項目8 直流穩(wěn)壓電源的分析及應用

項目8直流穩(wěn)壓電源的分析及應用8.1任務1整流與濾波電路分析各種電子設備和裝置中，都需要直流電源來供電，而電網(wǎng)能提供的電源卻是交流的，這就需要有一個轉換電路把交流電壓變成比較穩(wěn)定的直流電壓，能實現(xiàn)這種功能的電路就叫直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源一般是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成的，電源變壓器將較高的交流電網(wǎng)電壓變換為較低的適用的交流電壓；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、負載改變對其產(chǎn)生的影響，從而使輸出電壓穩(wěn)定。8.1.1單相半波整流電路1．電路組成與工作原理圖8-1所示電路為單相半波整流電路。圖中電路由電源變壓器、整流二極管和負載電阻組成。2.參數(shù)計算1）輸出電壓的平均值UO輸出電壓的平均值UO

是指一個周期內脈動電壓的平均值，其式為4）二極管承受的最大反向電壓URM在半波整流電路中，當二極管反向截止時，電壓u2負半周將全部加在二極管兩端，且為反向電壓。因此，這時二極管承受的反向峰值電壓URM就是變壓器二次側電壓的最大值，即3.二極管的選擇選擇二極管一般應根據(jù)整流電路中通過二極管的電流平均值ID和所承受的最高反向電壓URM來選擇，即必須滿足條件8.1.2單相橋式整流電路1.電路組成及工作原理單相橋式整流電路由變壓器和四個同型號的二極管組成，二極管接成電橋形式故稱橋式整流，如圖8-2所示。為計算方便，把二極管作為理想元件，即正向導通電阻為零，反向截止電阻為無窮大，圖8-2（b）是橋式整流電路的簡化畫法。當變壓器二次側電壓設u2=為正半周期（即上正下負）時，二極管VD1和VD3導通，VD2和VD4截止，電流的通路為u2+→VD1→RL→VD3→u2﹣，這時負載電阻RL上得到一個正弦半波電壓。2．參數(shù)計算（1）整流電壓平均值UO

從上面分析得知，橋式整流中負載所獲得的直流電壓比半波電路提高了一倍，即UO=2×0.45U2=0.9U

（8-5）上式表示了橋式整流電路的直流分量是交流電壓有效值的0.9倍。（2）負載電流平均值流過負載上的電流平均值為（3）二極管的正向平均電流在橋式整流電路中，二極管VD1、VD3和VD2、VD4輪流導通，分別與負載串聯(lián)，因此流過每個二極管的平均電流為IO的一半，即（4）二極管承受的最大反向電壓URM二極管承受的最大反向電壓URM

從圖中可以看出，在u2的正半周時，VD1、VD3導通，這時u2直接加在VD1、VD3上，因此VD2、VD4所承受的最大反向電壓URM為u2的峰值，即8.1.3濾波電路整流電路的輸出電壓是單向脈動的直流電壓，其中含有較大的脈動成分。當負載需要脈動很小的比較平滑的直流電壓時，就必須在整流電路之后再加濾波電路，以減少輸出電壓中的脈動成分。1.電容濾波電路電容濾波電路如圖8-4所示，它在整流電路輸出端與負載之間并聯(lián)了一個大容量的電容。在工程實際應用中，當滿足RLC≥（3～5）T/2時，可按下式估算帶電容濾波器的橋式整流電路的輸出直流電壓UO=1.2U2電容濾波電路簡單，濾波效果較好，缺點是外電路特性較差，負載電流不能過大，否則會影響濾波效果，所以電容濾波適用于負載變動不大、電流較小的場合。2.電感濾波電路電感濾波電路如圖8-6所示，電感L起著阻止負載電流變化使之趨于平緩的作用。在電路中，當負載電流io增加時，自感電動勢將阻礙電流增加，同時把一部分能量存儲于線圈的磁場中；當電流減小時，反電動勢將阻止電流的減小，同時把存儲的能量釋放出來，從而使輸出電壓和電流的脈動成分減少，達到濾波的目的。3.復式濾波電路復式濾波電路是將電容濾波與電感濾波組合，可進一步減少脈動成分，提高濾波效果。常用的有LC濾波器、π型LC濾波器、π型RC濾波器等，如圖8-7所示。操作訓練1橋式整流濾波仿真實驗1.訓練目的①學會橋式整流電路輸出電壓值和輸入交流電壓值的仿真測試。

②測試濾波電容接與不接對輸出電壓波形的影響，了解濾波電容的作用。2.仿真測試1）橋式整電路測試（1）搭建圖8-8所示的橋式整流仿真電路。（2）單擊仿真開關，激活電路，雙擊示波器圖標，彈出示波器XSC1面板，設置面板參數(shù)，觀察屏幕上的波形，如圖8-9所示。（3）雙擊萬用表圖標，彈出萬用表面板，設置為電壓表，面板顯示數(shù)字為負載兩端電壓，如圖8-10所示。2）橋式整流電容濾波電路測試（1）測試電路，在圖8-8橋式整流電路上，添加濾波電容C1，形成橋式整流電容濾波電路，如圖8-11所示。（2）單擊仿真開關，激活電路，雙擊示波器圖標，彈出示波器XSC1面板，設置面板參數(shù)，觀察屏幕上的波形，如圖8-12所示。（3）雙擊萬用表圖標，彈出萬用表面板，設置為電壓表，面板顯示數(shù)字為負載兩端電壓，如圖8-13所示。3.實驗測試（1）橋式整電路測試參照仿真電路圖8-8連接電路，注意連接電路時應切斷電源，嚴禁將二極管的極性接反或短路，電路檢查無誤后方可再次通電測試。（2）橋式整流電容濾波電路測試參照仿真電路圖8-11連接電路，注意連接電路時應切斷電源，整流二極管和濾波電容的極性不得接反。電路檢查無誤后方可再次通電測試。8.2任務2穩(wěn)壓電路分析8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1.電路組成穩(wěn)壓管是利用二極管的反向擊穿特性，并用特殊工藝制造的面接觸型硅半導體二極管，發(fā)生低壓擊穿時，由于工藝上的特殊處理，只要反向電流小于它的最大允許值，管子僅發(fā)生電擊穿而不會損壞。2穩(wěn)壓電路的工作原理對于直流電源而言，引起輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因是交流電源電壓的波動及負載電流的變化。為此，需分別從以下兩種情況分析穩(wěn)壓原理。（1）負載電流變化假設交流電源電壓不變，負載電阻RL減小，則負載電阻RL上的端電壓UO下降，由穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線8-15可知，當UO稍有下降時，穩(wěn)壓二極管的電流IZ就會顯著減小，結果通過限流電阻R的電流IR減小，則R上的壓降UR減少，從而使已經(jīng)降低的UO回升，使UO基本保持不變。這一穩(wěn)壓過程可表示為：RL↓→UO↓→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑。（2）交流電源電壓波動假設負載電阻RL不變，交流電源電壓u增加時，則負載電阻RL上的端電壓UO增加，由穩(wěn)壓二極管的伏安特性可知，當UO稍有增加時，穩(wěn)壓二極管的電流IZ就會顯著增加，結果通過限流電阻R的電流IR增加，則R上的壓降UR增加，從而使已經(jīng)增加的UO降低，使UO基本保持不變。這一穩(wěn)壓過程可表示為：u↑→UO↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓。由此可見，硅穩(wěn)壓管電路利用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性可以使輸出電壓保持穩(wěn)定。電阻R在穩(wěn)壓電路中起到了限流和調節(jié)的雙重作用。3.限流電阻的選擇由圖8-14可看出，所需穩(wěn)定的輸出電壓Uo實際上就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz，因此，要使輸出電壓Uo穩(wěn)定不變，則必須確保在容許的輸入電壓和負載電阻變化范圍內，穩(wěn)壓管的工作電流IZ滿足：IZmin＜IZ＜IZmax可得到R的范圍為8.2.2串聯(lián)穩(wěn)壓電路1．電路組成串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路如圖8-16所示，它由取樣環(huán)節(jié)、基準電壓環(huán)節(jié)、比較放大環(huán)節(jié)及調整環(huán)節(jié)四部分組成。1）取樣環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)由R3、R4、Rp組成的分壓電路構成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分送至比較放大環(huán)節(jié)與基準電壓Uz比較，調節(jié)電位器Rp滑動端的位置則可改變的大小。2）基準電壓環(huán)節(jié)基準電壓環(huán)節(jié)由穩(wěn)壓管Uz和限流電阻R2組成。它提供穩(wěn)定的基準電壓Uz，使VT2的發(fā)射極電位固定不變。3）比較放大環(huán)節(jié)晶體管VT2和電阻R1組成的直流放大電路構成比較放大環(huán)節(jié)。晶體管VT2的基—射極電壓UBE2是取樣電壓與基準電壓Uz之差，這個電壓差值經(jīng)放大后去控制調整管VT1。R1既是調整管VTl的基極偏置電阻，又是VT2的集電極負載電阻。4）調整環(huán)節(jié)調整環(huán)節(jié)由工作在線性放大區(qū)的功率管VT1組成。它的基極電流Ib1受比較放大電路輸出信號的控制，Ib1的變化將使其VT1管的壓降UCE1作相應的變化，從而使輸出電壓UO接近變化前的數(shù)值。由于調整管VT1和負載RL是串聯(lián)的，所以這種電路被稱為串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。2．工作原理當輸入電壓U1或負載電阻RL增大引起輸出電壓UO增加時，取樣電壓相應增加，與固定不變的基準電壓Uz比較后，使VT2的基—射極電壓UBE2增大，基極電流IB2增大，集電極電流IC2上升，集—射極電壓UCE2下降，于是調整管VT1的UBE1降低，則IB1、IC1隨之下降，而管壓降UCE1升高，下降，最終使UO保持基本不變。電路自動調整過程如下:3.輸出電壓的調節(jié)范圍由圖8-16所示電路可知，改變電位器RP滑動端的位置，輸出電壓UO可以在一定范圍內變化。其輸出電壓的調節(jié)范圍確定如下：當RP的滑動端移到最上端時，則取樣電壓為8.2.3集成穩(wěn)壓電路隨著集成技術的發(fā)展，集成穩(wěn)壓電源的應用越來越廣泛。集成穩(wěn)壓電源或稱為集成穩(wěn)壓器）是把穩(wěn)壓電路中的大部分元件或全部元件制作在一片硅片上，變成單片式穩(wěn)壓器。它具有體積小、重量輕、可靠性高、溫度特性好、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點。目前，大多數(shù)集成穩(wěn)壓電路都是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其框圖如圖8-17所示，除基本的穩(wěn)壓電路外，還包含有啟動電路及各種保護電路。所謂三端是指電壓輸入、電壓輸出和公共接地三端。三端集成穩(wěn)壓器分為固定輸出和可調輸出兩種不同的類型。固定式三端集成穩(wěn)壓器可分為W7800正穩(wěn)壓和W7900負穩(wěn)壓兩個系列。W7800系列的型號有7802、7808、7812、7815、7818和7824，型號的最后兩位數(shù)字表示輸出電壓值。其額定電流以78（79）后面的字母來區(qū)分。L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A。如CW7805表示穩(wěn)定電壓為5V、額定輸出電流為1.5A。1．固定式三端穩(wěn)壓器1）輸出國定電壓時的電路（1）輸出正電壓；采用W78××集成穩(wěn)壓器組成輸出正電壓的電路，如圖8-18所示。圖中的電容器C2和C2用來減少輸入和輸出電壓的脈動．并改善負載的瞬態(tài)響應。（2）輸出負電壓：采用W79××集成穩(wěn)壓器，按圖8-19接線，即可得到負的輸出電壓。（3）輸出正、負電壓，在同時需要穩(wěn)定的正、負直流輸出電壓的場合，可同時選用W78××和W79××集成穩(wěn)壓器，然后按圖8-20接線。2．三端可調集成穩(wěn)壓器三端可調集成穩(wěn)壓器有正電壓穩(wěn)壓器W317（117、217）系列和負電壓穩(wěn)壓器W337（137、237）系列。外形如圖8-22a所示。三端可調集成穩(wěn)壓器的輸出電壓1.25～37V，輸出電流可達1.5A。使用這種穩(wěn)壓器非常方便，只要在輸出端接兩個電阻，就可得到所要求的輸出電壓值，它的應用電路如圖8-22b所示，是可調輸出穩(wěn)壓源標準電路。采用W317集成穩(wěn)壓器組成的輸出電壓連續(xù)可調的穩(wěn)壓電源如圖8-23所示。它的三個端子除了輸入端和輸出端以外，第三個端子不是公共端（接地端），而是電壓調整端，通過調整端外接電阻Rl和電位器Rp組成調壓電路，只需調節(jié)電位器Rp就能使輸出電壓在1.2~37V范圍內連續(xù)可調。操作訓練2直流穩(wěn)壓電路性能測試1.訓練目的1）研究穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓電路中的作用。2）掌握穩(wěn)壓管電路的測試方法。2.仿真測試1）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（1）創(chuàng)建測試電路啟動Multisim10仿真軟件，創(chuàng)建圖8-24所示電路，按圖中所示選擇元器件參數(shù)，