第14章直流穩(wěn)壓電源

1、1 1第14章 直流穩(wěn)壓電源14.1整流電路整流電路14.2濾波電路濾波電路14.3穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路14.4晶閘管及其應(yīng)用晶閘管及其應(yīng)用2 2在電子設(shè)備和自動控制電路中，都需要有穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作。直流穩(wěn)壓電源是一種能把交流輸入電壓變?yōu)榉€(wěn)定直流電壓輸出的電源。圖14.1是一般直流穩(wěn)壓電源的原理框圖，它由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。3 3圖 14.1 直流穩(wěn)壓電源原理框圖4 4直流穩(wěn)壓電源各部分的功能如下。(1) 變壓器：通常采用降壓變壓器，作用是將輸入的交流電壓ui變換成符合整流電路需要的電壓。(2) 整流電路：利用單向?qū)щ姷恼髌骷?，將變壓器輸出的交流電壓變換

2、為單向脈動直流電壓。(3) 濾波電路：濾除整流電路輸出的脈動直流電壓中的交流成分，輸出比較平滑的直流電壓。(4) 穩(wěn)壓電路：作用是當(dāng)交流電源電壓或負載波動時，利用該電路的自我調(diào)節(jié)功能，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。5 514.1 整流電路整流電路1. 單相半波整流電路單相半波整流電路單相半波整流電路如圖14.2所示，其中VD為整流二極管，u1為電源變壓器的原邊電壓，u2為電源變壓器的副邊電壓，iL、uL分別為負載RL的電流和電壓，uVD為二極管上的電壓。設(shè)u2= U2 sint，其波形如圖14.3(a)所示。26 6圖 14.2 單相半波整流電路7 7圖14.3 半波整流波形圖8 8當(dāng)u2為正半周

3、時，二極管VD導(dǎo)通；當(dāng)u2為負半周時，二極管VD截止。若忽略變壓器繞組電阻和二極管VD的正向電阻，則uL和uVD的波形如圖14.3(b)、(c)所示，從中可看出負載RL的電壓為半個正弦波，其平均值為 (14.1)2202L(AV)45. 02)d(sin21UUttUULRURUI2LL(AV)L(AV)45. 0負載RL中的平均電流為(14.2)二極管VD中的平均電流為(14.3)LRUII2L(AV)VD(AV)45. 09 9二極管VD所承受的最大反向電壓為(14.4)2DRM2UU半波整流電路的優(yōu)點是電路簡單，缺點是輸出電壓脈動大。10102. 單相橋式全波整流電路單相橋式全波整流電路

4、圖14.4所示為單相橋式全波整流電路。圖 14.4 單相橋式全波整流電路1111當(dāng)u2為正半周時，VD1、VD3導(dǎo)通；當(dāng)u2為負半周時，VD2、VD4導(dǎo)通，即在一個周期內(nèi)，負載RL上都有脈動直流電壓uL，故稱為全波整流電路。u2、uL和uVD的波形分別如圖14.5(a)、(b)、(c)所示。從圖14.5中可知負載RL上的平均電壓為UL(AV)=(20.45)U2=0.9U2 (14.5)負載RL中平均電流為(14.6)LRURUI2LL(AV)L(AV)9 . 0L2L(AV)VD(AV)45. 021RUII每個二極管VD中的平均電流為(14.7)1212圖14.5 全波整流波形圖1313每

5、個二極管VD所承受的最大反向電壓為(14.8)2DRM2UU【例【例14.1】 如圖14.4 所示的橋式整流電路，RL=100 ，UL(AV)=18 V，試求變壓器的副邊電壓為多少? 應(yīng)選用何種型號的二極管？解解 變壓器副邊電壓的有效值為V209 . 0189 . 0L(AV)2UU二極管中的平均電流為A09. 010018212121LL(AV)L(AV)VD(AV)RUII1414通過查手冊知2CZ52B的最大整流電流為0.1 A，最大反向電壓為50 V，可滿足本題的要求。15153. 倍壓整流電路倍壓整流電路倍壓整流電路由二極管和電容組成，利用二極管的整流和導(dǎo)引作用，將較低的直流電壓分別

6、存儲在多個電容上，然后按電容充電的極性串聯(lián)起來而得到較高的直流輸出電壓。該電路多用于輸出高電壓、小電流的情況。圖14.6所示為二倍壓整流電路。當(dāng)uo1為正半周時，VD1導(dǎo)通，uo1經(jīng)VD1向C1充電；理想情況下，C1充電至 Uo1。當(dāng)uo1為負半周時，VD2導(dǎo)通，uo1經(jīng)VD2向C2充電，亦能充電至 Uo1。C1與C2的電壓之和為2 Uo1，為負載電阻RL提供了二倍uo1的峰值電壓。同理，若增加二極管和電容的數(shù)目，則可組成多倍壓整流電路。2221616圖14.6 二倍壓整流電路171714.2 濾波電路濾波電路1. 電容濾波電路電容濾波電路電容濾波電路如圖14.7所示，加上電容C后，負載RL上

7、的電壓波形就與沒有濾波電容時的電壓波形大不一樣了，如圖14.8所示。此時的輸出電壓經(jīng)驗上可取 (14.9)UoUo1(半波整流)Uo1.2Uo1(全波整流)1818圖 14.7 電容濾波電路1919圖14.8 電容濾波波形2020電容濾波的原理就是利用電容的充放電特性。在0t1期間，設(shè)電容C上的初始電荷為零，uo1的極性假定為上正下負，此時VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止。uo1通過 VD1和VD3向C充電。在t1時刻，VD1和VD3 的陽極電位等于陰極電位。在t1以后，VD1和VD3陽極電位低于陰極電位，所以VD1和VD3截止，C通過負載RL放電。到t2時刻，VD2和VD4 的陽極電位

8、等于陰極電位，uo1通過VD2和VD4向C充電。到t3 時刻，VD2和VD4因陽極電位低于陰極電位而截止， C通過負載放電。如此周而復(fù)始，使輸出的脈動大大減小。電容C的充放電時間常數(shù)=RLC，越大，C放電的過程越慢，濾波效果也越好。在實際電路中，通常采用大容量的電解電容，其容量一般選為 (14.10)L2)53(RTC21212. 電感濾波電路電感濾波電路由于電容器具有通高頻、阻低頻的特性，因而用電容濾波時電容是并聯(lián)于負載上的。而電感具有通低頻、阻高頻的特性，用電感濾波時，必須將電感串聯(lián)于負載電路中，利用電感阻止電流變化的特點實現(xiàn)濾波。電感濾波電路如圖14.9所示。為了取得更好的濾波效果，可采

9、用LC濾波電路和型LC濾波電路，如圖14.10和圖14.11所示。2222圖14.9 電感濾波電路2323圖 14.10 LC濾波電路2424圖14.11 型LC濾波電路252514.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路14.3.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電源1. 電路組成電路組成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源是目前較為通用的一種穩(wěn)壓電源。該電源的方框圖和電路原理圖如圖14.12 所示。2626圖 14.12 串聯(lián)穩(wěn)壓電路(a) 方框圖； (b) 電路原理圖27272. 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理我們可從Ui和RL兩方面的變化分析穩(wěn)壓的過程。(1) 當(dāng)Ui波動時，電路將引起如下的調(diào)節(jié)過程：對基本共射放大電路，當(dāng)UiIBQQ點上移UC

10、E時，調(diào)整過程如下：反之亦然，使Uo 趨于穩(wěn)定。(2) 當(dāng)負載RL變化時，將引起如下的調(diào)節(jié)過程：同樣使Uo趨于穩(wěn)定。28283. 輸出電壓的調(diào)節(jié)輸出電壓的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓可利用電位器RW來調(diào)節(jié)。當(dāng)RW的滑動端置于最上端時，輸出電壓最低，即 (14.11)5WW532BEZmino)(RRRRRUUU3W532BEZaxmo)(RRRRUUU當(dāng)RW滑動端移到最下端時，輸出電壓最高，即 (14.12)故該穩(wěn)壓電路輸出電壓的范圍為Uo minUo max，且可通過RW連續(xù)調(diào)節(jié)。292914.3.2 集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源集成穩(wěn)壓電源把調(diào)整管、比較放大器、基準(zhǔn)電源等做在一塊硅片內(nèi)，成為集成穩(wěn)壓

11、器件。目前生產(chǎn)的集成穩(wěn)壓器件形式很多，具有體積小、重量輕、使用方便可靠等一系列優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。集成穩(wěn)壓電源有多端可調(diào)式、三端集成穩(wěn)壓器等，現(xiàn)主要介紹三端集成穩(wěn)壓器。三端集成穩(wěn)壓器的三個端子分別是輸入端、穩(wěn)定輸出端和公共接地端。三端集成穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有W7800系列(正電壓輸出)和W7900系列(負電壓輸出)，具體型號后面的兩位數(shù)字代表輸出電壓值，可為5 V、6 V、8 V、12 V、15 V、18 V、24 V等幾個檔次，這兩個系列的產(chǎn)品其輸出的最大電流可達1.5 A。三端固定W7800系列穩(wěn)壓器屬于一種串聯(lián)型穩(wěn)壓器，其應(yīng)用電路有以下三種。30301. 固定輸出電壓電路固定輸出電壓電

12、路圖14.13(a)所示電路是W7800系列作為固定輸出時的典型應(yīng)用電路。為了保證穩(wěn)壓器正常工作，最小輸入輸出電壓差至少為2 V3 V；輸入端的電容Ci一般取0.1 F1 F， 作用是在輸入線較長時抵消其電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩；輸出端的電容Co可以消除電路的高頻噪聲，改善負載瞬態(tài)的響應(yīng)，一般取值為0.1 F。當(dāng)需要負電源時，可采用圖14.13(b)所示的應(yīng)用電路。3131圖 14.13 固定輸出電壓電路(a) W7800系列的典型應(yīng)用； (b) W7900系列的典型應(yīng)用32322. 提高輸出電壓的電路提高輸出電壓的電路目前，三端穩(wěn)壓器的最高輸出電壓是24 V。當(dāng)需要大于24 V的輸出電壓時

13、，可采用圖14.14所示的電路提高輸出電壓。圖中U是三端穩(wěn)壓器的標(biāo)稱輸出電壓；IZ是組件的穩(wěn)態(tài)電流，約為幾毫安；外接電阻R1上的電壓是U；R2接在穩(wěn)壓器公共端“3”和電源公共端之間。按圖示接法的輸出電壓為(14.13)212o1RIRRUUZ12o1RRUU當(dāng)IZ較小時，有(14.14)3333圖 14.14 提高輸出電壓的電路34343. 具有正負電壓輸出的穩(wěn)壓電源具有正負電壓輸出的穩(wěn)壓電源 當(dāng)需要正負電壓同時輸出時，可用一塊W7800正壓單片穩(wěn)壓器和一塊W7900負壓單片穩(wěn)壓器連接成圖14.15所示的電路。這兩塊穩(wěn)壓器有一個公共接地端，并共用整流電路。圖 14.15 具有正負輸出電壓的穩(wěn)壓

14、電源3535【例【例14.2】 試應(yīng)用集成穩(wěn)壓器設(shè)計一個能固定輸出5 V電壓的直流穩(wěn)壓電源。解解 (1) 因所要設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源為固定式輸出式，并且輸出既有正電壓也有負電壓，故可選擇三端固定式集成穩(wěn)壓器(如W7800系列與W7900系列)。通過查閱集成電路手冊可知W7805集成穩(wěn)壓器可輸出+5 V直流電壓，W7905集成穩(wěn)壓器可輸出5 V直流電壓，可以選用。 (2) 集成穩(wěn)壓器W7800系列(正電源)與W7900系列(負電源)的典型應(yīng)用電路如圖14.16所示。3636圖中輸入端電容C3、C4主要用來改善輸入電壓的波紋，一般為零點幾微法，可選為0.33 F。輸出端電容C5、C6用來消除電路中可

15、能存在的高頻噪聲，即改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，可選為0.1 F。 (3) 畫出完整的直流穩(wěn)壓電路原理圖，如圖14.16所示。3737圖 14.16 例14.2電路圖3838W7805的輸入電壓為7 V30 V，W7905的輸入電壓為7V25 V，可以均按輸入電壓大小為12 V設(shè)計。交流輸入電壓U1經(jīng)降壓后為U2，經(jīng)整流和濾波后(濾波電容C1=C2= 2200 F)，分別供給12 V大小的電壓，該電壓是變壓器副邊總電壓平均值的一半，即U2/20.9=12 V，則U2=12 V/0.4526.6 V。由此可選擇變壓器原副邊繞組的匝數(shù)比為U1 U2=220 26.68 1。393914.4 晶閘管及其應(yīng)用

16、晶閘管及其應(yīng)用14.4.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)目前大功率晶閘管的外形結(jié)構(gòu)有螺栓式和平板式兩種。晶閘管的外形和圖形符號如圖14.17所示。晶閘管有三個電極，陽極A、陰極K和門極G，管芯由四層(P1N1P2N2)三端(A、K、G)半導(dǎo)體構(gòu)成，有三個PN結(jié)，即J1、J2、J3。因此，晶閘管可用三個PN結(jié)串聯(lián)來等效，如圖14.18所示；也可以把圖14.18(a)中間層的N1和P2分成兩部分，構(gòu)成一個P1N1P2型和另一個N1P2N2型的晶體管互補電路，其等效電路如圖14.18(c)所示。4040圖14.17 晶閘管的外形和圖形符號(a) 塑封式；(

17、b) 螺栓式；(c) 平板式；(d) 圖形符號4141圖14.18 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(b) PN結(jié)等效電路； (c) 互補晶體管等效電路42422 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理如圖14.19所示。圖14.19 晶閘管的工作原理4343從圖14.19可看出：(1) 晶閘管陽極必須承受正向電壓，這是管子導(dǎo)通的先決條件，因為只有當(dāng)陽極電壓是正向的，互補晶體管才能得到正確接法的工作電源，否則是無法工作的。 (2) 閉合門極開關(guān)S，觸發(fā)電流IG就流入了門極，它相當(dāng)于給N1P2N2型晶體管的基極輸入電流，這是一個強烈的正反饋過程： 這樣可使互補晶體管瞬間達到

18、飽和導(dǎo)通，即晶閘管由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。4444(3) 管子一旦導(dǎo)通后，如斷開S，IG=0，晶閘管仍能繼續(xù)導(dǎo)通，其原因是強烈的正反饋電流已取代了IG的作用。45453. 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是指陽極、陰極電壓uA與陽極電流iA的關(guān)系，如圖14.20所示。圖14.20 晶閘管的伏安特性4646圖14.20中的UR0為反向擊穿電壓，URSM為斷態(tài)反向不重復(fù)峰值電壓，URRM為斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓，UB0為正向轉(zhuǎn)折電壓，UDSM為斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓，UDRM為斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓。 第象限表示了晶閘管的正向伏安特性。當(dāng)IG=0時，由于J2結(jié)處于反向偏置，因此，晶

19、閘管只能流進很小的正向漏電流，此時，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)UA=UB0時，J2結(jié)被擊穿，電流突然上升，晶閘管由阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。使用這種方法使管子導(dǎo)通是不可控的，而且若多次使用這種硬導(dǎo)通方式還會損壞管子。因此，在正常使用時，應(yīng)有適當(dāng)?shù)腎G流入門極，相應(yīng)的正向轉(zhuǎn)折電壓應(yīng)遠小于UB0。4747第象限表示了晶閘管的反向伏安特性。此時，J1和J3結(jié)反偏，晶閘管只能流過很小的反向電流，當(dāng)反向電壓增大到反向擊穿電壓UR0時，J1和J3結(jié)被擊穿，晶閘管反向?qū)ǎ藭r功耗很大，晶閘管可能損壞。484814.4.2 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1 電壓定額電壓定額(1) 正向重復(fù)峰值電壓UDRM

20、和反向重復(fù)峰值電壓URRM，表示當(dāng)門極開路而元件的結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在元件上的正(反)向峰值電壓。(2) 通態(tài)平均電壓UF(或UT(AV)，表示晶閘管導(dǎo)通時管壓降的平均值，一般在0.4 V1.2 V 之間，管壓降愈小，元件功耗愈小。(3) 額定電壓UTN，是指元件的標(biāo)稱電壓，由生產(chǎn)廠家確定。為了防止工作中的晶閘管遭受瞬態(tài)過電壓的侵害，在選用晶閘管的額定電壓時要留有余量，UTN通常取為晶閘管陽極正常峰值電壓UTM的23倍。49492 電流定額電流定額(1) 額定電流IT(AV)，表示晶閘管在規(guī)定的環(huán)境溫度及散熱條件下，允許通過的正弦半波電流的平均值。該值由生產(chǎn)廠家確定，考慮到元件的過載能

21、力較弱，通常選IT(AV)= (1.52)KIDm，IDm為可控整流電路輸出電流平均值的最大值(A)， K為計算系數(shù)。50503 門極定額門極定額 (1) 門極觸發(fā)電壓UGT和電流IGT， IGT表示在室溫下晶閘管施加6 V正向陽極電壓時，元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。對應(yīng)于IGT的門極電壓即為UGT。 (2) 門極反向峰值電壓UGRM，門極所加的反向電壓應(yīng)小于其允許電壓峰值，通常安全電壓為5 V左右。以上參數(shù)中，UTN、UF、IT(AV)三個參數(shù)是選購晶閘管的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。按國家標(biāo)準(zhǔn)，普通晶閘管的型號命名含義如下：515114.4.3 晶閘管整流電路晶閘管整流電路晶閘管整流電路有多種，本節(jié)僅介紹最基本的單相橋式全控整流電路，如圖14.21(a)所示，所接負載為電阻性負載，下面就分析這種情況。5252圖14.21 單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的電路及波形(a) 電路；(b) 波形5353在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。在u2正半周(即a點電位高于b點電位)，若4個晶閘管均不導(dǎo)通，負載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各自承受u2的一半。若