第9章直流穩(wěn)壓電路

1、 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)1.直流電源的組成直流電源的組成 小功率直流電源一般由交流電源、變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成，如圖9.1所示。在電路中，變壓器將常規(guī)的交流電壓（220V、380V）變換成所需要的交流電壓；整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電；濾波電路再將單方向脈動的直流電中所含的大部分交流成分濾掉，得到一個較平滑的直流電；穩(wěn)壓電路用來消除由于電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。9.1 整流及濾波電路整流及濾波電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1變壓器u2整 電流 路u3濾 電波 路u4穩(wěn) 電壓 路Uo圖9.1 直流電源電路

2、的組成框圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.直流電源演示直流電源演示 演示電路如圖9.2所示,在圖9.2(a)電路中,變壓器的初級接220V交流電源,用示波器觀察ab間的波形如圖9.3(a)所示,觀察10間的波形如圖9.3(b)所示，合上開關(guān)S,再用示波器觀察10間的波形如圖9.3(c)所示,如果加上穩(wěn)壓部分,如圖9.2(b)所示,用示波器觀察20間的波形如圖9.3(d)所示。通過各點(diǎn)波形的測量，我們看到穩(wěn)壓電源是將交流電逐步改變成一個平滑的直流電。那么，直流電源各部分電路是如何工作的呢？下面將分析其工作原理。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)220 V15 VabIN40014S1000 FRL470

3、 (a)C10.33 FW7809220 V15 VCo0.1 FUo(b)10IN4001420 圖9.2直流電源演示 （a）簡易直流電源；（b）直流電源 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)Ot(a)Otu1(b)OtUoOtu2(c)(d) 圖9.3 各點(diǎn)電壓波形 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)一、 電路組成及工作原理電路組成及工作原理 圖9.4是單相半波整流電路，它由整流變壓器T、整流二極管V及負(fù)載RL組成。 單相半波整流電路及電壓、電流的波形如圖9.5所示,即 )2(0)0(sin22tuttUuoo 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)ab+u2u1uViVuoRLTV 圖9.4 單相半波整流電路 數(shù)字電子技術(shù)

4、數(shù)字電子技術(shù)Otu2OtuoOtiVOtuVU22圖9.5單相半波整流電路電壓與 電流的波形 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)二、整流電路的主要技術(shù)指標(biāo)、整流電路的主要技術(shù)指標(biāo) 1. 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 在圖7.5所示波形電路中，負(fù)載上得到的整流電壓是單方向的，但其大小是變化的，是一個單向脈動的電壓，由此可求出其平均電壓值為222045. 02)(sin221UUttdUUo (92) 2.流過二極管的平均電流流過二極管的平均電流iV 由于流過負(fù)載的電流就等于流過二極管的電流，所以 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 3. 二極管承受的最高反向電壓二極管承受的最高反向電壓URM 在二極管不導(dǎo)通期間，承

5、受反壓的最大值就是變壓器次級電壓u2的最大值，即 LLooVRURUIi245. 0（93） 22UURM （94） 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 4.脈動系數(shù)脈動系數(shù)S 脈動系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標(biāo)。由于負(fù)載上得到的電壓Uo是一個非正弦周期信號，可用付氏級數(shù)展開為)cos32sin211(22 ttUUo 脈動系數(shù)的定義為最低次諧波的峰值與輸出電壓 平均值之比，即57. 122222UUUUSooiM（95）(96) 單相半波整流電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓的平均值低、脈動系數(shù)大。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)三、 單相橋式整流電路單相橋式整流電路 為了克服半波整流電路電源利用

6、率低，整流電壓脈動程度大的缺點(diǎn)，常采用全波整流電路，最常用形式是橋式整流電路。它由四個二極管接成電橋形式，如圖7.6所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理 在圖9.6（a）所示電路中，當(dāng)變壓器次級電壓u2為上正下負(fù)時，二極管V1和V3導(dǎo)通，V2和V4截止，電流i1的通路為aV1RLV3b，這時負(fù)載電阻RL上得到一個正弦半波電壓如圖7.7中（0）段所示。當(dāng)變壓器次級電壓u2為上負(fù)下正時，二極管V1和V3反向截止，V2和V4導(dǎo)通，電流i2的通路為bV2RLV4a，同樣，在負(fù)載電阻上得到一個正弦半波電壓，如圖7.7中（2）段所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)圖7.

7、6 單相橋式整流電路組成 b+u2uoRLTV1V2V3V4(a)ai1i2 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)圖9.6 單相橋式整流電路組成 TRLV1V2V4V3(b) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)圖9.6單相橋式整流電路組成 T(c) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)圖7.6 單相橋式整流電路組成 T(d) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)Otu2OtuoOtiVtuV(V1、 V2)O圖9.7 單相橋式整流電路 電壓與電流波形 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.技術(shù)指標(biāo)計(jì)算及分析技術(shù)指標(biāo)計(jì)算及分析 （1）輸出電壓平均值Uo。由以上分析可知，橋式整流電路的整流電壓平均值Uo比半波整流時增加一倍，即 229 . 045.

8、02UUUo（97） （2）直流電流Io。橋式整流電路通過負(fù)載電阻的直 流電流也增加一倍，即 LLooRURUI29 . 0（98） 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) （3）二極管的平均電流iV。因?yàn)槊績蓚€二極管串聯(lián)輪換導(dǎo)通半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即 LooVRUIi45. 021（99） （4）二極管承受的最高反向電壓URM。由圖7.6（a）可以看出，當(dāng)V1和V3導(dǎo)通時，如果忽略二極管正向壓降，此時，V2和V4的陰極接近于a點(diǎn)，陽極接近于b點(diǎn)，二極管由于承受反壓而截止，其最高反壓為u2的峰值，即 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) (5)脈動系數(shù)S。全波橋式整流輸出電壓u

9、o的付氏級數(shù)展開式為67. 022324)4cos1542cos342(2222 UUUUStUUooiMo（910） 即 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 由以上分析可知，單相橋式整流電路，在變壓器次級電壓相同的情況下，輸出電壓平均值高、脈動系數(shù)小，管子承受的反向電壓和半波整流電路一樣。雖然二極管用了四只，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流電路得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 四、四、 濾波電路濾波電路 整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，在有些設(shè)備中不能適應(yīng)（如電鍍和蓄電池充電等設(shè)備）。為了改善電壓的脈動程度，需在整流后再加入濾波電路。常用的濾波電

10、路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 1.電容濾波電路電容濾波電路 圖9.8所示為一單相半波整流電容濾波電路，由于電容兩端電壓不能突變，因而負(fù)載兩端的電壓也不會突變，使輸出電壓得以平滑，達(dá)到濾波目的。;濾波過程及波形如圖9.9所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)Tu1u2i充CUCRLi放uoVio圖9.8 單相半波整流電容濾波電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1u2RLuoLIo 圖9.9 電容濾波原理及輸出波形 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 在u2的正半周時，二極管V導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，則uo=u2，這個電壓一方面給電容充電，一方面產(chǎn)生負(fù)載電流Io，電容C上的電壓與u

11、2同步增長，當(dāng)u2達(dá)到峰值后，開始下降，UCu2，二極管截止，如圖7.9中的A點(diǎn)。之后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)RL放電，UC下降。當(dāng)放電到B點(diǎn)時，u2經(jīng)負(fù)半周后又開始上升，當(dāng)u2UC時，電容再次被充電到峰值。UC降到C點(diǎn)以后，電容C再次經(jīng)RL放電，通過這種周期性充放電，以達(dá)到濾波效果。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 由于電容的不斷充放電，使得輸出電壓的脈動性減小，而且輸出電壓的平均值有所提高。輸出電壓平均值Uo的大小，顯然與RL、C的大小有關(guān)，RL愈大，C愈大，電容放電愈慢，Uo愈高。在極限情況下，當(dāng)RL=時，Uo=UC= U2，不再放電。當(dāng)RL很小時，C放電很快，甚至與u2同步下降，則Uo=0.9U

12、2，RL、C對輸出電壓的影響如圖7.9中虛線所示?？梢婋娙轂V波電路適用于負(fù)載較小的場合。當(dāng)滿足RLC（35）T/2時，則輸出電壓的平均值為 2全波）半波）(2 . 1(22UUUUoo（912）（911）其中T為交流電源電壓的周期。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 利用電容濾波時應(yīng)注意下列問題： (1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應(yīng)注意電容的正極性接高電位，負(fù)極性接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。 （2）開始時，電容C上的電壓為零，通電后電源經(jīng)整流二極管給C充電。通電瞬間二極管流過短路電流，稱浪涌電流。一般是正常工作電流Io的（57）倍，所以選二極管參數(shù)時，正向平均電流的參數(shù)應(yīng)選大一些。同

13、時 在 整 流 電 路 的 輸 出 端 應(yīng) 串 一 個 阻 值 約 為（0.020.01）R的電阻，以保護(hù)整流二極管。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.電感濾波及復(fù)式濾波電路電感濾波及復(fù)式濾波電路 （1）電感濾波電路。由于通過電感的電流不能突變，用一個大電感與負(fù)載串聯(lián),流過負(fù)載的電流也就不能突變，電流平滑，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姼袑涣鞒尸F(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則交流成分絕大部分降到了電感上,若忽略導(dǎo)線電阻，電感對直流沒有壓降，即直流均落在負(fù)載上，達(dá)到了濾波目的。電感濾波電路如圖7.10所示。在這種電路中，輸出電壓的交流成分是整流電路輸出電壓的交流成分經(jīng)XL和RL分壓

14、的結(jié)果，只有LRL時，濾波效果才好。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1u2RLuoLIo圖9.10 帶電感濾波器的橋式整流電路圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) （2）輸出電壓平均值Uo。一般小于全波整流電路輸出 電 壓 的 平 均 值 ，如 果 忽 略 電 感 線 圈 的 銅 阻 ， 則Uo0.9U2。雖然電感濾波電路對整流二極管沒有電流沖擊，但為了使L值大，多用鐵芯電感，但體積大、笨重，且輸出電壓的平均值Uo較低。 （3）復(fù)式濾波電路。為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路。電感型LC濾波電路如圖7.11所示。整流輸出電壓中的交流成分絕大部分降落在電感上，電

15、容C又對交流接近于短路，故輸出電壓中交流成分很少，幾乎是一個平滑 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1u2RLuoLC圖 9.11 橋式整流電感型LC濾波電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 的直流電壓。由于整流后先經(jīng)電感L濾波，總特性與電感濾波電路相近，故稱為電感型LC濾波電路，若將電容C平移到電感L之前，則為電容型LC濾波電路。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) （4）型濾波電路。圖9.12所示為LC型濾波電路。整流輸出電壓先經(jīng)電容C1，濾除了交流成分后，再經(jīng)電感L上濾波電容C2上的交流成分極少，因此輸出電路幾乎是平直的直流電壓。但由于鐵芯電感體積大、笨重、成本高、使用不便。因此，在負(fù)載電流不太大而要求輸出脈動

16、很小的場合，可將鐵芯電感換成電阻，即RC型濾波電路。電阻R對交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會使輸出電壓下降，但只要RL1/(C2)，電容C1濾波后的輸出電壓絕大多數(shù)降在電阻RL上。RL愈大，C2愈大，濾波效果愈好。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1u2RLuoLC2(a)C1 圖9.12 型濾波電路 （a）LC型濾波電路;（b）RC型濾波電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.12 型濾波電路 （a）LC型濾波電路;（b）RC型濾波電路 C1C2RLR(b) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)9.2 直流穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電路 通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時，輸出

17、電壓會隨之改變。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定，將會引起直流放大器的零點(diǎn)漂移，交流噪聲增大，測量儀表的測量精度降低等。因此必須進(jìn)行穩(wěn)壓，目前中小功率設(shè)備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路及開關(guān)型穩(wěn)壓電路。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 一、一、 硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路 1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理 硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖7.13所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管V組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.13 穩(wěn)壓管穩(wěn)

18、壓的直流電源電路 u1u2RLUoIRCUiVIZILUZR 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 在這種電路中，不論是電網(wǎng)電壓波動還是負(fù)載電阻RL的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因?yàn)閁Z基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個方面來分析其穩(wěn)壓原理： （1）設(shè)RL不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui升高，導(dǎo)致Uo升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)UZ升高一點(diǎn)時，IZ將會顯著增加，這樣必然使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持Uo不變。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)RRIIIZZoUUUiUIIUUUZLRRio反之亦然。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) （2）設(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL阻值增大時，IL

19、減 小 ， 限 流 電阻R 上壓 降 UR將 會 減 小 。 由 于Uo=UZ=Ui-UR，所以導(dǎo)致Uo升高，即UZ升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過R上的電流基本不變，導(dǎo)致壓降UR基本不變，則Uo也就保持不變。 ZoZUUURIIIRLLIUUUIIRRiZZLR)( 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 反之亦然。 在實(shí)際使用中,這兩個過程是同時存在的，而兩種調(diào)整也同樣存在。因而無論電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化，都能起到穩(wěn)壓作用。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.穩(wěn)壓電路參數(shù)確定穩(wěn)壓電路參數(shù)確定 （1）限流電阻的計(jì)算。穩(wěn)壓電路要輸出穩(wěn)定電壓，必須保證穩(wěn)壓管

20、正常工作。因此必須根據(jù)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電阻RL的變化范圍,正確地選擇限流電阻R的大小。從兩個極限情況考慮，則有 當(dāng)Ui為最小值，Io達(dá)到最大值時，即 Ui=Uimin，Io=Iomax,這時IR=(Uimin-UZ)/R。 則IZ=IR-Iomax為最小值。為了讓穩(wěn)壓管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)，此時IZ值應(yīng)大于IZmin， 即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,則 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 當(dāng)Ui達(dá)最大值，Io達(dá)最小值時，Ui=Uimax， Io=Iomin,這時IR=(Uimax-UZ)/R，則IZ=IR-Iomin為最大值。為了保證穩(wěn)壓管安全工作，此時IZ值應(yīng)小于IZmax，即IZ=(U

21、imax-UZ)/R-IominIZmax，則maxminoZZiIIUURomixZZimanIIUUR所以限流電阻R的取值范圍為 omixZZimanoZZiIIUURIIUUmaxmin(913)在此范圍內(nèi)選一個電阻標(biāo)準(zhǔn)系列中的規(guī)格電阻。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) （2）確立穩(wěn)壓管參數(shù)。一般取oioZoZUUIIUU) 32() 35 . 1 (maxmax（914） 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 二、二、 串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路 并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流很小，由式9.14可知， Iomax=（1/32/3）IZmax，而IZma

22、x一般只有2040mA。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調(diào)節(jié)，常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖9.14所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)R4V1V2R3UZV3UiR1RpR2R pRLUo(a)R p 圖9.14 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 （a）分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路;（b）運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.14 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 （a）分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路;（b）運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 1 kUiUZ=5 VA10 kUo10 kRwV1(b) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.14（a）是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化時，可能使輸出電壓Uo上升或

23、下降。為了使輸出電壓Uo不變，可以利用負(fù)反饋原理使其穩(wěn)定。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過程為UoUb2Ub1（Uc2）Uo。 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進(jìn)行調(diào)節(jié)。pZppZoRRURRRRRUU2221（915） 式中，R=R1+Rp+R2, Rp是RP的下半部分阻值。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 如果將圖9.14（a）中的放大元件改成集成運(yùn)放，不但可以提高放大倍數(shù)，而且能提高靈敏度，這樣就構(gòu)成了由運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電路如圖9.14（b）所示。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo下降，其穩(wěn)壓過程為UoU-Ub1Uo。 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分，其組成框圖如圖9.15所示

24、。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)調(diào)整Ui比較放大基準(zhǔn)電壓取樣Uo 圖9.15 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 三、集成穩(wěn)壓器及應(yīng)用三、集成穩(wěn)壓器及應(yīng)用 集成穩(wěn)壓器將取樣、基準(zhǔn)、比較放大、調(diào)整及保護(hù)環(huán)節(jié)集成于一個芯片，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調(diào)式和多端可調(diào)式等。三端穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端（接地）三個接線端點(diǎn)，由于它所需外接元件較少，便于安裝調(diào)試，工作可靠，因此在實(shí)際使用中得到廣泛應(yīng)用。其外形如圖9.16所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)312INOUTGNDTO-3封裝7800312IN GND OUTTO-220封裝 圖9.16三端穩(wěn)壓器外形圖 （a）三端固定式

25、；（b）三端可調(diào)式 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)312GNDOUTINTO-3封裝7900312INGNDOUTTO-220封裝 圖9.16三端穩(wěn)壓器外形圖 （a）三端固定式；（b）三端可調(diào)式 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.16三端穩(wěn)壓器外形圖 （a）三端固定式；（b）三端可調(diào)式 312INADJOUTTO-3封裝317312ADJ OUT INTO-220封裝 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.16三端穩(wěn)壓器外形圖 （a）三端固定式；（b）三端可調(diào)式 312ADJOUTINTO-3封裝337312INADJOUTTO-220封裝 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 1. 固定輸出的三端穩(wěn)壓器固定輸出的三端

26、穩(wěn)壓器 常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列、7900系列，其外型如圖9.16（a）所示。型號中78表示輸出為正電壓值，79表示輸出為負(fù)電壓值，00表示輸出電壓的穩(wěn)定值。根據(jù)輸出電流的大小不同，又分為CW78系列，最大輸出電流11.5A；CW78M00系列，最大輸出電流0.5A；CW78L00系列，最大輸出電流100mA左右，7800系列輸出電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明輸出+15V電壓，輸出電流可達(dá)1.5A，CW79M12，表明輸出-12V電壓，輸出電流為-0.5A

27、數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器 前面介紹78、79系列集成穩(wěn)壓器，只能輸出固定電壓值，在實(shí)際應(yīng)用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列為可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，其外型如圖9.16（b）所示。 在圖9.16所示電路中CW317是三端可調(diào)式正電壓輸出穩(wěn)壓器，而CW337是三端可調(diào)式負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器輸出電壓為1.2537V，輸出電流可達(dá)1.5A。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) CW317的基本應(yīng)用電路如圖9.17所示，它只需外接兩個電阻(R1和RP)來確定輸出電壓。為了使電路正常工作，它的輸出電流不應(yīng)小于5mA，調(diào)節(jié)端

28、的電流約為50A，輸出電壓的表達(dá)式為)1 (25. 11050)1 (25. 1161RRURRRUPoPPo（916） （917） 在上式中RP阻值很小,可忽略，由此可得 圖7.17所示電路中C1為預(yù)防自激振蕩產(chǎn)生,C2用來改善輸出電壓波形。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)CW317R1240 外殼VD1 Uo Ui(28 V)(控制輸出)RP5k VD2(1.25 V25 V)C21 FC310 FC10.1 F 圖9.17 可調(diào)輸出穩(wěn)壓電源 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 3.三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用 1）輸出固定電壓應(yīng)用電路 輸出固定電壓的應(yīng)用電路如圖9.18所示，其中圖（a）為輸

29、出固定正電壓，圖（b）為輸出固定負(fù)電壓，圖中Ci用以抵消輸入端因接線較長而產(chǎn)生的電感效應(yīng)。為防止自激振蕩，其取值范圍在0.11F之間（若接線不長時可不用），Co用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取1F左右，其作用是減少高頻噪聲。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)W7800123CiCoUiUo0.33 F1 F(a) 圖9.18固定輸出的穩(wěn)壓電路（a）輸出固定正電壓; （b）輸出固定負(fù)電壓 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.18固定輸出的穩(wěn)壓電路（a）輸出固定正電壓; （b）輸出固定負(fù)電壓 W7900321CiCoUiUo0.33 F1 F(b) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2）輸出正、負(fù)電壓穩(wěn)壓電路 當(dāng)需要正

30、、負(fù)兩組電源輸出時，可采用W7800系列和W7900系列各一塊，按圖9.19接線，即可得到正負(fù)對稱的兩組電源。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)220 V24 V24 VC1000 F1000 FCi0.33 F0.33 F78151279153132Co1 F1 F15 V15 VCoCiCo 圖9.19 正負(fù)對稱輸出穩(wěn)壓電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 四、開關(guān)型穩(wěn)壓電路簡介四、開關(guān)型穩(wěn)壓電路簡介 串聯(lián)型穩(wěn)壓器中的調(diào)整管工作在放大區(qū)，由于負(fù)載電流連續(xù)通過調(diào)整管，因此管子功率損耗大，電源效率低，一般只有20%24%。若用開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它可使調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子損耗很小，效率可提高到60%80%

31、，甚至可高達(dá)90%以上。開關(guān)型穩(wěn)壓電路如圖9.20所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)方波發(fā)生器UiAUo(a)uAUiOUo(AV)tonTntV(b)toff 圖9.20 開關(guān)型穩(wěn)壓電路及波形 （a）開關(guān)型穩(wěn)壓電路; （b）波形 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 1.開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理 開關(guān)型穩(wěn)壓電路就是把串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管，由線性工作狀態(tài)改成開關(guān)工作狀態(tài)，如圖9.20（a）所示。方波發(fā)生器為一開關(guān)信號發(fā)生器，當(dāng)它輸出高電平時，V管飽合導(dǎo)通；當(dāng)它輸出低電平時，V管截止。輸出電壓波形如圖9.20（b）所示。其中導(dǎo)通時間ton與開關(guān)周期Tn之比定義為占空比D，即 nono

32、ffononTttttD（918）輸出電壓平均值為 ioDUU （919) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 式中，ton為調(diào)整管的導(dǎo)通時間，toff為調(diào)整管的截止時間，Tn為調(diào)整管的開關(guān)周期，D為調(diào)整管的占空比。 對于一定的輸入電壓Ui，通過調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)節(jié)輸出電壓Uo。調(diào)節(jié)占空比的方法有兩種：一種是固定開關(guān)的頻率來改變脈沖的寬度ton，稱為脈寬調(diào)制型開關(guān)電源，用PWM表示；另一種是固定脈沖寬度而改變開關(guān)周期，稱為脈沖頻率調(diào)制型開關(guān)電源，用PFM表示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.開關(guān)型穩(wěn)壓電路應(yīng)用實(shí)例開關(guān)型穩(wěn)壓電路應(yīng)用實(shí)例 圖9.21所示為一PWM型開關(guān)電源，該電路用反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，

33、在取樣、比較放大環(huán)節(jié)后，再加入一個脈寬調(diào)節(jié)器PWM。它可將比較放大后的輸出電壓量轉(zhuǎn)換成與固定頻率相應(yīng)脈寬的脈沖序列，而產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖，其脈沖寬度根據(jù)比較放大器的輸出電壓量而改變。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 脈寬調(diào)制器產(chǎn)生一串矩形脈沖，當(dāng)脈沖是低電平時，V2截止，Ii全部流過V1而飽和導(dǎo)通；當(dāng)脈沖是高電平時，V2飽和導(dǎo)通，使開關(guān)管V1截止。這樣開關(guān)電源向負(fù)載提供的能量是斷續(xù)的。為了使負(fù)載得到連續(xù)的能量供給，開關(guān)型穩(wěn)壓電源還必須有一套平波裝置。當(dāng)V1飽和導(dǎo)通時，續(xù)流二極管截止，此時A點(diǎn)的電位近似等于輸入電壓，即UAUi，這時電感L儲能，電容C充電，同時給負(fù)載提供能量輸出。當(dāng)V截止時，電感釋

34、放能量，電容放電。適當(dāng)選擇C和L值，可在V1關(guān)斷期間保證負(fù)載電流連續(xù)。圖9.22所示為開關(guān)型電源的組成框圖。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)AV1IsUiURAuUoffPWMR3V2VDACLR2R1UoIi 圖9.21 脈寬調(diào)制型開關(guān)電源圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)整流器輸出濾波器50 Hz濾波器開 關(guān)調(diào)整管采樣電路比 較放大器開關(guān)控制電路負(fù)載基準(zhǔn)電壓 圖9.22 開關(guān)電源的組成框圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)9.3 晶閘管及可控整流電路晶閘管及可控整流電路 晶閘管又稱可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體可控元件。它主要用于整流、逆變、調(diào)壓、開關(guān)四個方面，應(yīng)用最多的是晶閘管整流。它具有輸出電壓可調(diào)等特點(diǎn)。晶

35、閘管的種類很多，有普通單向和雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管等。下面主要介紹普通晶閘管的工作原理、特性參數(shù)及簡單的應(yīng)用電路。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 一、晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù)一、晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù) 1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管的基本結(jié)構(gòu) 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是由P1N1P2N2三個PN結(jié)四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖9.23所示。其中P1層引出電極A為陽極；N2層引出電極K為陰極；P2層引出電極G為控制極，其外型及符號如圖9.24所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)N1P1N2P2陽極(A)鋁片鉬片金銻片陰極(K)控制極(G)金硼鈀片硅片(a)N1P1N2P2J3J2J1控制極(G)陰極

36、(K)陽極(A)(b) 圖9.23 晶閘管結(jié)構(gòu) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.24 晶閘管的外型及符號 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.24 晶閘管的外型及符號 3CT(c)AAKKG 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 我們可以把晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看成由PNP和NPN型兩個晶體管連接而成，如圖7.25所示。當(dāng)在A、K兩極間加上正向電壓UAK時，由于J2反偏，故晶閘管不導(dǎo)通，在控制極上加一正向控制電壓UGK后，產(chǎn)生控制電流IG，它流入V2管的基極，并經(jīng)過V2管電流放大得IC2=2IG；又因?yàn)镮C2=IB1；所以IC1=12IG，IC1又流入V2管的基極再經(jīng)放大形成正

37、反饋，使V1和V2管迅速飽和導(dǎo)通。飽和壓降約為1V左右，使陽極有一個很大的電流IA，電源電壓UAK幾乎全部加在負(fù)載電阻RL上。這就是晶閘管導(dǎo)通的原理。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，若去掉UGK，晶閘管仍維持導(dǎo)通。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)V1AV2KG P1P2N1 N2N1P2AKG 圖9.25 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 要使晶閘管重新關(guān)斷，只有使陽極電流小于某一值，使V1、V2管截止，這個電流稱維持電流。當(dāng)可控硅陽極和陰極之間加反向電壓時，無論是否加UGK，晶閘管都不會導(dǎo)通。 綜上所述,晶閘管是一個可控制的單向開關(guān)元件，它的導(dǎo)通條件為：陽極到陰極之間加上陽極比陰極高的正偏電壓；晶閘管控制

38、極要加門極比陰極電位高的觸發(fā)電壓。而關(guān)斷條件為晶閘管陽極接電源負(fù)極，陰極接電源正極，或使晶閘管中電流減小到維持電流以下。晶閘管整個工作情況如圖9.26所示。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)RGVSUG反向阻斷 UA 圖9.26 晶閘管工作情況 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.26 晶閘管工作情況 RGVSUG正向阻斷 UA 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)RGVSUG融發(fā)導(dǎo)通 UA 圖9.26 晶閘管工作情況 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)RGVSUG除去觸發(fā)信號仍導(dǎo)通 UA 圖9.26 晶閘管工作情況 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 3.晶閘管特性晶閘管特性 晶閘管的基本特性常用伏安特性表示，如圖7.27所示。圖9.

39、27（a）為IG=0時的伏安特性曲線。在伏安特性曲線上，除BA轉(zhuǎn)折段外，很像二極管的伏安特性，因此晶閘管相當(dāng)于導(dǎo)通時可控的一種二極管。在很大的正向和反向電壓作用下，晶閘管都會損壞。通常是在晶閘管接通合適的正向電壓下將正向觸發(fā)電壓加在控制極上，使晶閘管導(dǎo)通，其特性曲線如圖9.27（b）所示，由圖可知，控制極電流IG愈大，正向轉(zhuǎn)折電壓愈低，晶閘管愈容易導(dǎo)通。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)IAOUAUBRABCUBO(a) 圖9.27 晶閘管伏安特性(a)IG=0時的伏安特性；(b)不同IG時的伏安特性 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.27 晶閘管伏安特性(a)IG=0時的伏安特性；(b)不同IG時的伏

40、安特性 IAUAOUBOIG0IG2 IG1(b) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 4.主要參數(shù)主要參數(shù) (1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM是在控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，通常規(guī)定該電壓比正向轉(zhuǎn)折電壓小100V左右。 (2)反向重復(fù)峰值電壓URRM是在控制極開路時，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向重復(fù)峰值電壓，一般情況下URRM=UFRM。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) (3)額定正向平均電流IF是在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。 (4)維持電流IH是在規(guī)定環(huán)境溫度和控制極開路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。 (5)觸發(fā)電壓UG

41、與觸發(fā)電流IG是在規(guī)定環(huán)境溫度下加一正向電壓，使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通時所需的最小控制極電壓和電流。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)二、 可控整流電路可控整流電路 1.單向半波可控整流電路單向半波可控整流電路 圖9.28是由晶閘管組成的半波可控整流電路，其中負(fù)載電阻為RL，工作情況如圖9.29所示（對不同性質(zhì)的負(fù)載工作情況不同，在此僅介紹電阻性負(fù)載，對于電感性負(fù)載的工作情況可參考有關(guān)書籍）。由圖9.29可見，在輸入交流電壓u的正半周時，晶閘管V承受正向電壓。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)uVuViouoRL 圖9.28 晶閘管組成的半波 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)(a)Ott2t1uGuouViottt(

42、b)(c)(d)OOuoio圖9.29 電壓電流波形圖 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 閘管承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載上的電壓、電流均為零。在第二個正半周內(nèi)，再在相應(yīng)的t2時刻加入觸發(fā)脈沖，晶閘管再次導(dǎo)通，使負(fù)載RL上得到如圖9.29（c）所示的電壓波形。圖9.29（d）所示的波形為晶閘管所承受的正向和反向電壓。最高正向和反向電壓均為輸入交流電壓的幅值。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的加入時間（稱為移相），負(fù)載上得到的電壓波形隨之改變。可見，移相可以控制負(fù)載電壓的大小。晶閘管在加正向電壓下不導(dǎo)通的區(qū)域稱控制角（又稱移相角），如圖9.29（c）所示。而

43、導(dǎo)通區(qū)域稱為導(dǎo)通角，可以看出導(dǎo)通角愈大，輸出電壓愈高，可控整流電路輸出電壓和輸出電流的平均值分別為 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)2cos145. 02cos145. 0)cos1 (22)(sin221LooRUIUttdUU(920) (921) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 由式(920)可知，輸出電壓Uo的大小隨的大小而變化。當(dāng)=0時，Uo=0.45U，輸出最大，晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)=時,Uo=0,晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。以上分析說明，只要適當(dāng)改變控制角，也就是控制觸發(fā)信號的加入時間，就可靈活地改變電路的輸出電壓Uo。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 2.單相半控橋式整流電路單相半控橋式整流電路 單相

44、半波可控整流電路，雖然具有電路簡單，使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓脈動性大，電流小。單相半控橋式整流電路如圖9.30所示，橋中有兩個橋臂用晶閘管，另兩個橋臂用二極管。 設(shè)u2= U2sint，當(dāng)u2為正半波時，瞬時極性為上“正”下“負(fù)”，V1和V4承受正向電壓。若在t1時刻給V1加觸發(fā)脈沖，則V1導(dǎo)通，負(fù)載上有電壓Uo，電流通路為aV1RLV4b。 2 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)u1u2V1V2V3V4RLuoioab 圖9.30 單相半控橋式整流電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 當(dāng)u2為負(fù)半波時，晶閘管V2和二極管V3承受正向電壓。在t2時刻給V2加觸發(fā)脈沖，V2導(dǎo)通，電流通路為bV2RLV3a。

45、顯而易見，橋式整流的輸出電壓平均值要比單相半波整流大一倍，即LLoooRURUIUU2)cos1 (9 . 02)cos1 (9 . 022(923) (922) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)三、 可控整流的觸發(fā)電路可控整流的觸發(fā)電路 產(chǎn)生和控制觸發(fā)信號的電路稱為觸發(fā)電路，其工作性能的好壞對可控整流的效果有很大影響。觸發(fā)電路種類很多，在此僅介紹常用的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。 1.單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 單結(jié)晶體管的外形及結(jié)構(gòu)如圖9.31（a）所示。單結(jié)晶體管有三個電極：E為發(fā)射極，B1、B2分別為第一基極和第二基極。由于有兩個基極，通常又稱為雙基極二極管。單結(jié)晶體管發(fā)射極和兩基極間的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

46、，可等效成一個二極管V； 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)B2B1EPN結(jié)N型硅片鍍金陶瓷片(a)B1B2E 圖9.31 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、符號及等效電路（a）單結(jié)晶體管外形及結(jié)構(gòu)示意圖;（b）符號及等效電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 圖9.31 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、符號及等效電路（a）單結(jié)晶體管外形及結(jié)構(gòu)示意圖;（b）符號及等效電路 EB1B2UBBAERB1RB2AAUBB(b)V 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 兩基極B1、B2之間的電阻約為212k，B1到PN結(jié)之間的硅片電阻為RB1；B2到PN結(jié)之間的硅片電阻用RB2表示；其等效電路及符號如圖9.31（b）所示。BBBBBBBAURRURU121（924） 式中=RB1/（RB1+RB2），稱為分壓比，一般在0.30.9之間。 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 設(shè)單結(jié)晶體管中PN結(jié)的導(dǎo)通壓降為UD,當(dāng)發(fā)射極電位UEUD+UBB，單結(jié)晶體管中PN結(jié)導(dǎo)通，有電流IE流進(jìn)發(fā)射極，流過電阻RB1。因RB1是隨電流增加而阻值減小，所以這個電流使RB1減小，造成IE進(jìn)一步增大，使RB1進(jìn)一步減小，這個連鎖正反饋過程，很快使RB1減小到最小值。上述電壓值UD+UBB稱作單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓，用U