模擬電子技術基礎第10章_直流穩(wěn)壓電源課件

1、第十章 直流穩(wěn)壓電源 引言 直流電源的組成及各部分的作用10.1 整流電路10.2 濾波電路10.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路10.4 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.5 串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路本章主要內(nèi)容第十章 直流穩(wěn)壓電源 交流電變換為直流電的過程引言 直流電源的組成及各部分的作用10.1 整流電路10.1.1 單相半波整流電路10.1.2 單相橋式整流電路10.1.3 倍壓整流電路10.1.1單相半波整流電路電路構成及工作原理 整流電路如圖。設變壓器付邊電壓：2、 輸出電壓的平均值 即 的直流分量 的傅氏分解為：其中的直流分量即為或10.1.1單相半波整流電路3、輸出電流的平均值10.1.1單相半波整流電路4

2、、 輸出電壓的脈動系數(shù)定義為整流輸出電壓的最低次諧波峰值 與輸出電壓的平均值 之比?？梢姲氩ㄕ鬏敵龅幕ǚ逯禐檩敵銎骄档?.57倍，脈動較大。10.1.1單相半波整流電路5、 二極管的平均電流因二極管的電流波形與負載電流相同選擇時，應使為二極管的最大整流電流。6、二極管的最大反向電壓選擇時:為最大反向工作電壓。10.1.1單相半波整流電路1. 電路組成及工作原理10.1.2 單相橋式整流電路2 波形分析 u2O10.1.2單相橋式整流電路3、 輸出電壓和電流10.1.2 單相橋式整流電路二極管選擇時的余量考慮同半波整流4、 脈動系數(shù)由于：v210.1.2 單相橋式整流電路可見半波整流輸出的

3、最低次諧波峰值為輸出平均值0.67倍，脈動較小。5. 橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源6、三相整流v210.1.2 單相橋式整流電路10.1.3 倍壓整流電路 在將交流電變?yōu)橹绷麟姷耐瑫r，在一定的變壓器二次電壓之下，取出高出它若干倍的直流電壓的電路。 基本原理是：利用二極管的單向?qū)щ娦院蛯?電流的導引作用，將較低的直流電壓分別存在多個電容器上，然后將它們按照相同的極性串聯(lián)起來，得到較高的直流輸出電壓。故倍壓整流電路的主要組成元件是二極管和電容器。 10.1.3 倍壓整流電路1. 二倍壓整流電路 時， 導通，理想情況下， 將充電至時， 導通， 將充電至負載上的電壓為C2電容上的電壓，理想情況下為10.

4、1.3 倍壓整流電路2. 多倍壓整流電路 依據(jù)上述原理，若將多個電容串接起來，并安排相應的二 極管分別給其充電，就可得到多倍的直流輸出電壓。常見的幾種濾波電路如圖所示10.2 濾波電路（a）電容濾波電路（b）電感電容濾波電路（倒L型）（c） RC 型濾波電路濾波電路:濾除整流輸出電壓中的紋波（高次諧波）。一般為電抗元件組成的低通濾波。u2tOiOtOuotO10.2.1 電容濾波u2tOiOtOuotO波形如圖。二極管的導通角小于1800 輸出電壓波形t234u2tO輸入電壓C放電C充電D截止D導通O234uouc10.2.1 電容濾波與不含濾波電容的電路相比較，二極管流過電流的時間比不加C時

5、要短。1）當 開路時，電容將被充電到 的最大電壓 且保持不變。此時： 2）當 時，即不接電容時:3）一般取 ， 為交流電源周期 若為全波整流： 若為半波整流：10.2.1 電容濾波輸出電壓波形t234u2tO輸入電壓C放電C充電D截止D導通O234uouc 由于加C 濾波后，D 流過電流的時間縮短，且C 越大，D導通的時間越短。在負載要求電流一定的情況下，對二極管的沖擊越大，故選用二極管時要考慮之。通常選擇通過二極管平均電流為負載電流的1/2： 10.2.1 電容濾波電容濾波時，整流二極管的選擇輸出電壓波形t234u2tO輸入電壓C放電C充電D截止D導通O234uouc開路時，對全波而言:當對

6、半波而言：10.2.1 電容濾波O23tOtuCu2iDiD1iD3iD2iD4IDMuCu2整流二極管的最大反向電壓： 外特性：隨負載變化較大。故：電容濾波電路適用于負載電流比較小或負載基本不變的場合。 UoioO0.9U2C小C大變壓器付邊電流的有效值：無電容濾波時： 有電容濾波時： 10.2.1 電容濾波 1. 濾波 2. 型濾波: 型10.2.2 其他形式的濾波型10.1 整流電路 1. 單相半波整流電路 2. 單相橋式整流電路 3. 倍壓整流電路10.1 濾波電路 1. 電容濾波 2.其他形式的濾波(LC 濾波, 型濾波) 整流濾波電路-小結10.3.1 穩(wěn)壓電路的功能和性能指標 1

7、0.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路10.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1. 功能 使直流輸出電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓的波動和負載的變化而變化，一般級聯(lián)在濾波電路之后。2. 性能指標 穩(wěn)壓電路的輸出是其輸入電壓，負載電流和環(huán)境溫度的函數(shù)。輸出電壓輸出電壓變化量 10.3.1 穩(wěn)壓電路的功能和性能指標 穩(wěn)壓系數(shù)：負載一定時，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量和輸入電壓相對變化量的比值。輸出電阻：穩(wěn)壓電路輸入電壓一定時，輸出電壓和輸出電流的比值。10.3.1 穩(wěn)壓電路的功能和性能指標 其他指標：電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率1. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1) 不變，負載電阻 ， 時 ， ， 穩(wěn)壓原理如下：

8、 使 維持不變（ ），使得 保持不變。2) 不變，電網(wǎng)電壓升高，而使 抵消 的增加，使 保持不變。 10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的等效電路及性能指標： 10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路通常：輸出電阻：2. 電路參數(shù)的選擇 1）穩(wěn)壓電路輸入電壓的選擇2）穩(wěn)壓管的選擇穩(wěn)壓管電壓：穩(wěn)壓管電流：當負載變化時，穩(wěn)壓管的電流也要變化，且其變化量與負載電流變化量相當，選擇時要滿足：10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流：3）限流電阻的選擇 R 的選擇應使電網(wǎng)波動或負載變化時，能始終使DZ 工作在穩(wěn)壓區(qū)，即 。a）當電網(wǎng)電壓最高 ，而負載電流又最小 流過穩(wěn)壓管的電流 最大，此時應使 由此可確定R

9、 的最小值。10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路b）當電網(wǎng)電壓最低 ,而負載電流又最大時 最小, 此時 , 由此可決定R的最大值：則： 上述電路的缺點：1）輸出電壓由穩(wěn)壓管的型號決定，不可隨意調(diào)節(jié)。2）電網(wǎng)或負載變化太大時，電路將不能適應。10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路10.3.1 穩(wěn)壓電路的功能和性能指標 10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 1. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理 2. 電路參數(shù)的選擇10.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路-小結舉例：圖示穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ為6V，最小穩(wěn)定電流IZmin為5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax為40mA；輸入電壓UI為15V，波動范圍為10；限流電阻R為200。（1）電路

10、是否能空載？為什么？（2）求保證輸出電壓穩(wěn)定的負載電流范圍？ 解（1）由于空載時穩(wěn)壓管流過最大電流：（2）根據(jù)：負載電流的最大值：根據(jù)：負載電流的最小值：所以，負載電流的范圍為12.532.5mA。所以電路不能空載。串聯(lián)型：調(diào)整管和負載串聯(lián) 線性串聯(lián)型：調(diào)整管工作在線性放大區(qū) 非線性串聯(lián)型：調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，又稱開關型并聯(lián)型：調(diào)整管和負載并聯(lián)10.4 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 反饋式穩(wěn)壓電路：10.4.1 線性串聯(lián)型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路10.4.3 集成穩(wěn)壓器1. 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成 調(diào)整管的輸入是基準電壓和采樣電壓的差，根據(jù)該差值對

11、輸出電壓進行調(diào)整，同時向負載提供電流. 比較環(huán)節(jié)可以是分立元件電路，差動放大電路或集成運放。 10.4.1 線性串聯(lián)型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理2. 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路IUL)(R或FUOUV1）穩(wěn)壓電路原理：10.4.1 線性串聯(lián)型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理2）輸出電壓的可調(diào)范圍穩(wěn)態(tài)時10.4.1 線性串聯(lián)型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理3）調(diào)整管的選擇由于：選擇條件：10.4.1 線性串聯(lián)型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理 穩(wěn)壓電路中的基準電壓直接影響穩(wěn)壓電路的性能。要求基準電壓源的輸出電阻小，溫度穩(wěn)定性好。常用一種能隙基準電壓源電路，如圖，主要由微電流源和溫度補償電路組成

12、。1穩(wěn)壓電路中的基準電壓微電流源溫度補償電路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路由于： 由微電流源電路提供，其值為：代入上式，得： 合理地選擇 和 的值即可用具有正溫度系數(shù)的電壓 補償具有負溫度系數(shù)的電壓 ，使參考電壓穩(wěn)定。 10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+合理選擇電阻參數(shù)，使后兩項對溫度的變化互相抵消，使得基準電壓的溫度系數(shù)為零，其值為：其中 為硅的禁帶寬度，Vg0為硅材料在0K時禁帶寬度(能帶間隙)的電壓值。故上述電路稱為能隙基準電壓源電路。1

13、0.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+集成穩(wěn)壓器內(nèi)部含有各種保護電路，如過流保護、斷路保護、調(diào)整管安全工作區(qū)保護等。由于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管是核心器件，流過它的電流近似等于負載電流，且電網(wǎng)電壓波動或輸出電壓調(diào)整時，管壓降也將產(chǎn)生相應的變化，所以各種保護電路主要是圍繞調(diào)整管的保護進行的?；鶞虱h(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)+R+AUBUREFUIRLTDZRWR2R1UF+UO10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路2. 穩(wěn)壓電路中的保護電路 對保護電路的要求是：穩(wěn)壓電路正常時，保護電路不工作。一旦發(fā)生過載或短路，保護電

14、路立即動作，限制輸出電流的大小或使輸出電流下降為0，以保護調(diào)整管。過電流保護電路過電流保護能夠在穩(wěn)壓器輸出電流超過額定值時，限制調(diào)整管的電流在某一數(shù)值之內(nèi)或使之迅速減小，從而保護調(diào)整管不會因電流過大而燒毀。在過流時，使調(diào)整管發(fā)射極電流限制在某一數(shù)值的電路，稱為限流型過流保護電路；在過流時，使調(diào)整管發(fā)射極電流迅速減小的電路，稱為截流型過流保護電路。10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路基準環(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)+R+AUBUREFUIRLTDZRWR2R1UF+UO如圖為限流型過流保護電路，T1為調(diào)整管，T2 和R 構成保護電路，R為取樣電阻，其上電流近似等于輸出電流I0。(1

15、) 當IO較小時，電路正常， , T2截止，電路正常工作。(2) 當Io增大, ， T2導通。負載的一部分電流被IB2分流，限制了IC1的增大。保護電路R+-UORL+T1IB1T2IC2URUBIO比較放大環(huán)節(jié)I+UI10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路a) 限流型過流保護電路正常工作區(qū)OUOIOIOmax過流區(qū)限流型過流保護電路的外特性如圖 保護電路R+-UORL+T1IB1T2IC2URUBIO比較放大環(huán)節(jié)I+UI10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路若在保護電路工作期間，調(diào)整管能夠工作在接近截止狀 態(tài)，就能降低調(diào)整管對功率的要求，這種電路稱為“截流型”保護電路，如圖。

16、 10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路b) 截流型保護電路保護電路由R1、R2、R和T1 構成電路正常工作時， ， 截止保護電路對穩(wěn)壓電路沒有影響。當 時， ， 導通，產(chǎn)生 ，使上圖中當 , 一直進行到 進入飽和，T 進入截止。此時 為0 ， 減小到某一 ，特性如圖，形成折返式限流特性。10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路 集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路有三個引出端，分別為輸入端、輸出端和公共端，故稱為三端集成穩(wěn)壓器，如圖。321按輸出電壓是否可調(diào)分為 固定式三端穩(wěn)壓器 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路主要由以下三部分組成 (1) 串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路

17、(2) 高精度基準電壓電路 (3) 過流、過熱保護等電路1 固定式集成三端穩(wěn)壓器 a. W78（輸出正電壓）系列 b. W79（輸出負電壓）系列 其中： 輸出電壓的標稱值輸出電壓種類：5V、6V、9V、12V、15V和24V等輸出電流：1.5 A，0.5A和0.1A三種W78123W79 123穩(wěn)壓器電路符號如圖78系列：1：輸入端，2：公共端，3：輸出端79系列：1：公共端，2：輸入端，3：輸出端10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路基準電壓電路啟動電路過熱保護調(diào)整電路取樣電路比較放大恒流源減流保護2可調(diào)式三端穩(wěn)壓器 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓電源的三個端子分別為：輸入端、輸出端和調(diào)整端。主要型號10.4.3

18、 集成穩(wěn)壓器電路UI+UOC10.33F0.1F100FW78 +132C3C2UI+UOC10.33F0.1F100FW79+132C3C279系列 78系列各電容器的作用C1 防止自激振蕩C2 減小高頻干擾C3 減小輸出紋波和低 頻干擾3. 固定式三端穩(wěn)壓器的應用電路a. 輸出單一電壓的電路10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路+UOC10.33F0.1F100FW78132C3C2+UOC10.33F0.1F100FW79132C3C2+1000FCb. 輸出正、負電壓的穩(wěn)壓電路10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路UI+UOC1W78+132C2R2R1+IQc . 提高輸出電壓的電路 忽略公共端電流IQ

19、10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路d. 擴大輸出電流的電路 UI+UOC1W78+132C2R1T由于：圖中：若 =10， R1=0.5 , |UBE|=0.3V, 則：10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路則：4. 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器應用舉例：W317的應用電路如圖輸出端2和調(diào)整端1之間的電壓穩(wěn)定，為1.25V，加電阻調(diào)壓電路后：10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路4.可調(diào)式三端穩(wěn)壓器應用舉例：輸出正、負可調(diào)電壓的應用電路如圖。10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路10.4 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路-小結10.4.1 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理10.4.2 集成穩(wěn)壓器中的基準電壓和保護電路10.4.3 集成穩(wěn)壓器電路10.5

20、 串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路10.5.1 問題的提出 前述電路中，調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，并與負載串聯(lián)通過負載電流。由于輸入電壓和負載電流的波動，調(diào)整管兩端的電壓 不能太小，一般有38V，因此調(diào)整管的集電極損耗（ ）相當大，使用時常需配置散熱裝置。 為此，可使調(diào)整管工作在飽和/截止兩種開關狀態(tài)，飽和時 很小，截止時， 也很小，使調(diào)整管的管耗減小，效率提高，形成開關式穩(wěn)壓電源。10.5.2 串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電路工作原理 圖中 為濾波輸出 ，T 為串聯(lián)調(diào)整管，T 的 是比較器的輸出，用 控制T 的通斷，將 變成矩形波 ，經(jīng)LC濾波輸出平滑的電壓。10.5 串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路當 時， 為高，T 導通。 經(jīng)T 加到D 的兩端，若忽略T 的飽和壓降，則 此時D 反向截止，負載中有電流 ，電感L 儲有能量，同時C 充電，輸出電流增加，電壓略有上升，如圖。10.5.2 串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電路工作原理 當 時， 為低電平，T截止，L產(chǎn)生感應電勢 （方向如圖），使D導通， 通過D向負載放電，使 中繼續(xù)有電流（D為續(xù)流二極管），此時 電流逐漸下降，電壓也有降落?？梢?，盡管調(diào)整管處于開關工作狀態(tài)，但由于D的續(xù)流作用和L、C的濾波作用，輸出電壓是比較平穩(wěn)的. 1）設輸出為某一希望