直流穩(wěn)壓電源22335課件

第12章直流穩(wěn)壓電源

12.1直流穩(wěn)壓電源的組成

12.2整流電路

12.3濾波電路

12.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

12.5串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路實驗十五整流、濾波及串聯(lián)型穩(wěn)壓電源本章小結(jié)第12章直流穩(wěn)壓電源任何電子設(shè)備都需要用直流電源供電，獲得直流電源的方法較多，如干電池、蓄電池、直流電機等。但比較經(jīng)濟實用的辦法是將交流電網(wǎng)提供的50Hz、220V的正弦交流電經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后變換成直流電。對于直流電源的主要要求是：輸出電壓的幅值穩(wěn)定，即當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動時能基本保持不變；直流輸出電壓平滑，脈動成分??；交流電變換成直流電時的轉(zhuǎn)換效率高。本章主要介紹單相整流電路、各種濾波電路、硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路以及串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的工作原理、主要指標(biāo)等；對于近年來迅速發(fā)展起來的集成化穩(wěn)壓電源以及開關(guān)型穩(wěn)壓電源也將作簡單介紹。12.1直流穩(wěn)壓電源的組成一般的小功率直流穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四個部分組成。其框圖及各部分的輸出波形如圖12.1所示。下面簡要介紹各部分的功能。1.電源變壓器交流電網(wǎng)提供50Hz、220V（單相）或380V（三相）的正弦電壓，但各種電子設(shè)備所需直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器進行降壓，將220V或380V的交流電變成大小合適的交流電以后在進行交、直流轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，有的電源不是利用變壓器而是利用其它方法降壓的。2.整流電路整流電路的主要任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒆儔浩鞲边呡敵龅恼?fù)交替的正弦交流電壓整流成單方向的脈動電壓。但是，這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠(yuǎn)，故不能直接供給電子設(shè)備使用。12.2整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒄?fù)交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動電壓。在小功率的直流電源中，整流電路的主要形式有單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路。其中，單相橋式整流電路用得最為普遍。12.2.1單相半波整流電路圖12.2（a）所示為單相半波整流電路，它是最簡單的整流電路，由變壓器、二極管和負(fù)載電阻組成。u1是變壓器初級線圈的輸入電壓，通常有效值為220V，頻率為50Hz，u2是變壓器次級的輸出電壓（也稱副邊電壓）。一般設(shè)u2的波形如圖12.2（b）所示。設(shè)二極管為理想二極管，在電壓u2的正半周，二極管D正偏導(dǎo)通，電流iD經(jīng)二極管流向負(fù)載RL，在RL上就得到一個上正下負(fù)的電壓；在u2的負(fù)半周，二極管D反偏截止，流過負(fù)載的電流為0，因而RL上電壓為0。這樣以來，在u2信號的一個周期內(nèi)，RL上只有半個周期有電流通過，結(jié)果在RL兩端得到的輸出電壓uO就是單方向的，且近似為半個周期的正弦波，所以叫“半波整流電路”。半波整流電路中各段電壓、電流的波形如圖12.2（b）所示。12.2.2單相全波整流電路為提高電源的利用率，可將兩個單相半波整流電路合起來組成一個單相全波整流電路。它的指導(dǎo)思想是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個二極管配合，使兩個二極管在u2的正半周和負(fù)半周輪流導(dǎo)通，而且兩種情況下流過RL的電流保持同一方向，從而使正、負(fù)半周在負(fù)載上均有輸出電壓。單相全波整流電路的原理圖如圖12.3（a）所示。圖中變壓器的兩個副邊電壓大小相等，同名端如圖所示。在u2的正半周，整流管D1導(dǎo)通，電流iD1經(jīng)過D1流向負(fù)載RL，在RL上產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動電壓，此時D2因承受反向電壓而截止；在u2的負(fù)半周，整流管D2導(dǎo)通，電流iD2經(jīng)過D2流向負(fù)載RL，在RL上也產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動電壓，此時D1因承受反向電壓而截止。這樣，在u2的整個周期內(nèi)，RL上均能得到單方向的直流脈動電壓，故稱之為全波整流電路，其波形如圖12.3（b）所示。由圖12.3（b）所示波形可見，全波整流電路輸出電壓uO的波形所包圍的面積是半波整流電路的兩倍，所以其平均值也是半波整流的兩倍。另外，全波整流輸出波形的脈動成分比半波整流時有所下降。但是，由圖8.3（a）全波整流電路可知，在u2的負(fù)半周時，D2導(dǎo)通，D1截止，此時變壓器副邊兩個繞組的電壓全部加到二極管D1的兩端，因此二極管承受的反向電壓較高，其最大值等于。此外，全波整流電路必須采用具有中心抽頭的變壓器，而且每個線圈只有一半時間通過電流，所以變壓器的利用率不高。12.2.3單相橋式整流電路針對單相全波整流電路的缺點，希望仍用只有一個副邊線圈的變壓器，而能達到全波整流的目的。為此，提出了如圖12.4（a）所示的單相橋式整流電路。電路中采用了D1～D4四只二極管，并且接成電橋形式，因此得名。在變壓器副邊電壓u2的正半周，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止，電流流經(jīng)D1、RL、D2，在負(fù)載RL上產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動電壓。在u2的負(fù)半周，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止，電流流經(jīng)D3、RL、D4，在負(fù)載RL上也產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動電壓。這樣，在u2的整個周期內(nèi)，負(fù)載RL上均能得到直流脈動電壓，這與全波整流電路一樣。它與全波整流電路不同之處是，每個半周均有兩只二極管導(dǎo)通，且由于變壓器副邊只有一個繞組，因而每個二極管截止時所承受的反向電壓u2僅是全波整流電路的一半。所有波形如圖12.4（d）所示。橋式整流電路還可以有其它畫法，如圖12.4（b）、（c）所示。由圖可見，橋式整流電路無需采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達到全波整流的目的。而且，整流二極管承受的反向電壓也不高。但是電路中需用四只二極管。

12.2.4整流電路的主要參數(shù)描述整流電路技術(shù)性能的主要參數(shù)有以下幾項：整流電路輸出直流電壓（即輸出電壓）及輸出電流的平均值UO（AV）和IO（AV），整流電路輸出電壓的脈動系數(shù)S，整流二極管正向平均電流ID（AV）以及整流二極管承受的最大反向峰值電壓URM。現(xiàn)以應(yīng)用比較廣泛的單相橋式整流電路為例，具體分析上述各項主要參數(shù)。1.輸出電壓及輸出電流的平均值輸出直流電壓UO（AV）是整流電路的輸出電壓瞬時值uO在一個周期內(nèi)的平均值，即由圖12.4（d）可見，在橋式整流電路中(12-1)式中第一項為輸出電壓的平均值，第二項即是其基波成分。由式可見，基波頻率為2w，基波的最大值為因此脈動系數(shù)為即橋式整流電路輸出脈動系數(shù)為67%。通過比較可知，橋式整流電路的脈動成分雖然比半波整流電路有所下降，但數(shù)值仍然比較大。(12-3)3.二極管正向平均電流ID（AV）溫升是決定半導(dǎo)體器件使用極限的一個重要指標(biāo)，整流二極管的溫升本來應(yīng)該與通過二極管的電流有效值有關(guān)，但是由于平均電流是整流電路的主要工作參數(shù)，因此在出廠時已將二極管允許的溫升折算成半波整流電流的平均值，在器件手冊中給出。在橋式整流電路中，二極管D1、D2和D3、D4輪流導(dǎo)通，由圖12.4（d）所示波形圖可以看出，每個整流二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半，即當(dāng)負(fù)載電流平均值已知時，可以根據(jù)IO（AV）來選定整流二極管的ID（AV）。在實際選用二極管時，要使得二極管的最大整流電流IF≥ID（AV）。4.二極管最大反向峰值電壓URM每個整流管的最大反向峰值電壓URM是指整流管不導(dǎo)電時，在它兩端出現(xiàn)的最大反向電壓。選管時應(yīng)注意，二極管的最大反向工作電壓UR≥URM，以免被擊穿。由圖8.4（d）波形容易看出，整流二極管承受的最大反向電壓就是變壓器副邊電壓的最大值，即(12-4)(12-5)例12.1已知交流電壓u1=220V，負(fù)載電阻RL=50Ω，采用橋式整流電路，要求輸出電壓UO=24V。試問如何選用二極管？解：先求通過負(fù)載的直流電流則二極管的平均電流變壓器次級電壓有效值選管時應(yīng)滿足因此可選用型號為2CZ54C的二極管，其最大整流電流為500mA，反向工作峰值電壓為100V。URM=U2≈×16.7≈23.6V此時脈動系數(shù)為

S=0.67=67%（2）若改用半波整流電路，則ID（AV）=IO（AV）=300mA

URM=U2≈×33.3≈47.1V

S=1.57=157%12.3濾波電路為了降低整流電路輸出電壓的脈動成分，需要采取由電容或電感等儲能元件組成的濾波電路進行濾波，以得到波形平滑的直流電壓。12.3.1電容濾波電路

1.電路組成及工作原理圖12.5（a）所示為單相橋式整流的電容濾波電路。其中與負(fù)載并聯(lián)的電容C稱為濾波電容。圖12.5（b）所示為濾波電路的工作波形圖。如前所述，在整流電路不接電容C時，負(fù)載RL上的脈動電壓波形如圖12.5（b）中虛線所示。2.濾波電容的選擇由以上分析可知，濾波電容容量的大小直接影響到放電時間常數(shù)的大小，從而影響到濾波的效果。從理論上講，濾波電容越大，放電過程越慢，輸出電壓越平滑，平均值也越高。但實際上，大容量的電容體積很大，并將使整流二極管流過更大的沖擊電流。因此在實際電路中，對于全波或橋式整流電路，常根據(jù)經(jīng)驗公式來選擇濾波電容的容量R

LC≥（3～5）（12-6）式中T為電網(wǎng)交流電壓的周期。在上述條件下，輸出電壓平均值

一般選擇幾十至幾千微法的電解電容，其耐壓值應(yīng)大于。在濾波電容接入電路時，要注意電解電容的極性不能接反。12.4.2電感濾波電路由于電容器具有通高頻、阻低頻的特性，因此用電容濾波時電容是并聯(lián)于負(fù)載上的。而電感具有通低頻、阻高頻的特性，因而用電感濾波時，必須將電感串聯(lián)于負(fù)載電路中，利用電感阻止電流變化的特點實現(xiàn)濾波。電感濾波電路如圖12-6所示。為了取得更好的濾波效果，可采用LC濾波電路和π型LC濾波電路，如圖12-7和圖12-8所示。1.電網(wǎng)電壓波動時輸出電壓基本不變假設(shè)負(fù)載電阻RL不變，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高使UI增大時，輸出電壓UO也將隨之增大。根據(jù)穩(wěn)壓管反向特性，穩(wěn)壓管兩端電壓的微小增加，將使流過穩(wěn)壓管的電流IDZ急劇增加，因為IR=IDZ+IO，IDZ增加使IR增大，電阻R上的壓降UR隨之增大，以此來抵消UI的升高，從而使輸出電壓UO基本不變。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，UI、IDZ、I及R上電壓的變化與上述過程相反，UO也基本不變。可見，在電網(wǎng)電壓變化時，△U≈△UI，從而使得UO穩(wěn)定。2.負(fù)載電阻（電流）變化時輸出電壓基本不變假設(shè)輸入電壓UI保持不變，當(dāng)負(fù)載電阻變小，即負(fù)載電流IO增大時，造成流過電阻R的電流IR增大，R上壓降也隨之增大，從而使得輸出電壓UO下降。但UO的微小下降將使流過穩(wěn)壓管的電流IDZ急劇減小，補償IO的增大，從而使IR基本不變，R上壓降也就基本不變，最終使輸出電壓UO基本不變。當(dāng)IO減小時，IDZ和R上電壓變化與上述過程相反，UO也基本不變?？梢?，在負(fù)載電流變化時，△IDZ≈-△IO，從而使得UO穩(wěn)定。12.4.2限流電阻的選擇在圖12.9（b）所示的穩(wěn)壓電路中，限流電阻R是個很重要的元件，其阻值必須選擇合適才能保證穩(wěn)壓管既能穩(wěn)壓又不至于損壞。從圖12.9（b）所示電路可知，R中電流12.5串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路12.5.1電路組成及工作原理1.電路組成圖12.10所示是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。它由基準(zhǔn)電壓源、比較放大電路、調(diào)整電路和采樣電路四部分組成。三極管T接成射極輸出器形式，主要起調(diào)整作用。因為它與負(fù)載RL相串聯(lián)，所以這種電路稱為串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管DZ和限流電阻R組成基準(zhǔn)電壓源，提供基準(zhǔn)電壓UZ。電阻R1、RW和R2組成采樣電路。當(dāng)輸出電壓變化時，采樣電阻將其變化量的一部分UF送到比較放大電路。運算放大器A組成比較放大電路。采樣電壓UF和基準(zhǔn)電壓UZ分別送至運算放大器A的反相輸入端和同相輸入端，進行比較放大，其輸出端與調(diào)整管的基極相接，以控制調(diào)整管的基極電位。2.工作原理當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動使UI升高或者負(fù)載變動使IL減小時，UO應(yīng)隨之升高，采樣UF也升高，因基準(zhǔn)電壓UZ基本不變，它與UF比較放大后，使調(diào)整管基極電位降低，調(diào)整管的集電極電流減小，集電極-發(fā)射極之間電壓增大，從而使輸出電壓UO基本不變。同理，當(dāng)UI下降或者IL增大時，UO應(yīng)隨之下降，采用電壓UF也減小，它與基準(zhǔn)電壓UZ比較放大后，使調(diào)整管基極電位升高，調(diào)整管的集電極電流增大，c-e間電壓減小，從而使輸出電壓UO保持基本不變。由此可見，電路的穩(wěn)壓實質(zhì)上是通過負(fù)反饋使輸出電壓維持穩(wěn)定的過程。3.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍改變采樣電路中間電位器RW抽頭的位置，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。設(shè)A是理想運放，它工作在線性放大區(qū)，故有UF=UZ。從采用電路可知所以當(dāng)電位器抽頭調(diào)至RW的上端時，=RW，此時輸出電壓最小。即當(dāng)電位器抽頭調(diào)至RW的下端時，=0，此時輸出電壓最大。即(12-10)(12-11)12.5.2集成穩(wěn)壓電路概述

隨著集成技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也迅速實現(xiàn)集成化。從20世紀(jì)60年代末開始，集成穩(wěn)壓器已經(jīng)成為模擬集成電路的一個重要組成部分。目前已能大量生產(chǎn)各種型號的單片集成穩(wěn)壓電路。集成穩(wěn)壓電路體積小，使用調(diào)整方便，性能穩(wěn)定，而且成本低，因此應(yīng)用日益廣泛。集成穩(wěn)壓電路的工作原理與分立元件的穩(wěn)壓電路是相同的。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣包括有基準(zhǔn)電壓源、比較放大器、調(diào)整電路、采樣電路和保護電路等部分。它是通過各種工藝將元器件集中制作在一塊小硅片上，封裝后把整個穩(wěn)壓電路變成了一個部件，即集成電路。它以一個單體的形式參與電路工作，因此使用起來靈活方便。集成穩(wěn)壓電路的類型很多。按其內(nèi)部的工作方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、開關(guān)型；按其外部特性可分為三端固定式、三端可調(diào)式、多端固定式、多端可調(diào)式、正電壓輸出式、負(fù)電壓輸出式；按其型號分類又有CW78系列、CW79系列、W2系列、WA7系列、WB7系列、FW5系列等。1.固定輸出電壓電路圖12-11（a）所示電路是W7800系列作為固定輸出時的典型接線圖。為了保證穩(wěn)壓器正常工作，最小輸入輸出電壓差至少為2～3V；輸入端的電容Ci一般取0.1～1μF，其作用是在輸入線較長時抵消其感應(yīng)效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩；輸出端的Co是為了消除電路的高頻噪聲，改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，一般取0.1μF。如果需要負(fù)電源時，可采用圖12-11（b）所示的應(yīng)用電路。2.提高輸出電壓的電路目前，三端穩(wěn)壓器的最高輸出電壓是24V。當(dāng)需要大于24V的輸出電壓時，可采用圖12-12所示的電路提高輸出電壓。圖中VXX是三端穩(wěn)壓器的標(biāo)稱輸出電壓；IZ是組件的穩(wěn)態(tài)電流，約為幾mA；外接電阻R1上的電壓是VXX；R2接在穩(wěn)壓器公共端3和電源公共端之間。按圖示接法的輸出電壓為(12-12)3．具有正負(fù)電壓輸出的穩(wěn)壓電源當(dāng)需要正負(fù)電壓同時輸出時，可用一塊W7800正壓單片穩(wěn)壓器和一塊W7900負(fù)壓單片穩(wěn)壓器連接成圖12-13所示的電路。這兩塊穩(wěn)壓器有一個公共接地端，并共用整流電路。

例12-3試應(yīng)用集成穩(wěn)壓器設(shè)計一個能固定輸出±5V電壓的直流穩(wěn)壓電源。解：（1）因所要設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源是固定式輸出，且輸出既有正電壓也有負(fù)電壓，故可選擇三端固定式集成穩(wěn)壓器（如W7800系列或W7900系列）。通過查閱手冊可知W7805集成穩(wěn)壓器可輸出+5V直流電壓、W7905集成穩(wěn)壓器可輸出-5V直流電壓，可以選用。（2）集成穩(wěn)壓器W7800系列（正電源）和W7900系列（負(fù)電源）的典型應(yīng)用電路如圖12-14所示。圖中輸入端電容C3、C4主要用來改善輸入電壓的紋波，一般為零點幾μF，可選0.33μF。輸出端電容C5、C6用來消除電路中可能存在的高頻噪聲，即改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，可選0.1μF。W7805的輸入電壓為7～30V，W7905的輸入電壓為-7～-25V，可以均按輸入電壓大小為12V設(shè)計。交流輸入電壓U1（220V/50Hz）經(jīng)降壓、整流、濾波（濾波電容C1=C2=2200μF）后，分別供給12V大小的電壓，該電壓是變壓器副邊總電壓平均值的一半，即（U2/2）×0.9=12V，因此U2=12/0.45≈26.6V。由此可選擇變壓器邊壓比n=U1：U2=220：26.6≈8：1。實驗十五整流、濾波及串聯(lián)型穩(wěn)壓電源一、實驗?zāi)康?、了解單相橋式整流電路的工作原理。2、了解電容濾波電路的作用。3、了解基本穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理。4、掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理及技術(shù)指標(biāo)的測試方法。二、實驗儀器及設(shè)備1、直流電壓表；2、直流毫伏表；3、交流毫伏表；4、示波器；5、100W單相調(diào)壓器；6、TB型模擬電路實驗儀及③號實驗?zāi)０?。三、實驗原理及步驟1、整流、濾波電路橋式整流電路如實驗圖12-1所示。利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮兂蓡畏较蛎}動的直流電。（1）在實驗儀上用③號實驗?zāi)０灏磳嶒瀳D12-1連好線，然后接通實驗?zāi)０寮皩嶒瀮x電源。（2）接通電源后，用示波器觀察整流前后的波形及任一個二極管兩端的電壓波形。（3）改變負(fù)載電阻RL，觀察Ud的變化（波形及電壓值），描出外特性曲線。Ud為輸出電壓，Id為負(fù)載電流，通過測出RL值計算而得。2、基本穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（1）按照實驗圖12-2，在橋式整流電路的輸出端按實驗圖12-2接線，連接成基本穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。（2）用萬用表測出穩(wěn)壓電路輸出電壓Ud和UW。（3）接入負(fù)載電阻RL并改變RL，用萬用表測出UW的變化。（4）當(dāng)RL斷開和RL=80Ω時，計算通過穩(wěn)壓管2CW的穩(wěn)定電流值各為多少？并檢驗是否滿足穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓的條件。注：（1）穩(wěn)定電流通過測量穩(wěn)壓電阻R1可得；（2）2CW：最大耗散功率0.5W；最大工作電流83mA穩(wěn)定電壓5.8～6.2V預(yù)習(xí)要求：（1）如果去掉濾波電容C和負(fù)載開路，直流電壓等于多少？（2）如何選擇二極管的反向耐壓值？（3）了解穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓原理。3、串聯(lián)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗原理圖如實驗圖12-3所示，其中的整流部分是單相橋式整流、電容濾波電路，穩(wěn)壓部分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。它由調(diào)整管T1、T2，比較放大器T4、R1，取樣電路R7、R8、RW，基準(zhǔn)電壓R5、DW和過流保護電路T3及電阻R3、R4、R6等組成。（1）按照實驗圖12-3在③號實驗?zāi)０迳?，熟悉各元件安裝位置。接線無誤方可通電。（2）測量穩(wěn)壓電路輸出電壓Udo的調(diào)節(jié)范圍。（3）接負(fù)載電阻RL，調(diào)節(jié)電位器RP，觀察輸出電壓是否可以改變。輸出電壓可調(diào)時，測量Udo的最大值和最小值及對應(yīng)的穩(wěn)壓電路的輸入電壓Udi和調(diào)整管T1的管壓降UCE1，將測得的結(jié)果記入實驗表12-1中。（4）測量穩(wěn)壓電路的外特性將輸入220V電源用調(diào)壓器調(diào)節(jié)，將調(diào)壓器調(diào)至220V（實測值），空載時調(diào)RP使Udo=10V，然后接入負(fù)載電阻RL（負(fù)載電阻在整流輸出后，由510Ω2W電阻和470Ω1W電位器組成）。改變負(fù)載電阻，測量相應(yīng)的Udo，記入實驗表12-2中。（5）測量穩(wěn)壓電源電壓調(diào)整率SV及電流調(diào)整率SI①電壓調(diào)整率SV的測試當(dāng)負(fù)載不變而輸入電壓Ui變化時，維持輸出電壓不變的能