模電第九章 直流穩(wěn)壓電源

第九章直流穩(wěn)壓電源9.1直流電源的組成

電子電路工作時(shí)都需要直流電源提供能量，能供給直流電源的設(shè)備很多，如電池、直流發(fā)動機(jī)、交流適配器等。

本章討論如何把市電交流電源變換為直流穩(wěn)壓電源。由如下四部分組成。

（1）變壓器：將電網(wǎng)電壓(220V、50Hz)變換為所需的交流電壓；

（2）整流電路：將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電；

（3）濾波電路：將脈動直流電轉(zhuǎn)換為幅度有波動的直流電；

（4）穩(wěn)壓電路：采用負(fù)反饋技術(shù)，對濾波后的直流電壓進(jìn)一步穩(wěn)定

9.2整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流。

在小功率直流電源中，輸入交流市電為單相交流電，故相應(yīng)的整流電路為單相整流電路，它包括單相半波、單相全波、單相橋式和倍壓整流電路四種形式。整流電路的主要性能參數(shù)有以下四個(gè)：(1)輸出直流電壓平均值UO整流電路輸出電壓uO在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，稱為輸出直流電壓平均值，即

(2)輸出電壓紋波系數(shù)Kr整流電路輸出電壓uO的交流分量總有效值與平均值UO之比，稱為輸出電壓紋波系數(shù)，即

(3)整流二極管正向平均電流IDID指一個(gè)周期內(nèi)通過整流二極管的平均電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該值應(yīng)小于二極管的極限參數(shù)：最大整流電流IF。(4)最大反向峰值電壓URmURm指整流二極管截止時(shí)所承受的最大反向電壓。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該值應(yīng)小于二極管的極限參數(shù)：最大反向工作電壓URM。1.半波整流電路二極管導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。二極管截止,

uo=0u2>0

時(shí):u2<0時(shí):9.2.1單相半波整流電路單相半波整流電壓波形輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：Io=Uo/RL=0.45U2/RL

uo20t二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：uD20tUDRM二極管上的平均電流：ID=IO二極管所承受的最大反向電壓:原理：變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個(gè)相等的電壓u2當(dāng)u2正半周時(shí)，D1導(dǎo)通D2截止。當(dāng)u2負(fù)半周時(shí)，D2導(dǎo)通D1截止。9.2.2單相全波整流電路單相全波整流電壓波形忽略二極管正向壓降輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：uo20tIo=Uo/RL=0.9U2/RL

二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：二極管上的平均電流：oDII21=uD20tDRM22UU=2二極管承受的最高反向電壓：9.2.3單相橋式整流電路+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周時(shí)電流通路D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止4.整流電路的主要參數(shù)負(fù)載電壓Uo的平均值為:負(fù)載上的(平均)電流:(1)整流輸出電壓的平均值uo20t流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓（2）紋波系數(shù)Kr用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo

分解后可得:uo20t交流分量總稱為紋波Uor

1、單相橋式整流電路的變壓器次級中只有交流電流流，而單相半波和單相全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。小結(jié)2、與單相全波整流電路相比，單相橋式整流電路中每個(gè)二極管承受的最大反向電壓低。綜上所述，單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和單相全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC9.3濾波電路經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交、直流成分的比例，減小了電路的紋波系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量根據(jù)濾波元件類型及電路組成，濾波電路通常分為電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)合型濾波電路。9.3.1電容濾波電路在負(fù)載電阻RL上并聯(lián)一個(gè)濾波電容C

故u21=u22，在不引起混淆的情況下，為分析方便，將兩者統(tǒng)稱u2uotu2上升，u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=ucu2u2下降，u2小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù)=RLCu2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時(shí)，才有充電電流。因此二極管中的電流是脈沖波。二極管中的電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot電容充電時(shí)，電容電壓滯后于u2。RLC越小，輸出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC較大）時(shí)(考慮整流電路內(nèi)阻)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流過二極管瞬時(shí)電流很大RLC越大Uo越高負(fù)載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時(shí)間越短iD的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點(diǎn)(a)輸出電壓平均值Uo與時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)RLC愈大電容器放電愈慢Uo(平均值)愈大(c)二極管承受的最高反向電壓例9-1某電子設(shè)備要求直流電壓UO=30V，直流電流IO=200mA，若采用單相橋式整流、電容濾波電路供電，試確定二極管的最大整流電流IF及最大反向工作電壓URM的要求，濾波電容的容量及耐壓要求。解(1)選擇整流二極管對橋式整流電路，根據(jù)式(9-2-12)，流過整流二極管的電流，故需IF>ID，可選擇IF=(2～3)ID=200mA～300mA。在滿足式(9-3-1)，的情況下，可依據(jù)式(9-3-3)，取，故變壓器次級輸出電壓有效值為，根據(jù)式(9-2-13)，二極管承受的最大反向電壓為，故需URM>URm，可選URM=50V。(2)選擇濾波電容根據(jù)已知條件，直流負(fù)載電阻為根據(jù)條件取，可求得電容的耐壓應(yīng)大于電容兩端可能出現(xiàn)的最高電壓（負(fù)載開路時(shí)的電壓），即，故可選C=470μF，耐壓為50V的電解電容。圖9—13全波整流電路及電壓電流波形(c)計(jì)算機(jī)仿真波形(為看清輸出波紋，故意將濾波電容值取得很小，實(shí)際上要加幾百~幾千μF)穩(wěn)壓電路的作用:交流電壓脈動直流電壓整流濾波有波紋的直流電壓穩(wěn)壓直流電壓9.4穩(wěn)壓電路引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流iO的變化和輸入電壓uI的變化。理想的穩(wěn)壓電路輸出電阻RO=0,則uO與負(fù)載RL無關(guān)，為了降低RO，穩(wěn)定uO，高質(zhì)量的穩(wěn)壓電路必須采用深度電壓負(fù)反饋以改善電路性能.穩(wěn)壓電源類型:以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)電路最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時(shí)有限，這里做簡要介紹。穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)輸出電壓變化量穩(wěn)壓系數(shù)輸出電阻溫度系數(shù)9.4.2線性串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管直流穩(wěn)壓電路的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成

VO=VI-VR，當(dāng)VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響。若負(fù)載電流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。

串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖

在實(shí)際電路中，可變電阻R是用一個(gè)三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當(dāng)于VR。

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成：調(diào)整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源2.工作原理1．輸入電壓變化時(shí)實(shí)質(zhì)：電壓負(fù)反饋2．負(fù)載電流變化時(shí)uI↑→uO↑→uF↑→uO1↓→uBE↓→uCE↑→uO↓RL↓→uO↓→uF↓→uO1↑→uBE↑→uCE↓→uO↑3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算可見，調(diào)節(jié)R2可以改變輸出電壓。根據(jù)“虛短”Vf≈VREF1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1FCo1μF+10V+5V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！1端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1FCo1μF-10V-5V串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電源用途廣泛，但存在以下兩個(gè)問題：(1)調(diào)整管總工作在線性放大狀態(tài)，管壓降大，流過的電流也大(大于負(fù)載電流)，所以功耗很大，效率較低(一般為40%~60%)，且需要龐大的散熱裝置。(2)電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低而使得變壓器體積大、重量重。9.4.3開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路為解決串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路的缺點(diǎn)，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電路。開關(guān)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)（截止、飽和），截止期間無電流，不消耗功率，飽和導(dǎo)通時(shí)，功耗為飽和壓降乘電流，功耗很小，所以，其能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)90%以上。開關(guān)型穩(wěn)壓電路的分類方法較多。按啟動調(diào)整管的方式可分為：自激式和他激式；按調(diào)整方式可分為：脈寬調(diào)制型、脈頻調(diào)制型和脈寬與頻率均能改變的混合調(diào)整型；按開關(guān)管與負(fù)載的連接方式可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式和脈沖變壓器（工作在高頻）耦合式。1.串聯(lián)脈寬調(diào)制開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路的工作原理它主要由調(diào)整管V1、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、誤差放大器和基準(zhǔn)源等部分構(gòu)成當(dāng)uO1>uT時(shí)，比較器輸出uO2為高電平，驅(qū)動管V2飽和導(dǎo)通，進(jìn)而控制調(diào)整管V1飽和導(dǎo)通，輸入電壓uI向電感L充電而使L存儲能量，在負(fù)載RL中產(chǎn)生電流iO，此時(shí)二極管VD因反偏而截止。若忽略V1的飽和壓降UCE(sat)，則uC1=uI。當(dāng)uO1<uT時(shí)，比較器輸出uO2為低電平，驅(qū)動管V2截止，進(jìn)而控制調(diào)整管V1截止。由于流過電感L的電流iL變小，而產(chǎn)生左負(fù)右正的自感電動勢，使二極管VD導(dǎo)通，電感L中存儲的能量向負(fù)載RL釋放，使負(fù)載RL中繼續(xù)有電流iO通過。此時(shí)，uC1=-UD(on)。當(dāng)V1管截止時(shí)，二極管VD給電感L中的電流提供一個(gè)泄放通路，使負(fù)載RL中繼續(xù)有電流通過，故常把VD稱為續(xù)流二極管。本章小結(jié)

1．在電子系統(tǒng)中，一般都要有直流電源供電。獲得直流電源的最常用的方法是由交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為直流電壓。這要通過整流，濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。對直流電源的要求是：輸出電壓盡量不受電網(wǎng)電壓波動、輸出負(fù)載變化和溫度變化的影響，輸出電壓中脈動和噪聲成分小，轉(zhuǎn)換效率高。2．利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詷?gòu)成整流電路，將交流電變?yōu)槊}動直流電。在整流電路的輸出端接上各種濾波電路，可以大大減小輸出電壓中的脈動成分。濾波電路有電容濾波和電感濾波兩大類。使用較多的是電容濾波電路。3．為了保證直流電源的輸出電壓不發(fā)生波動，需要在整流濾波電路的后面再接上穩(wěn)壓電路。最常用的穩(wěn)壓電路是串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。串聯(lián)式穩(wěn)