第7章穩(wěn)壓電源

(9-1)第7章直流穩(wěn)壓電源§7.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能§7.2單相整流電路§7.3濾波電路§7.4倍壓整流電路的工作原理§7.5穩(wěn)壓電路§7.6集成穩(wěn)壓電源*(9-2)電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定?！?.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能(9-3)整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓。常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。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。§7.2單相整流電路(9-4)§7.2.1單相半波整流電路的工作原理u2>0時，二極管導(dǎo)通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0時，二極管截止,輸出電流為0。uo=0(9-5)uo(4)輸出電壓平均值（Uo）：(1)輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二極管上承受的最高電壓：(2)二極管上的平均電流：ID=IL(9-6)§7.2.2單相全波整流電路的工作原理u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：(9-7)§7.2.3單相橋式整流電路的工作原理橋式整流電路+-u2正半周時電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo(9-8)橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時電流通路(9-9)u2>0時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB(9-10)幾種常見的硅整流橋外形：+AC-~+~-~+-~(9-11)§7.2.4整流電路的主要參數(shù)1.整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時，負(fù)載電壓Uo的平均值為:負(fù)載上的(平均)電流:一、整流輸出電壓的平均值與脈動系數(shù)整流輸出電壓的平均值Uo和輸出電壓的脈動系數(shù)S是衡量整流電路性能的兩個主要指標(biāo)。(9-12)

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。2.脈動系數(shù)Ｓ用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo

分解后可得:(9-13)平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。例如：在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負(fù)載平均電流的一半。

二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：二、平均電流與反向峰值電壓(9-14)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原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的?！?.3濾波電路(9-15)§7.3.1電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。一、濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-16)1.RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-17)2.RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-18)u2tuot只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD

。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。整流電路的輸出電流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可見，采用電容濾波時，整流管的導(dǎo)通角較小。(9-19)u2tuot電容充電時，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RLC越小，輸出電壓越低。3.RL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內(nèi)阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-20)一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流過二極管瞬時電流很大。RLC越大Uo越高

負(fù)載電流的平均值越大;

整流管導(dǎo)電時間越短iD的峰值電流越大故一般選管時，取二、電容濾波電路的特點(diǎn)(1)輸出電壓Uo與放電時間常數(shù)RLC有關(guān)。RLC愈大電容器放電愈慢Uo(平均值)愈大(9-21)輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C

的變化而改變,Uo

和S也隨之改變。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。(3)輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負(fù)載1.4U20.9U20IL(9-22)§7.3.2電感濾波電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。電感濾波電路u2u1RLLuo(9-23)一、濾波原理對直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在XL上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo(9-24)二、電感濾波的特點(diǎn)整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。u2u1RLLuo(9-25)*§7.3.3其他形式的濾波電路改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：L-C型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C型濾波電路。(9-26)uoRu2u1C1C2uo1′RL一、RC–型濾波電路設(shè)uo1的直流分量為U′O，交流分量的基波的幅值為U′O1m，則：uo的直流分量：(9-27)uoRu2u1C1C2uo1′RLuo的交流分量的基波的幅值：(9-28)通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S′的關(guān)系：(9-29)二、L-C

型濾波電路u2u1LuoCRLuo1設(shè)uo1的直流分量為U′O，交流分量的基波的幅值為U′O1m，：(9-30)通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S′的關(guān)系：(9-31)三、LC–

型濾波電路u2u1LuoC2RLuo1C1顯然，LC–型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比只有LC濾波時更小，波形更加平滑；由于在輸入端接入了電容，因而較只有LC濾波時，提高了輸出電壓。請自行分析LC–

型濾波電路的輸出電壓和脈動系數(shù)等基本參數(shù)。(9-32)一、二倍壓整流電路u2的正半周時：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負(fù)半周時：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負(fù)載上的電壓：+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL*§7.4倍壓整流電路的工作原理(9-33)+–二、多倍壓整流電路+–u2的第一個正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個負(fù)半周：u2、C2、D2、C1構(gòu)成回路，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6(9-34)+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：u2、C1、C3、D3、C2構(gòu)成回路，C1補(bǔ)充電荷，C3充電到：u2的第二個負(fù)半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構(gòu)成回路，C2補(bǔ)充電荷，C4充電到：把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。(9-35)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)以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。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時有限，這里不做介紹?！?.5穩(wěn)壓電路(9-36)§7.5.1串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路一、電路結(jié)構(gòu)的一般形式1.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式負(fù)載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴(kuò)大（1+）倍。TUORL+–+–UZUIiRiZiL實(shí)際上是射極輸出器，Uo=UZ-UBE

。但帶負(fù)載的能力比穩(wěn)壓管強(qiáng)。(9-37)TUORL+–+–UZUIiRiZiL串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式兩個主要缺點(diǎn)：(1)穩(wěn)壓效果不好。Uo=UZ–UBE(2)輸出電壓不可調(diào)。改進(jìn)的方法：在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負(fù)反饋的放大環(huán)節(jié)。(9-38)串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–2.具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(9-39)T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–調(diào)整元件T：與負(fù)載串聯(lián)，通過全部負(fù)載電流。可以是單個功率管，復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián)。比較放大器：可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運(yùn)算放大器?；鶞?zhǔn)電壓：可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。(9-40)T+_UIUO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–

因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。(9-41)一種實(shí)際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源二、穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo當(dāng)UI增加或輸出電流減小使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(9-42)三、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(9-43)七、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路缺點(diǎn)損耗(P=UCEIL)大電源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)較低為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流較大時:(9-44)§7.5.2穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)一、穩(wěn)壓系數(shù)S

穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。二、輸出電阻Ro

輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。(9-45)隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。§7.6集成穩(wěn)壓電源(9-46)1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123(9-47)注：型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值輸出電壓額定電壓值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成穩(wěn)壓器固定式可調(diào)式正穩(wěn)壓W78XX負(fù)穩(wěn)壓W79XX§7.6.2集成穩(wěn)壓電源的分類(9-48)

一、輸出為固定電壓的電路§7.6.2應(yīng)用電路輸出為固定正壓時的接法如圖所示。注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！+_W7800系列穩(wěn)壓器基本接線圖CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1μF(9-49)二、輸出正負(fù)電壓的電路正負(fù)電壓同時輸出電路W78XXCIUI+