項(xiàng)目8 直流穩(wěn)壓電源的分析及應(yīng)用

項(xiàng)目8直流穩(wěn)壓電源的分析及應(yīng)用8.1任務(wù)1整流與濾波電路分析各種電子設(shè)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(gè)轉(zhuǎn)換電路把交流電壓變成比較穩(wěn)定的直流電壓，能實(shí)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(dòng)的直流電；濾波電路再將單方向脈動(dòng)的直流電中所含的大部分交流成分濾掉，得到一個(gè)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(dòng)、負(fù)載改變對(duì)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(fù)載電阻組成。2.參數(shù)計(jì)算1）輸出電壓的平均值UO輸出電壓的平均值UO

是指一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)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(dāng)二極管反向截止時(shí)，電壓u2負(fù)半周將全部加在二極管兩端，且為反向電壓。因此，這時(shí)二極管承受的反向峰值電壓URM就是變壓器二次側(cè)電壓的最大值，即3.二極管的選擇選擇二極管一般應(yīng)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(gè)同型號(hào)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(jì)算方便，把二極管作為理想元件，即正向?qū)娮铻榱悖聪蚪刂闺娮铻闊o窮大，圖8-2（b）是橋式整流電路的簡化畫法。當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓設(shè)u2=為正半周期（即上正下負(fù)）時(shí)，二極管VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流的通路為u2+→VD1→RL→VD3→u2﹣，這時(shí)負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)正弦半波電壓。2．參數(shù)計(jì)算（1）整流電壓平均值UO

從上面分析得知，橋式整流中負(fù)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(fù)載電流平均值流過負(fù)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(dǎo)通，分別與負(fù)載串聯(lián)，因此流過每個(gè)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(shí)，VD1、VD3導(dǎo)通，這時(shí)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(dòng)的直流電壓，其中含有較大的脈動(dòng)成分。當(dāng)負(fù)載需要脈動(dòng)很小的比較平滑的直流電壓時(shí)，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(dòng)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(fù)載之間并聯(lián)了一個(gè)大容量的電容。在工程實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)滿足RLC≥（3～5）T/2時(shí)，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(diǎn)是外電路特性較差，負(fù)載電流不能過大，否則會(huì)影響濾波效果，所以電容濾波適用于負(fù)載變動(dòng)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(fù)載電流變化使之趨于平緩的作用。在電路中，當(dāng)負(fù)載電流io增加時(shí)，自感電動(dòng)勢將阻礙電流增加，同時(shí)把一部分能量存儲(chǔ)于線圈的磁場中；當(dāng)電流減小時(shí)，反電動(dòng)勢將阻止電流的減小，同時(shí)把存儲(chǔ)的能量釋放出來，從而使輸出電壓和電流的脈動(dòng)成分減少，達(dá)到濾波的目的。3.復(fù)式濾波電路復(fù)式濾波電路是將電容濾波與電感濾波組合，可進(jìn)一步減少脈動(dòng)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(xùn)練1橋式整流濾波仿真實(shí)驗(yàn)1.訓(xùn)練目的①學(xué)會(huì)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(duì)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(guān)，激活電路，雙擊示波器圖標(biāo)，彈出示波器XSC1面板，設(shè)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(biāo)，彈出萬用表面板，設(shè)置為電壓表，面板顯示數(shù)字為負(fù)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(guān)，激活電路，雙擊示波器圖標(biāo)，彈出示波器XSC1面板，設(shè)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(biāo)，彈出萬用表面板，設(shè)置為電壓表，面板顯示數(shù)字為負(fù)載兩端電壓，如圖8-13所示。3.實(shí)驗(yàn)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(shí)應(yīng)切斷電源，嚴(yán)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(shí)應(yīng)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(wù)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(dǎo)體二極管，發(fā)生低壓擊穿時(shí)，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(huì)損壞。2穩(wěn)壓電路的工作原理對(duì)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(dòng)及負(fù)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(fù)載電流變化假設(shè)交流電源電壓不變，負(fù)載電阻RL減小，則負(fù)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(dāng)UO稍有下降時(shí)，穩(wěn)壓二極管的電流IZ就會(huì)顯著減小，結(jié)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(dòng)假設(shè)負(fù)載電阻RL不變，交流電源電壓u增加時(shí)，則負(fù)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(dāng)UO稍有增加時(shí)，穩(wěn)壓二極管的電流IZ就會(huì)顯著增加，結(jié)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(diào)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(shí)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(fù)載電阻變化范圍內(nèi)，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(zhǔn)電壓環(huán)節(jié)、比較放大環(huán)節(jié)及調(diào)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(gòu)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(zhǔn)電壓Uz比較，調(diào)節(jié)電位器Rp滑動(dòng)端的位置則可改變的大小。2）基準(zhǔn)電壓環(huán)節(jié)基準(zhǔn)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(zhǔn)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(gòu)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(zhǔn)電壓Uz之差，這個(gè)電壓差值經(jīng)放大后去控制調(diào)整管VT1。R1既是調(diào)整管VTl的基極偏置電阻，又是VT2的集電極負(fù)載電阻。4）調(diào)整環(huán)節(jié)調(diào)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(hào)的控制，Ib1的變化將使其VT1管的壓降UCE1作相應(yīng)的變化，從而使輸出電壓UO接近變化前的數(shù)值。由于調(diào)整管VT1和負(fù)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(dāng)輸入電壓U1或負(fù)載電阻RL增大引起輸出電壓UO增加時(shí)，取樣電壓相應(yīng)增加，與固定不變的基準(zhǔn)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(diào)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(dòng)調(diào)整過程如下:3.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍由圖8-16所示電路可知，改變電位器RP滑動(dòng)端的位置，輸出電壓UO可以在一定范圍內(nèi)變化。其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍確定如下：當(dāng)RP的滑動(dòng)端移到最上端時(shí)，則取樣電壓為8.2.3集成穩(wěn)壓電路隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集成穩(wěn)壓電源的應(yīng)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)電路及各種保護(hù)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(diào)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(fù)穩(wěn)壓兩個(gè)系列。W7800系列的型號(hào)有7802、7808、7812、7815、7818和7824，型號(hào)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(shí)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(dòng)．并改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。（2）輸出負(fù)電壓：采用W79××集成穩(wěn)壓器，按圖8-19接線，即可得到負(fù)的輸出電壓。（3）輸出正、負(fù)電壓，在同時(shí)需要穩(wěn)定的正、負(fù)直流輸出電壓的場合，可同時(shí)選用W78××和W79××集成穩(wěn)壓器，然后按圖8-20接線。2．三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器有正電壓穩(wěn)壓器W317（117、217）系列和負(fù)電壓穩(wěn)壓器W337（137、237）系列。外形如圖8-22a所示。三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器的輸出電壓1.25～37V，輸出電流可達(dá)1.5A。使用這種穩(wěn)壓器非常方便，只要在輸出端接兩個(gè)電阻，就可得到所要求的輸出電壓值，它的應(yīng)用電路如圖8-22b所示，是可調(diào)輸出穩(wěn)壓源標(biāo)準(zhǔn)電路。采用W317集成穩(wěn)壓器組成的輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源如圖8-23所示。它的三個(gè)端子除了輸入端和輸出端以外，第三個(gè)端子不是公共端（接地端），而是電壓調(diào)整端，通過調(diào)整端外接電阻Rl和電位器Rp組成調(diào)壓電路，只需調(diào)節(jié)電位器Rp就能使輸出電壓在1.2~37V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。操作訓(xùn)練2直流穩(wěn)壓電路性能測試1.訓(xùn)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(dòng)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)，