穩(wěn)壓電源4課件

第9章直流穩(wěn)壓電源1本章基本要求掌握直流穩(wěn)壓電源的電路組成和工作原理(包括單相半波整流、濾波、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路)；熟悉集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用；了解開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電路及其工作原理等。29.1概述穩(wěn)定電源的分類穩(wěn)定電源交流穩(wěn)定電源直流穩(wěn)定電源交流穩(wěn)壓電源化學(xué)穩(wěn)壓源直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)流電源交流穩(wěn)流電源線性穩(wěn)壓源開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓源直流電源簡(jiǎn)介39.2直流穩(wěn)壓電源的電路組成及工作原理

9.2.1直流穩(wěn)壓電源的組成

＋12V－市電220V59.2.2單相整流電路

9.2.2.1單相半波整流電路

整流二極管電源變壓器負(fù)載6單相電源變壓器線圈鐵芯9.2.2.1單相半波整流電路7

負(fù)載上得到的是單向脈動(dòng)電壓，其大小仍然在不斷變化，其平均值為

(9-1)流過(guò)負(fù)載電阻電流的平均值為

(9-2)

單向半波整流電路中，二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓就是(9-3)99.2.2.2單相全波整流電路10由圖可知二極管所承受的最大反向電壓二極管承受的反向電壓119.2.2.3單相橋式整流電路

1．單相橋式整流電路

1)電路組成常用的單相橋式整流電路如圖9-3a所示。

13橋式整流硅堆：將四個(gè)二極管按橋式整流電路的方式連接好封裝在一起，只留四個(gè)引腳。市面上有售的如QL62A，其額定電流為2A，最大反向電壓為25V～1000V。橋式整流電路還有其它多種畫(huà)法142)工作原理分析的前提性能理想的二極管D1~D4(a)(b)理想變壓器u2ωt022Uu2

正半周時(shí)15u2負(fù)半周時(shí)u2ωt022U17二極管D2、D4電流二極管D2、D4承受的反向電壓電壓u2為負(fù)半周時(shí)D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU18工作原理小結(jié)u2為正半周：D1D2D3D4RLuou2u1IoabaD1RLD3bD2D4截止tuou2為負(fù)半周：bD2RLD4aD1D3截止192．橋式整流電路的性能分析

（1）輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)的平均值直流電流為

（2）脈動(dòng)系數(shù)S

最低次諧波幅值與輸出電壓平均值之比定義為脈動(dòng)系數(shù)

（3）流過(guò)二極管的正向平均電流

==uot0其輸出電壓波形與單相全波整流相同21（4）二極管承受的最大反向電壓二極管在截止時(shí)管子承受的最大反向電壓(9-8)（5）輸出電壓紋波因數(shù)

Uor——輸出電壓中各次諧波電壓有效值的總和Uo——輸出電壓的平均值對(duì)于橋式整流電路22例題例8-1如圖9-3a所示單相橋式整流電路，電網(wǎng)交流電壓220V，負(fù)載RL=50Ω，要求輸出Uo=100V，試求變壓器的變比，并選擇整流二極管。解：本題的思路是根據(jù)選擇2CZ12D（3A，300V）二極管4只或選擇2CZ12E（3A，400V）二極管4只據(jù)此選擇二極管23

濾波電路的作用是濾除整流電壓中的高頻分量。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及有源濾波等。

整流輸出盡管已經(jīng)成為直流電壓，但脈動(dòng)太大，輸出中的高頻分量較多。全波和橋式整流輸出電壓可表示為：9.3濾波電路259.3.1電容濾波

濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及有源濾波。

濾波電容uot026濾波原理

(1)當(dāng)C=0，外接RL時(shí)當(dāng)C=0(無(wú)濾波電容)時(shí)輸入電壓輸出電壓波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U輸出電壓輸出電壓平均值27輸出電壓輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U二極管導(dǎo)通時(shí)電容器充電，充電時(shí)間常數(shù)uo=ucu2(3)當(dāng)C≠0、RL≠∞時(shí)29當(dāng)C充電到最高點(diǎn)時(shí)C將通過(guò)RL開(kāi)始放電。二極管D1、D3將截止，輸入電壓π2π3π4πu2ωt022UC充電到最高點(diǎn)π02π3π4πωtuouc,22UC開(kāi)始放電30輸出電壓波形C充電C放電D截止D導(dǎo)通濾波器輸入電壓波形電流流通角電流波形312)當(dāng)C＝0，即無(wú)電容濾波但有負(fù)載的情況3)正常情況下1)當(dāng)R＝∞，即負(fù)載開(kāi)路情況下電容濾波小結(jié)32性能參數(shù)的工程估算

1)電容濾波電路的外特性C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.當(dāng)io一定時(shí)，C越小，Uo(AV)越小，紋波越大。b.當(dāng)C一定時(shí)，io越大,Uo(AV)越小。外特性特點(diǎn)電容濾波電路適用于負(fù)載電流比較小或負(fù)載基本不變的場(chǎng)合。332)輸出直流電壓

若≥LCR=t2)5~(3T一般取2O(AV)2.1UU?3)輸出電流平均值=344)整流二極管的平均電流(b)二極管導(dǎo)通時(shí)，有沖擊電流；其特點(diǎn)：(a)比無(wú)濾波電容時(shí)的平均電流大；二極管的平均電流放電時(shí)間常數(shù)越大，θ越小，沖擊電流越大。(c)沖擊電流與二極管的導(dǎo)通角θ(θ<)有關(guān)。(9-11)5)整流二極管的最高反向電壓35例8-3整流濾波電路如圖，負(fù)載RL=5kΩ，開(kāi)關(guān)a閉合、b斷開(kāi)時(shí)，直流電壓表的讀數(shù)為140V，求：VabVARL+1.a閉合,b斷開(kāi),求的讀數(shù)。A2.a斷開(kāi),b閉合,求的讀數(shù)。A3.ab均閉合，求的讀數(shù)。A解：最初相當(dāng)于RL開(kāi)路，A=?0A1.2.相當(dāng)于整流電路A=?18mA3.相當(dāng)于濾波電路A=?24mA36表9-3幾種整流電路帶電容濾波時(shí)的特性

379.3.2電感濾波電路

忽略電感器L的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的平均電壓和純電阻(不加電感)負(fù)載相同，即=0.9(9-12)

389.3.3復(fù)式濾波器

399.4穩(wěn)壓電路

9.4.1并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

40穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路在負(fù)載變化不大的場(chǎng)合，穩(wěn)壓管常用來(lái)做穩(wěn)壓電源，由于負(fù)載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實(shí)際工作時(shí)要和電阻相配合使用，其電路如圖2-18所示選擇穩(wěn)壓管一般取UZ＝Uo

IZM＝(1.5~3)Iom

UI=(2~3)Uo

41可得電阻R的取值范圍為

當(dāng)負(fù)載電阻RL和輸入電壓UI一定時(shí)，電阻R的選擇是根據(jù)穩(wěn)壓管的電流不超過(guò)正常工作范圍來(lái)選的。穩(wěn)壓管的電流是在IZmin<IZ<IZM之間，42UI↑→Uo（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑

Uo↓

穩(wěn)壓原理如下：當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓UI波動(dòng)使得輸出電壓Uo升高，其調(diào)節(jié)過(guò)程為：若輸入電壓UI不變，負(fù)載發(fā)生變化，如RL增大，其調(diào)節(jié)過(guò)程為：RL↓→Uo（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓

Uo↑

43

例2-3如圖2-18所示電路中，UI＝12V，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ＝6V，穩(wěn)定電流IZ＝10mA，電阻R＝100Ω，RL＝150Ω。(1)求Uo、IR和穩(wěn)壓管實(shí)際工作電流IZ；(2)若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IZM=50mA，試問(wèn)UI允許波動(dòng)的范圍是多少？(3)若UI=12V，UZ=6V,穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流IZ＝10mA，最大穩(wěn)定電流IZM=50mA，問(wèn)負(fù)載電阻RL允許變化的范圍是多少？解：（1）由電路可知?jiǎng)t穩(wěn)壓管的實(shí)際工作電流為44

（2）若穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IZM=50mA，而穩(wěn)定電流為IZ=10mA則將兩個(gè)電流代入上式得45469.4.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路

9.4.2.1穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)

（1）輸入調(diào)整率和穩(wěn)壓系數(shù)輸入調(diào)整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是指在負(fù)載和溫度不變的條件下，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響(9-14)工程常用穩(wěn)壓系數(shù)表示直流穩(wěn)壓電源的性能

(9-15)47(2)負(fù)載調(diào)整特性

負(fù)載調(diào)整特性定義為輸出電壓的相對(duì)變化量與輸出電流變化量的比。

(9-16)(3)輸出電阻

(9-17)(4)溫度系數(shù)

(9-18)489.4.2.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成與工作原理

串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓是利用了電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓的基本原理，如圖9-10a所示。調(diào)整管491．電路組成調(diào)整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)基準(zhǔn)環(huán)節(jié)如圖9-11所示是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成框圖。502．穩(wěn)壓原理iUCEuL)(R或FUOUBu????ˉLLLLLLOU圖9-11中：是整流濾波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大器，UREF為基準(zhǔn)電壓，R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)用來(lái)反映輸出電壓的變化(取樣)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是工作于線性狀態(tài)的調(diào)整管T與負(fù)載串聯(lián)，

故稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

513．輸出電壓在深度負(fù)反饋條件下(9-19)524．調(diào)整管參數(shù)選取原則(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U535．限流保護(hù)電路正常工作區(qū)0UOIOIOmax電路外特性保護(hù)電路R+-UoRL+–T1IB1T2IC2URUBIo比較放大環(huán)節(jié)I+–Ui54(2)當(dāng)Io增大,

T2導(dǎo)通。IB1減小，限制了Io的增大。(1)當(dāng)Io較小時(shí)，UR<UBE2,T2截止，電路正常工作。限流保護(hù)電路工作原理559.5集成穩(wěn)壓器

9.5.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

2.主要特點(diǎn)1.電路主要組成部分(1)串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路；(2)高精度基準(zhǔn)電壓源；(3)過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)等電路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。56常用三端固定集成穩(wěn)壓器是7800系列和7900系列。7800系列輸出正電壓，其輸出電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V、24V等品種。

該系列的輸出電流分5檔，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。7900系列與7800系列所不同的是輸出電壓為負(fù)值。外形圖3.外形及特點(diǎn)574.分類按輸出電壓是否可調(diào)固定式三端穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器1——輸入端3——輸出端2——公共端78系列1——公共端3——輸出端2——輸入端79系列58啟動(dòng)電路基準(zhǔn)電源調(diào)整環(huán)節(jié)比較放大過(guò)熱保護(hù)限流保護(hù)減流保護(hù)采樣環(huán)節(jié)5.78××內(nèi)部電路59三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用C2防止自激振蕩C3減小高頻干擾C1、C4減小輸出紋波和低頻干擾60擴(kuò)大輸出電流UI+UOC1LM78×+–132C2R1T–OI￠OICI式中1RBOIII+=￠1BER1RUI=OBII￠+=bOCOIII￠+=圖中A6.01R=IA4.0B=IA4C=IA5O=I若=10，R1=0.5,|UBE|=0.3V,。則A1O=￠I619.5.2三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

(9-20)其中UREF=1.25V62639.5.3基準(zhǔn)電壓源

常用基準(zhǔn)電壓器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM385-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，MC1403(2.5V基準(zhǔn)電壓源)，LM431ACZ、TL431(精密可調(diào)2.5V～36V基準(zhǔn)穩(wěn)壓源)，LM399H(6.9999V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-5.0(5.0V精密基準(zhǔn)電壓源)等。1.TL431基準(zhǔn)電壓源TL431是一個(gè)性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓集成電路。該器件主要應(yīng)用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調(diào)電源和開(kāi)關(guān)電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品。649.6開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電特性優(yōu)良，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但調(diào)整管串接在負(fù)載回路里是它的根本弱點(diǎn)，存在著效率低（只有40%～60%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)，有時(shí)還要配備龐大的散熱裝置。為了提高效率，人們研制出了開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)（80%～95%），且穩(wěn)壓范圍寬，此外還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等優(yōu)點(diǎn)，因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于各種儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、空間技術(shù)以及電視接收機(jī)等家用電器產(chǎn)品中。

65線性穩(wěn)壓電路的主要特點(diǎn)(1)電壓穩(wěn)定度高；(2)紋波電壓小；(3)響應(yīng)速度快；(4)電路簡(jiǎn)單；(5)調(diào)整管的功耗大；(6)功率變換效率低。669.6.1開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及分類

9.6.1.1開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)

（1）允許電網(wǎng)電壓變化范圍寬。

（2）功耗低，效率高。開(kāi)關(guān)電源效率約為80～95％。(3)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量要比同功率的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源小且輕。

（4）可靠性高。（5）容易實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出和遙控。

679.6.1.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的分類

按負(fù)載與儲(chǔ)能電感的連接方式分，有串聯(lián)型與并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；按不同的激勵(lì)方式分，有自激式與他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路結(jié)構(gòu)可分為單管型、推挽型、半橋型和全橋型。按控制方式分為脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)、脈沖調(diào)頻式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合調(diào)制式(PWM與PFM)三種。

689.6.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

9.6.2.1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓中換能電路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開(kāi)關(guān)管續(xù)流二極管儲(chǔ)能電感濾波電容69控制脈沖的特點(diǎn)：

來(lái)自反饋控制電路,周期T恒定。Ui為高電平(Ton期間)時(shí)，T飽和導(dǎo)通，IEUu?D截止，C2充電、L儲(chǔ)能；Ui為低電平(Toff期間)時(shí)，T截止，

D導(dǎo)通，C2、L放能。70直流平均電壓(9-21)q稱為脈沖波形的占空比，即一個(gè)周期持續(xù)脈沖時(shí)間ton與周期