《電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2版）》 課件 第6章 直流穩(wěn)壓電源

第6章直流穩(wěn)壓電源6.1直流穩(wěn)壓電源的組成6.2整流電路6.3濾波電路6.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路6.5串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路6.6集成穩(wěn)壓電路6.1直流穩(wěn)壓電源的組成

用途：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(jī)等。但比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法是將交流電網(wǎng)提供的市電——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。

基本要求：對(duì)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(dòng)時(shí)能基本保持不變；直流輸出電壓平滑，脈動(dòng)成分小；交流電變換成直流電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率高。

基本組成：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(gè)部分組成。其框圖及各部分的輸出波形如圖6-1所示。下面簡要介紹各部分的功能。

直流穩(wěn)壓電源的基本組成框圖如下圖所示。

圖6-1直流電源的組成

1.電源變壓器

作用：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(jìn)行降壓，將220V或380V的交流電變成大小合適的交流電以后再進(jìn)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

作用：整流電路的主要任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將變壓器副邊輸出的正?fù)交替的正弦交流電壓整流成單方向的脈動(dòng)電壓。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)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。

3.濾波電路

作用：濾波電路一般由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成。它的作用是將整流電路輸出的單向脈動(dòng)電壓中的交流成分濾除掉，變成比較平滑的直流電壓輸出。但是，當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波電路輸出直流電壓的幅值也將隨之變化，在要求比較高的電子設(shè)備中，這種直流電壓是不符合要求的。

4.穩(wěn)壓電路

作用：穩(wěn)壓電路往往是利用自動(dòng)調(diào)整的原理，使得輸出直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。6.2整流電路

主要形式：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(dòng)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。6.2.1單相半波整流電路

電路組成：圖6-2（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(jí)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(jí)的輸出電壓（也稱副邊電壓），波形如下圖所示。一般設(shè)為：

圖6-2單相半波整流電路工作原理分析：

設(shè)整流二極管為理想二極管，在u2的正半周，VD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(gè)上正下負(fù)的電壓；在u2的負(fù)半周，VD反偏截止，流過負(fù)載的電流為0，因此RL上電壓為0。這樣一來，在u2的一個(gè)周期內(nèi)，RL上只有半個(gè)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(gè)周期的正弦波，所以叫半波整流電路。半波整流電路中各電壓、電流的波形如圖6-2（b）所示。圖6-2單相半波整流電路

及其工作波形

6.2.2單相全波整流電路

電路組成：為提高電源的利用率，可將兩個(gè)單相半波整流電路合起來組成一個(gè)單相全波整流電路，如圖6-3（a）所示。它的指導(dǎo)思想是利用具有中心抽頭的變壓器與兩個(gè)二極管配合，使兩個(gè)二極管在u2的正半周和負(fù)半周輪流導(dǎo)通，而且在兩種情況下流過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。

工作原理：變壓器的兩個(gè)二次側(cè)電壓大小相等。在u2的正半周，VD1導(dǎo)通，電流iD1經(jīng)過VD1流向負(fù)載RL，在RL上產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動(dòng)直流電壓，此時(shí)VD2因承受反向電壓而截止；在u2的負(fù)半周，VD2導(dǎo)通，電流iD2經(jīng)過VD2流向負(fù)載RL，在RL上也產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動(dòng)直流電壓，此時(shí)VD1因承受反向電壓而截止。這樣，在u2的整個(gè)周期內(nèi)，RL上均能得到單向的脈動(dòng)直流電壓，故稱之為單相全波整流電路，其波形如圖6-3（b）所示。圖6-3單相全波整流電路及其工作波形圖6-3單相全波整流電路及其工作波形

與半波整流電路比較：由圖6-3（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(dòng)成分比半波整流時(shí)有所下降。但是，由圖6-3（a）所示電路可知，在u2的負(fù)半周，VD2導(dǎo)通，VD1截止，此時(shí)變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞組的電壓全部加到VD1的兩端，因此二極管承受的反向電壓較高，其最大值等于2。此外，這種全波整流電路必須采用具有中心抽頭的變壓器，而且每個(gè)線圈只有一半時(shí)間通過電流，所以變壓器的利用率不高。6.2.3單相橋式全波整流電路

圖6-4單相橋式全波整流電路及其工作波形

電路組成：電路中采用了VD1～VD4共4只二極管，并且接成電橋形式，因此得名。單相橋式全波整流電路

單相橋式整流電路工作波形圖工作原理：在變壓器二次側(cè)電壓u2的正半周，VD1、VD2導(dǎo)通，VD3、VD4截止，電流流經(jīng)VD1、RL、VD2，在RL上產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動(dòng)直流電壓；在u2的負(fù)半周，VD3、VD4導(dǎo)通，VD1、VD2截止，電流流經(jīng)VD3、RL、VD4，在負(fù)載RL上也產(chǎn)生上正下負(fù)的單向脈動(dòng)直流電壓。這樣，在u2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載RL上均能得到脈動(dòng)直流電壓。圖6-4（a）單相橋式全波整流電路

優(yōu)缺點(diǎn)分析：圖6-4（a）所示橋式整流電路無須采用具有中心抽頭的變壓器，仍能達(dá)到全波整流的目的。與圖6-3（a）所示單相全波整流電路不同之處在于，橋式整流電路中每個(gè)半周均有兩只二極管導(dǎo)通，且由于變壓器二次側(cè)只有一個(gè)繞組，因此每個(gè)二極管截止時(shí)所承受的反向電壓u2僅是圖6-3（a）單相全波整流電路的一半。

但是電路中需用4只二極管。圖6-3（a）單相全波整流電路6.2.4整流電路的主要參數(shù)

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(xiàng)主要參數(shù)。

1.輸出電壓及輸出電流的平均值

單相橋式整流電路工作波形圖

輸出直流電壓UO（AV）是整流電路的輸出電壓瞬時(shí)值uO在一個(gè)周期內(nèi)的平均值：

輸出電流平均值為：

2.脈動(dòng)系數(shù)S

單相橋式整流電路工作波形圖

整流電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S定義為輸出電壓基波的最大值UO1m與其平均值UO（AV）之比：

為了估算UO1m，可將橋式整流電路的輸出波形用傅立葉級(jí)數(shù)表示如下：

式中第一項(xiàng)為輸出電壓的平均值，第二項(xiàng)即是其基波成分。由式可見，基波頻率為2w，基波的最大值為：

2.脈動(dòng)系數(shù)S

由以上分析得到脈動(dòng)系數(shù)為：

可見，即橋式整流電路輸出脈動(dòng)系數(shù)為67%。通過比較可知，橋式整流電路的脈動(dòng)成分雖然比半波整流電路有所下降，但數(shù)值仍然比較大。

單相橋式整流電路工作波形圖3.二極管正向平均電流ID（AV）

說明：溫升是決定半導(dǎo)體器件使用極限的一個(gè)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(shí)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(cè)中給出。

在橋式整流電路中，二極管VD1、VD2和VD3、VD4輪流導(dǎo)通，由波形圖可以看出，每個(gè)整流二極管的平均電流等于輸出電流平均值的一半，即：

參數(shù)使用：當(dāng)負(fù)載電流平均值已知時(shí)，可以根據(jù)IO（AV）來選定整流二極管的ID（AV）。在實(shí)際選用二極管時(shí)，要使得二極管的最大整流電流IF≥ID（AV）。

單相橋式整流電路工作波形圖

4.二極管最大反向峰值電壓URM

單相橋式整流電路工作波形圖

參數(shù)意義：每個(gè)整流管的最大反向峰值電壓URM是指整流管不導(dǎo)電時(shí)，在它兩端出現(xiàn)的最大反向電壓。選管時(shí)應(yīng)注意，二極管的最大反向工作電壓UR≥URM，以免被擊穿。由波形容易看出，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：整流電路的主要參數(shù):

結(jié)論：

關(guān)于單相半波整流和單相全波整流的主要參數(shù)也可以利用上述方法進(jìn)行分析，此處不再贅述?，F(xiàn)將三種單相整流電路的主要參數(shù)列于表6-1中，以便讀者進(jìn)行查閱和比較。

表6-1中所列各參數(shù)是在忽略變壓器內(nèi)阻和整流管壓降的情況下得到的。由表可知，在同樣的U2值之下，半波整流電路的輸出直流電壓最低，而脈動(dòng)系數(shù)最高。橋試整流電路和全波整流電路當(dāng)U2相同時(shí)，輸出直流電壓相等，脈動(dòng)系數(shù)也相同，但橋式整流電路中，每個(gè)整流管所承受的反向峰值電壓比全波整流電路的低，因此它的應(yīng)用比較廣泛。表6-1單相整流電路的主要參數(shù)比較

【補(bǔ)充例題】

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(jí)電壓有效值選管時(shí)應(yīng)滿足

可選用型號(hào)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。

【例6-1】

某電子設(shè)備要求電壓值為15V的直流電源，已知負(fù)載電阻RL=50Ω，試問：（1）若選用單相橋式整流電路，則電源變壓器副邊電壓有效值U2應(yīng)為多少？整流二極管正向平均電流ID（AV）和最大反向電壓URM各為多少？輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S等于多少？（2）若改用單相半波整流電路，則U2、ID（AV）、URM和S各為多少？

解：（1）副邊電壓有效值U2應(yīng)為：

根據(jù)所給條件，可得輸出直流電流為可得：

ID（AV）

=IO（AV）/2=0.3/2=0.15A=150mAURM=U2≈×16.7≈23.6V

【例6-1】

某電子設(shè)備要求電壓值為15V的直流電源，已知負(fù)載電阻RL=50Ω，試問：（1）若選用單相橋式整流電路，則電源變壓器副邊電壓有效值U2應(yīng)為多少？整流二極管正向平均電流ID（AV）和最大反向電壓URM各為多少？輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S等于多少？（2）若改用單相半波整流電路，則U2、ID（AV）、URM和S各為多少？可得：

ID（AV）

=IO（AV）/2=0.3/2=0.15A=150mAURM=U2≈×16.7≈23.6V

此時(shí)脈動(dòng)系數(shù)為

S=0.67=67%

（2）若改用半波整流電路，則ID（AV）

=IO（AV）

=300mA

S=1.57=157%6.3濾波電路6.3.1電容濾波電路

作用：為了降低整流電路輸出電壓的脈動(dòng)成分，需要采取由電容或電感等儲(chǔ)能元件組成的濾波電路進(jìn)行濾波，以得到波形平滑的直流電壓。1.電路組成及工作原理圖6-5橋式整流電路的電容濾波電路圖6-5橋式整流電路的電容濾波電路

電路組成及工作原理：圖6-5（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6-5（b）所示為濾波電路的波形。如前所述，在整流電路中不接濾波電容C時(shí)，負(fù)載RL上的脈動(dòng)電壓uo波形如圖6-5（b）中虛線所示。

當(dāng)電路接入濾波電容C之后，在u2正半周，VD1和VD2導(dǎo)通，電源除向負(fù)載RL提供電流io之外，還有一個(gè)電流iC向電容充電。若忽略變壓器繞組的內(nèi)阻和二極管導(dǎo)通電阻，則電容上電壓uC將隨著u2的上升很快充電到u2的峰值

U2。此后，u2按正弦規(guī)律從峰值開始下降。

工作原理：

當(dāng)u2＜uC后，4只二極管由于反偏而全部截止。電容則通過RL進(jìn)行放電，同時(shí)電容上的電壓uC（負(fù)載RL兩端輸出電壓uo）按指數(shù)規(guī)律慢慢下降，下降的速度由放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC決定，其放電波形如圖6-5（b）中的實(shí)線所示。待到u2的負(fù)半周|u2|＞uC時(shí)，VD3和VD4導(dǎo)通，電源再次向負(fù)載提供電流并向電容充電。當(dāng)uC達(dá)到峰值之后，|u2|又按正弦規(guī)律下降，電容再對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)|u2|＜uC時(shí)，4只二極管又全部截止。隨著放電的進(jìn)行，uC（uo）再次按指數(shù)規(guī)律下降。如此循環(huán)，uo變成了比較平滑的直流電壓，如圖6-5（b）中的實(shí)線所示。圖6-5橋式整流電路的電容濾波電路圖6-5橋式整流電路的電容濾波電路

工作原理：輸出電壓uo的平滑程度取決于濾波電容的放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC，τ越大，放電過程越慢，將使得輸出電壓平均值越高，脈動(dòng)成分越小，濾波效果越好。除濾波電容C的容量外，負(fù)載電阻RL的大小也會(huì)影響濾波效果。RL減?。ɑ蜇?fù)載電流增大）將使輸出電壓平均值減小，同時(shí)脈動(dòng)成分增大。所以，電容濾波電路適用于負(fù)載電流小且變化范圍不大的場合。

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(shí)間常數(shù)的大小，從而影響到濾波的效果。在實(shí)際電路中，對(duì)于全波或橋式整流電路，常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來選擇濾波電容的容量：

RLC≥（3～5）

上式中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(shí)，要注意電解電容的極性不能接反。圖6-5橋式整流電路的電容濾波電路6.3.2∏型RC濾波電路

優(yōu)缺點(diǎn)：增加一級(jí)RC濾波電路以后，使得輸出電壓更加平滑，但也使得直流電壓有所衰減。為了維持原有的輸出電壓，就要適當(dāng)提高U2的大小，這是∏型RC濾波電路的缺點(diǎn)；而且負(fù)載電流越大，這個(gè)缺點(diǎn)越明顯。圖6-6Π型RC濾波電路6.3.3電感濾波電路和LC濾波電路

1.電感濾波電路

圖6-7橋式整流電感濾波電路

電路組成：利用電感具有阻止電流變化的特性，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電感，即可構(gòu)成橋式整流電感濾波電路，如圖6-7所示。

工作原理：當(dāng)整流后的脈動(dòng)電流增大時(shí)，電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，阻止電流增大；當(dāng)電流減小時(shí)，電感的反電動(dòng)勢(shì)將會(huì)阻止電流減小，從而使負(fù)載電流的脈動(dòng)成分大大降低，達(dá)到濾波的目的。由于電感的交流阻抗很大，而直流電阻很小，因此交流分量在jωL和RL上分壓后，很大部分降落在電感上，所以降低了輸出電壓中脈動(dòng)成分，但直流分量經(jīng)過電感后基本上沒有損失。

優(yōu)缺點(diǎn)：電感濾波電路適用于負(fù)載電流較大的場合，而且負(fù)載電流變化時(shí)，輸出直流電壓變化較小，即其外特性較硬。如圖6-7可知，L越大，RL越小，則濾波效果越好。采用電感濾波，整流二極管的導(dǎo)通角不會(huì)減小，避免了浪涌電流的沖擊。這些都是電感濾波電路的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是需要繞制一個(gè)體積較大的電感，而且往往是帶鐵心的電感，如圖10.7中L的電路符號(hào)所示。

2.LC濾波電路

為了進(jìn)一步改善濾波效果，在電感濾波電路的基礎(chǔ)上，再在RL上并聯(lián)一個(gè)電容，即構(gòu)成LC濾波電路。如圖6-8所示。

圖6-8LC濾波電路

在LC濾波電路中，如果電感L值太小，RL又很大時(shí)，該電路與電容濾波電路很相似，將呈現(xiàn)出電容濾波的特性。

為了保證整流管的導(dǎo)電角仍為180o，一般要求L值較大。對(duì)基波信號(hào)而言，應(yīng)滿足RL＜3ωL。

在LC濾波電路中，由于RL上并聯(lián)了一個(gè)電容，交流分量在RL//XC和XL之間分壓，所以輸出電壓uo的脈動(dòng)成分比僅用電感濾波時(shí)更小。若忽略電感L上的直流壓降，則LC濾波電路的輸出直流電壓Uo為：

Uo≈0.9U2

3.LC濾波電路LC濾波電路在負(fù)載電流較大或較小時(shí)，均有良好的濾波作用。也就是說，它對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性比較強(qiáng)。此外，還有∏型LC濾波電路，如圖10.9所示。

圖6-9

∏型LC濾波電路

圖6-8LC濾波電路濾波電路小結(jié)：

電感濾波和LC濾波克服了整流管沖擊電流大的特點(diǎn)，濾波效果良好，而且電路的外特性較硬，但與電容濾波相比，輸出直流電壓較低，采用電感使體積和重量都大為增加。表6-2中列出了各種的濾波電路的性能。

表6-2各種濾波電路性能比較6.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

作用：整流、濾波后得到的平滑直流電壓會(huì)隨電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載的改變而變動(dòng)。為了能夠提供更加穩(wěn)定的直流電壓，需要在整流濾波后加上穩(wěn)壓電路，使輸出直流電壓在上述兩種變化條件下保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路的種類和形式很多，本節(jié)首先介紹比較簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。6.4.1電路組成及穩(wěn)壓原理

圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

工作原理分析思路：保證穩(wěn)壓管的電流Izmin≤IDZ≤IZmax，則Uo基本穩(wěn)定，其值為UZ。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓允許的波動(dòng)范圍為±10%，應(yīng)從電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化兩個(gè)方面來考察電路是否有穩(wěn)壓作用。分析如下：電路的穩(wěn)壓原理：1.電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)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(shí)，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?yàn)镮R=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(shí)，Ui、IDZ、IR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(shí)，△UR≈△Ui，從而使得Uo穩(wěn)定。

2.負(fù)載電阻（電流）變化時(shí)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(shí)，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(bǔ)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(shí)，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(shí)，△IDZ≈-△Io，從而使得Uo穩(wěn)定。圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路6.4.2限流電阻的選擇

在圖6-10所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，限流電阻R是個(gè)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。從圖可知，R中電流：

若R取值過小，則當(dāng)負(fù)載電流最小且Ui最大（即電網(wǎng)電壓產(chǎn)生+10%波動(dòng)）時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流可能超過其允許的最大電流IZmax，造成穩(wěn)壓管損壞；若R取值過大，則當(dāng)負(fù)載電流最大且Ui最?。措娋W(wǎng)電壓產(chǎn)生-10%波動(dòng)）時(shí)，將使得流過穩(wěn)壓管的電流可能減小到最小工作電流IZmin以下，使穩(wěn)壓管失去穩(wěn)壓作用。圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路限流電阻的選擇：

由以上分析可知，選擇R的阻值應(yīng)該滿足下述關(guān)系：

或者或者

綜上可得：圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

【例6-2】

在下圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，設(shè)穩(wěn)壓管的UZ=6V，穩(wěn)定電流IZ=IZmin=5mA，額定功率PZ=300mW，當(dāng)IZ由IZmin變到IZmax時(shí)，UZ的變化量△UZ為0.45V；穩(wěn)壓電路直流輸入電壓Ui為15V±10%，負(fù)載電阻RL為200Ω～600Ω。試選擇限流電阻R。

解：由給定條件可知：

IZmin=5mA

IZmax=PZ/UZ=0.3/6=0.05A=50mA

Iomin=UZ/RLmax=6/600=0.01A=10mA

Iomax=UZ/RLmin=6/200=0.03A=30mA

Uimax=（1+10%）×15=16.5V

Uimin=（1-10%）×15=13.5V

將上述參數(shù)代入限流電阻估算公式，可得：

可以取R=200Ω。圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

結(jié)論：

當(dāng)輸出電壓不需要調(diào)節(jié)，負(fù)載電流比較小的情況下，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的效果較好，所以在小型的電子設(shè)備中經(jīng)常采用這種電路。但是，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路還存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是輸出電壓由穩(wěn)壓管的型號(hào)決定，不可隨意調(diào)節(jié)；二是電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的變化范圍較大時(shí)，電路將不能適應(yīng)。為了改進(jìn)以上缺點(diǎn)，可以采用串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。圖6-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路6.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路6.5.1電路組成及工作原理

組成：圖6-11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VT接成射極輸出器形式，主要起調(diào)整作用。因?yàn)樗c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。

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路電路組成及工作原理：

電路組成：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、RP和R2組成采樣電路。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，采樣電阻將其變化量的一部分UF送到比較放大電路。運(yùn)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(yùn)算放大器A的反相輸入端和同相輸入端，進(jìn)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。

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路電路組成及工作原理：

工作原理：當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)使Ui升高或者負(fù)載變動(dòng)使IL減小時(shí)，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(shí)，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(shí)質(zhì)上是通過負(fù)反饋使輸出電壓維持穩(wěn)定的過程。

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路6.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路6.5.2輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

改變采樣電路中間電位器RP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(yùn)放，它工作在線性放大區(qū)，故有UF=UZ。從采用電路可知：

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍：

所以

當(dāng)電位器抽頭調(diào)至RP的上端時(shí)，R//P=RP，此時(shí)輸出電壓最小。即

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍：當(dāng)電位器抽頭調(diào)至RP的下端時(shí)，R//P=RP，此時(shí)輸出電壓最大。即

圖6-11串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路

【補(bǔ)充例題】

設(shè)圖6-11所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管為2CW14，其穩(wěn)定電壓為UZ=7V，采樣電阻R1=3kΩ，RP=2kΩ，R2=3kΩ，試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。

解：由前面的推導(dǎo)可得：

由此可知，穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍是（11.2～18.7）V。6.5.3輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中輸出電壓能夠保持穩(wěn)定，主要依靠調(diào)整管的c-e間電壓UCE來平衡。通常選擇調(diào)整管的UCE變化范圍為3V～8V，因此穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui的變化范圍應(yīng)為：

Ui=Uomax+(3～8)V

Ui是整流濾波后的電壓，它與變壓器二次側(cè)電壓U2的關(guān)系為Ui≈1.2U2。如果考慮電網(wǎng)電壓有±10%的波動(dòng)，那么變壓器二次側(cè)電壓有效值應(yīng)為：

【例6-3】

在圖6-11所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中，已知基準(zhǔn)電壓UZ=9V，R1=3kΩ，RP=2kΩ，R2=3kΩ，試估算：（1）輸出電壓Uo的變化范圍；（2）輸入電壓Ui至少應(yīng)多大？（3）當(dāng)Ui=28V時(shí)，電源變壓器二次側(cè)電壓有效值U2為多少？

解：（1）輸出電壓：

因此，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)為14.4V～24V。

（2）考慮到調(diào)整管壓降至少為3V，則輸入電壓至少應(yīng)為：Ui=Uomax+3=27V

（3）當(dāng)Ui=28V時(shí)，若不考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，則變壓器二次側(cè)電壓有效值為：

若考慮電網(wǎng)電壓±10%的波動(dòng)，則變壓器二次側(cè)電壓有效值范圍應(yīng)為(0.9～1.1)，即21V～25.6V。6.6集成穩(wěn)壓電路

發(fā)展及特點(diǎn)：隨著集成技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也迅速實(shí)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(gè)重要組成部分。目前已能大量生產(chǎn)各種型號(hào)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。

工作原理：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(hù)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(gè)穩(wěn)壓電路變成了一個(gè)部件，即集成電路。它以一個(gè)單體的形式參與電路工作，因此使用起來靈活方便。

分類：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(hào)分類又有CW78系列、CW79系列、W2系列、WA7系列、WB7系列、FW5系列等。10.6集成穩(wěn)壓電路三端集成穩(wěn)壓器簡介：

圖6-12所示為三端集成穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖6-12三端集成穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)方框圖

三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部是由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電源、放大電路、調(diào)整管、采樣電路和保護(hù)電路等六部分組成。其中啟動(dòng)電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時(shí)，使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立起各自的工作電流，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作時(shí)啟動(dòng)電路被斷開，以免影響穩(wěn)壓電路的性能。

三端集成穩(wěn)壓器實(shí)際上就是由串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路所構(gòu)成的。盡管在具體的電路中有很多改進(jìn)，但基本工作原理與前述相同，這里不再贅述。由于它只有輸入端、輸出端和公共端三個(gè)引出端，故通常稱為三端集成穩(wěn)壓器。1.電路組成2.主要參數(shù)

三端集成穩(wěn)壓器目前已發(fā)展成為獨(dú)立體系，它的規(guī)格齊全、型號(hào)種類多。在常用的三端集成穩(wěn)壓器中，有輸出固定正電壓的CW78××系列、CW×40系列等；輸出固定負(fù)電壓的CW79××系列、CW×45系列等。目前生產(chǎn)和應(yīng)用最廣的是CW78××系列和CW79××系列等。它們各有七種。其型號(hào)后兩位數(shù)字為輸出電壓值。

無論固定正輸出還是固定負(fù)輸出的三端集成穩(wěn)壓器，它們的輸出電壓值通?？煞譃槠邆€(gè)等級(jí)，即±5V、±6V、±8V、±12V、±15V、±18V和±24V七個(gè)等級(jí)。輸出電流則有三個(gè)等級(jí)：1.5A（W7800及W7900系列）、500mA（78M00及W79M00系列）和100mA（W78L00及W79L00）系列）三個(gè)等級(jí)。

圖6-12三端集成穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)方框圖三端集成穩(wěn)壓器簡介：

3.外形及電路符號(hào)

三端集成穩(wěn)壓器的外形及電路符號(hào)分別如圖6-13和圖6-14所示。圖6-13三端集成穩(wěn)壓器的外形

圖6-14三端集成穩(wěn)壓器的電路符號(hào)三端集成穩(wěn)壓器簡介：4.基本應(yīng)用

（1）基本應(yīng)用電路三端集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖10.20所示。直流輸入電壓Ui接在輸入端（IN）和公共端（GND）之間，在輸出端（OUT）即可得到穩(wěn)定的輸出電壓Uo。電容C1可改善輸入紋波電壓，其容量一般為0.33μF。電容C2可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。圖6-15三端集成穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路

（2）提高輸出電流

W7800系列最大輸出電流為1.5A，若要求更大的電流輸出，可以在基本應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上外接大功率三極管T以提高輸出電流，圖6-16所示是電路接法。負(fù)載所需大電流由大功率三極管T提供，T的基極由三端穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)，電路中接入一個(gè)二極管D是為了補(bǔ)償三極管的發(fā)射結(jié)電壓UBE，使電路的輸出電壓Uo基本上等于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓U××。只要適當(dāng)選擇二極管的型號(hào)，并通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值以改變流過二極管的電