電路如下圖所示。由于輸出電壓決定于集成穩(wěn)壓器，所以輸出電壓為12V，最大輸出電流為1.5A。為使電路正常工作，要求輸入電壓U1比輸出電壓UO至少大2.53V。輸入端電容C1用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，以防止自激振蕩，還可抑制電源的高頻脈沖干擾。一般取0.11F。輸出端電容C2、C3用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時(shí)也具有消振作用。V是保護(hù)二極管，用來(lái)防止在輸入端短路時(shí)輸出電容C3所存

11、儲(chǔ)電荷通過(guò)穩(wěn)壓器放電而損壞器件。CW7900系列的接線與CW7800系列基本相同。2.提高輸出電壓的電路                   提高電阻R2與R1的比值，可提高輸出電壓UO。缺點(diǎn)是當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，IQ也變 化，這使穩(wěn)壓器的精度降低。     3.輸出正、負(fù)電壓的電路此電路采用CW7815和CW7915三端穩(wěn)壓器各一塊組成的具有同時(shí)輸出+15V、-15V電壓的穩(wěn)壓電路。4.

12、恒流源電路三、三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器是在三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，集成片的輸入電流幾乎全部流到輸出端，流到公共端的電流非常小，因此可以用少量的外部元件方便地組成精密可調(diào)的穩(wěn)壓電路，應(yīng)用更為靈活。（一）典型產(chǎn)品型號(hào)命名CW117/217/317系列(正電源)；CW137/237/337系列(負(fù)電源)。 工作溫度：CW117(137) -55 150°C ；CW217(237) -25 150°C；CW317(337)0125°C .        基準(zhǔn)電壓：1

13、.25V 輸出電流：L 型 輸出電流100 mA ；M 型 輸出電流500 mA 。（二）CW117 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本應(yīng)用電路     圖中ADJ稱(chēng)為電壓調(diào)整端，因所有偏置電路和放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)電流都流到穩(wěn)壓器的輸出端，所以沒(méi)有單獨(dú)引出接地端。基本應(yīng)用電路：靜態(tài)電流IQ(約10 mA)從輸出端流出，RL開(kāi)路時(shí)流過(guò)R1，R1 =UREF/IQ= 125 W，R2=0 2.2 kW時(shí)，UO = 1.25 24 V。V1防止輸入端短路時(shí)C4反向放電損壞穩(wěn)壓器 ；V2防止輸出端短路時(shí)C2通過(guò)調(diào)整端放電損壞穩(wěn)壓器。C2用于減小輸出紋波電壓。R1、RP構(gòu)成

14、取樣電路，這樣，實(shí)質(zhì)電路構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，調(diào)節(jié)RP，可改變?nèi)颖?，即可調(diào)節(jié)輸出電壓UO的大小。030V連續(xù)可調(diào)電路：圖中R3、V組成穩(wěn)壓電路，使A點(diǎn)電位為1.25V，這樣當(dāng)R2=0時(shí)，UA電位與UREF相抵消，便可使UO=0V。8.3 開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓電源教學(xué)要求：1.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理；2.CW1524系列的各管腳功能及外部電路的連接特點(diǎn)；3.CW4960/4962的典型應(yīng)用電路。引言線性集成穩(wěn)壓器有很多優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，管壓降比較大，同時(shí)要通過(guò)全部負(fù)載電流，所以管耗大，電源效率低，一般為40%60%。特別在輸入電壓升高、負(fù)載電流很大 時(shí)，管耗更大，不但電源效率低，同

15、時(shí)使調(diào)整管的工作可靠性降低。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，依靠調(diào)節(jié)調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。由于調(diào)整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗小，故使穩(wěn)壓電源有的效率明提顯高，可達(dá)80%90%，而且這一效率幾乎不受輸入電壓大小的影響，即開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 很寬的穩(wěn)壓范圍。由于效率高使得電源的主要缺點(diǎn)是輸出電壓中含有較大的紋波。但由于開(kāi)關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)顯著，故發(fā)展非常迅速，使用也越來(lái)越廣泛。一、開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理（一）串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的基本組成框圖如下圖所示。圖中，V1為開(kāi)關(guān)調(diào)整管，它與負(fù)載RL串聯(lián)；V為續(xù)流二極管，L、C構(gòu)成濾波器；R1和R2組成取樣電路、A為誤差放大器、C為電壓比

16、較器，它們與基準(zhǔn)電壓源、三角波發(fā)生器組成開(kāi)關(guān)調(diào)整管的控制電路。誤差放大器對(duì)來(lái)自輸出端的取樣電壓uF與基準(zhǔn)電壓UREF的差值進(jìn)行放大，其輸出電壓uA送到電壓比較器C的同相輸入端。三角波發(fā)生器產(chǎn)生一頻率固定的三角波電壓uT，它決定了電源的開(kāi)關(guān)頻率。uT送至電壓比較器C的反相輸入端與uA進(jìn)行比較，當(dāng)uAuT時(shí)，電壓比較器C輸出電壓uB為高電平，當(dāng)uAuT時(shí)，電壓比較器C輸出電壓uB為低電平，uB控制開(kāi)關(guān)調(diào)整管V1的導(dǎo)通和截止。 1.工作波形（脈寬調(diào)制式PWM）2.穩(wěn)壓原理開(kāi)關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間為ton，截止時(shí)間為toff，開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換周期為T(mén)，T=ton+toff，它取決于 三角波電壓uT的頻

17、率。D=ton/T稱(chēng)為脈沖波形的占空比。UO正比于脈沖占空比D，調(diào)節(jié)D就可以改變 輸出電壓的大小，因此，這種電路稱(chēng)為脈寬調(diào)制（PWM）式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路。在閉環(huán)條件下，電路能根據(jù)輸出電壓的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，維持輸出電壓 的穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓UO升高時(shí)，取樣電壓uF增大，誤差放大器的輸出電壓uA下降，調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間ton減小，占空比D減小，使輸出電壓減小，恢復(fù)到原大小。反之，輸出電壓UO下降，uF下降，uA上升，調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間ton增大，占空比D增大，使輸出電壓增大，恢復(fù)到原大 小。從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。必須指出，當(dāng)uF=UREF時(shí)，uA=0，脈沖占空比D=50%，此時(shí)穩(wěn)壓電路的

18、輸出電壓UO等于 預(yù)定的標(biāo)稱(chēng) 值。所以，穩(wěn)壓電源取樣電路的分壓比可根據(jù)uF=UREF求得。二、集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器及其應(yīng)用集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器分為兩大類(lèi)：?jiǎn)纹}寬調(diào)制式(外接開(kāi)關(guān)功率管)如CW1524系列和單片集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器如CW4960/4962 。（一）CW1524/2524/3524(區(qū)別在于溫度范圍不同) 組成：基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、振蕩器、觸發(fā)器、 2 只輸出功率管、過(guò)熱保護(hù)。最大輸入電壓：40 V；最高工作頻率：100 kHz；每路輸出電流：100 mA；內(nèi)部基準(zhǔn)電壓：5 V(承受 50 mA 電流) ；        CW1524降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（二）CW4960/4962組成：基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、開(kāi)關(guān)功率管(內(nèi)接)、軟啟動(dòng)電路、過(guò)流限制、過(guò)熱保護(hù) ；功能：慢起動(dòng)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)占空比可調(diào)(0 100 %)；最大輸入電壓：50 V ；輸出電壓：5.1 40 V 連續(xù)可調(diào)；最高工作頻率：100 kHz ；額定輸出電流：CW4960 2.5 A(過(guò)流保護(hù) 3.0    4.5 A) ，小散熱片；CW4960 1.5 A(過(guò)流保護(hù) 2.5 3.5 A) ，不用散熱片。CW4960/4962內(nèi)部電路完全相同，主要由基準(zhǔn)電壓源、誤差放