模擬電子技術基礎-08直流穩(wěn)壓電源

2023/2/51第8章直流穩(wěn)壓電源2023/2/52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)壓器及其應用；了解開關式直流穩(wěn)壓電路及其工作原理等。2023/2/538.1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)壓源開關型穩(wěn)壓源直流電源簡介2023/2/548.2直流穩(wěn)壓電源的電路組成及工作原理

8.2.1直流穩(wěn)壓電源的組成

＋12V－市電220V2023/2/559.2.2單相整流電路

9.2.2.1單相半波整流電路

電源變壓器負載整流二極管2023/2/56單相電源變壓器線圈鐵芯9.2.2.1單相半波整流電路2023/2/57假設變壓器二次側的電壓為

當二極管的陽極電位高于陰極電位時才導通。

由二極管的單向導電性分析的前提a.理想的變壓器b.

理想的二極管如果將二極管反接，輸出電壓有何變化？2023/2/58

負載上得到的是單向脈動電壓，其大小仍然在不斷變化，其平均值為

(8-1)流過負載電阻電流的平均值為

(8-2)

單向半波整流電路中，二極管截止時所承受的最高反向電壓就是(8-3)2023/2/598.2.2.2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8-3a所示。

2023/2/510橋式整流硅堆：將四個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法2023/2/5112)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2023/2/512電壓u2為正半周時D1、D3導通，D2、D4截止二極管D1、D3電流二極管D1、D3承受的反向電壓u2ωt022Uωt0iD1iD3,L2/2RUωt0uD1uD3,22U詳細分析2023/2/513u2負半周時u2ωt022U2023/2/514二極管D2、D4電流二極管D2、D4承受的反向電壓電壓u2為負半周時D1、D3截止，D2、D4導通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU2023/2/515輸入電壓整流電路輸出電壓輸出電流u2ωt022Uuoωt022UL2/2RUωt0io輸出電流的平均值如果考慮二極管非線性，輸出電壓有何變化？2023/2/5162．橋式整流電路的性能指標

（1）輸出電壓一個周期內的平均值直流電流為

（2）脈動系數S

最低次諧波幅值與輸出電壓平均值之比定義為脈動系數

（3）流過二極管的正向平均電流

==uot02023/2/517（4）二極管承受的最大反向電壓二極管在截止時管子承受的最大反向電壓(9-8)（5）輸出電壓紋波因數

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于橋式整流電路2023/2/518

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、復式濾波及有源濾波等。

整流輸出盡管已經成為直流電壓，但脈動太大，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：8.3濾波電路2023/2/5198.3.1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、復式濾波及有源濾波。

濾波電容uot02023/2/5208.3.1電容濾波2023/2/521濾波原理

(1)當C=0，外接RL時當C=0(無濾波電容)時輸入電壓輸出電壓波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U輸出電壓輸出電壓平均值2023/2/522(2)當C≠0、RL=∞時輸出電壓波形輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U電容器的充電時間常數為問題：ＲL開路，即空載時UO=？2023/2/523輸出電壓輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U二極管導通時電容器充電，充電時間常數uo=ucu2(3)當C≠0、RL≠∞時2023/2/524當C充電到最高點時C將通過RL開始放電。二極管D1、D3將截止，輸入電壓π2π3π4πu2ωt022UC充電到最高點π02π3π4πωtuouc,22UC開始放電2023/2/525輸出電壓波形C充電C放電D截止D導通濾波器輸入電壓波形電流流通角電流波形2023/2/5262)當C開路，即無電容濾波但有負載的情況3)正常情況下1)當R＝∞，即負載開路情況下電容濾波小結2023/2/527性能參數的工程估算

1)電容濾波電路的外特性

C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.當io一定時，C越小，Uo(AV)越小，紋波越大。b.當C一定時，io越大,Uo(AV)越小。外特性特點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。2023/2/5282)輸出直流電壓

一般取

2O(AV)2.1UU?3)輸出電流平均值

=若≥LCR=t2)5~(3T2023/2/5294)

整流二極管的平均電流

(b)二極管導通時，有沖擊電流；其特點：(a)比無濾波電容時的平均電流大；二極管的平均電流放電時間常數越大，θ越小，沖擊電流越大。(c)沖擊電流與二極管的導通角θ(θ<)有關。(8-11)5)整流二極管的最高反向電壓

2023/2/530【例8-1

，例8-2】鏈接

2023/2/531電容器的作用電容器在電路中的用途不同名稱也不同，如旁路電容、耦合電容、濾波電容、諧振電容、去耦電容等，但其原理都一樣。旁路(bypass)電容

耦合電容(如第3章中的RC耦合電路)濾波電容

諧振電容

電源去耦(decoupling)電容

2023/2/532在實際制作直流穩(wěn)定電源或電子電路時，應考慮以下幾點：①電源電路中對地濾波電容，多用容量較大的電解電容器。應考慮各種電容器的自諧振頻率(FSR)值，所以需要在大容量濾波電容器兩端并聯(lián)小容量的電容器，以便為高頻諧波電壓提供了一個對地通路。②電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地，半導體器件(尤其是集成電路)電源引線端的去耦濾波電容器，應盡量靠近器件的電源引腳端。③電源濾波電容并非越大越好，應按實際需要選用。一般大電容濾除低頻波,小電容濾除高頻波。為使整流濾波電路能達到最高性價比，應選用能與負載電阻匹配的電容值，這樣，既能使電路的輸出電壓達到要求，又不提高對其他元器件的性能要求，使電路達到最佳的性價比。2023/2/5338.3.2電感濾波電路

忽略電感器L的電阻時，負載上輸出的平均電壓和純電阻(不加電感)負載相同，即=0.9(8-12)

2023/2/5348.3.3復式濾波器

2023/2/535常用整流濾波電路2023/2/5368.4穩(wěn)壓電路

8.4.1并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

【例8-3】鏈接2023/2/537穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

在負載變化不大的場合，穩(wěn)壓管常用來做穩(wěn)壓電源，由于負載和穩(wěn)壓管并聯(lián)，又稱為并聯(lián)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管在實際工作時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

2023/2/538可得電阻R的取值范圍為當負載電阻RL和輸入電壓UI一定時，電阻R的選擇是根據穩(wěn)壓管的電流不超過正常工作范圍來選的。穩(wěn)壓管的電流是在IZmin<IZ<IZM之間，2023/2/539UI↑→Uo（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑

Uo↓

穩(wěn)壓原理如下：當負載不變，輸入電壓UI波動使得輸出電壓Uo升高，其調節(jié)過程為：若輸入電壓UI不變，負載發(fā)生變化，如RL增大，其調節(jié)過程為：RL↓→Uo（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓

Uo↑

2023/2/5408.4.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路

8.4.2.1穩(wěn)壓電源的主要指標

（1）輸入調整率和穩(wěn)壓系數

輸入調整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標，是指在負載和溫度不變的條件下，輸入電壓變化對輸出電壓的影響(8-14)工程常用穩(wěn)壓系數表示直流穩(wěn)壓電源的性能

(8-15)2023/2/541(2)負載調整特性

負載調整特性定義為輸出電壓的相對變化量與輸出電流變化量的比。

(8-16)(3)輸出電阻

(8-17)(4)溫度系數

(8-18)2023/2/5428.4.2.2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反饋穩(wěn)定輸出電壓的基本原理，如圖8-12a所示。調整管2023/2/5431．電路組成調整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)基準環(huán)節(jié)如圖8-13所示是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成框圖。2023/2/5442．穩(wěn)壓原理iUCEuL)(R或FUOUBu????ˉLLLLLLOU圖8-13中：

是整流濾波電路的輸出電壓，T為調整管，A為比較放大器，UREF為基準電壓，R1與R2組成反饋網絡用來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)的調整管T與負載串聯(lián)，

故稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

2023/2/5453．輸出電壓在深度負反饋條件下(8-19)【例8-5】鏈接2023/2/5464．調整管參數選取原則(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U2023/2/5478.5集成穩(wěn)壓器

8.5.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

2.主要特點1.電路主要組成部分(1)串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路；(2)高精度基準電壓源；(3)過流、過熱保護等電路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。2023/2/548

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值。外形圖3.外形及特點2023/2/5494.分類按輸出電壓是否可調固定式三端穩(wěn)壓器可調式三端穩(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2023/2/550啟動電路基準電源調整環(huán)節(jié)比較放大過熱保護限流保護減流保護采樣環(huán)節(jié)5.78××內部電路2023/2/551三端集成穩(wěn)壓器的應用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2023/2/552擴大輸出電流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=￠I2023/2/553雙路輸出電源2023/2/5548.5.2三端可調式集成穩(wěn)壓器

(8-20)其中UREF=1.25V2023/2/555【例8-6】鏈接2023/2/556使用集成穩(wěn)壓器時應注意以下幾個問題

(1)選擇合適的集成穩(wěn)壓器類型

(2)選擇集成穩(wěn)壓器的主要參數

(3)配置合適的外圍條件

1)選擇合適的濾波電容

2)防止產生自激

3)防止穩(wěn)壓器損壞

4)優(yōu)化PCB布局工藝

5)采取必要的散熱措施

2023/2/5578.5.3基準電壓源

常用基準電壓器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基準電壓源)，LM385-2.5(2.5V精密基準電壓源)，LM336-2.5(2.5V精密基準電壓源)，MC1403(2.5V基準電壓源)，LM431ACZ、TL431(精密可調2.5V～36V基準穩(wěn)壓源)，LM399H(6.9999V精密基準電壓源)，LM336-5.0(5.0V精密基準電壓源)等。1.TL431基準電壓源TL431是一個性能優(yōu)良的基準電壓集成電路。該器件主要應用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調電源和開關電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品。2023/2/5588.6開關式穩(wěn)壓電源

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電特性優(yōu)良，電路結構簡單、工作可靠，但調整管串接在負載回路里是它的根本弱點，存在著效率低（只有40%～60%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點，有時還要配備龐大的散熱裝置。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達（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，因此，開關穩(wěn)壓電源已廣泛用于各種儀器設備、計算機、通信系統(tǒng)、空間技術以及電視接收機等家用電器產品中。

2023/2/559線性穩(wěn)壓電路的主要特點(1)電壓穩(wěn)定度高；(2)紋波電壓??；(3)響應速度快；(4)電路簡單；(5)調整管的功耗大；(6)功率變換效率低。2023/2/5608.6.1開關式穩(wěn)壓電源的特點及分類

8.6.1.1開關式穩(wěn)壓電源的特點

（1）允許電網電壓變化范圍寬。

（2）功耗低，效率高。開關電源效率約為80～95％。(3)開關穩(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）容易實現(xiàn)多路電壓輸出和遙控。

2023/2/5618.6.1.2開關式穩(wěn)壓電源的分類

按負載與儲能電感的連接方式分，有串聯(lián)型與并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源；

按不同的激勵方式分，有自激式與他激式開關穩(wěn)壓電源；按電路結構可分為單管型、推挽型、半橋型和全橋型。

按控制方式分為脈沖寬度調制(PulseWidthModulation,PWM)、脈沖調頻式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合調制式(PWM與PFM)三種。

2023/2/5628.6.2開關式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

8.6.2.1開關穩(wěn)壓中換能電路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開關管續(xù)流二極管儲能電感濾波電容2023/2/563控制脈沖的特點：

來自反饋控制電路,周期T恒定。Ui為高電平(Ton期間)時，T飽和導通，IEUu?D截止，C2充電、L儲能；Ui為低電平(Toff期間)時，T截止，

D導通，C2、L放能。2023/2/564直流平均電壓(8-21)q稱為脈沖波形的占空比，即一個周期持續(xù)脈沖時間ton與周期T之比值。

(8-22)TTTTTqonoffonon=+=2023/2/5658.6.2.2串聯(lián)開關穩(wěn)壓電路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開關管續(xù)流二極管控制脈沖儲能電感濾波電容2023/2/5662023/2/567工作波形toffttt圖8-31圖9-22中uE(uD)、iL、uo的波形

ImintonImaxiL0UoIOuo-UD00uE(uD)電感電流iL輸出電壓uo射極電壓uE2023/2