電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 第7章 直流穩(wěn)壓電路

課題七直流穩(wěn)壓電路7.1概述7.2整流及濾波電路7.3直流穩(wěn)壓電路7.4晶閘管及可控整流電路課題小結(jié)

7.1概述

7.1.1直流電源的組成小功率直流電源一般由變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路幾部分組成，如圖7.1所示。圖7.1直流電源電路的組成框圖

7.1.2直流電源演示

演示電路如圖7.2所示，在圖7.2(a)電路中，變壓器的初級(jí)接220V交流電源。用示波器觀察ab間的波形如圖7.3(a)所示，觀察1~0間的波形如圖7.3(b)所示。合上開關(guān)S，再用示波器觀察1~0間的波形如圖7.3(c)所示。

如果加上穩(wěn)壓部分，如圖7.2(b)所示，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓器W7809(三端穩(wěn)壓器將在7.3節(jié)中詳細(xì)介紹)。用示波器觀察2~0間的波形如圖7.3(d)所示。圖7.2直流電源演示圖7.3各點(diǎn)電壓波形

7.2整流及濾波電路

7.2.1電路組成及工作原理常用的整流電路包括單相整流和三相整流兩大類，其中單相整流又可分為單相半波整流和單相全波整流，本書只介紹單相整流。圖7.4是單相半波整流電路，它由整流變壓器T、整流二極管VD及負(fù)載RL組成。圖7.4單相半波整流電路

單相半波整流電路及電壓、電流的波形如圖7.5所示，即圖7.5單相半波整流電路電壓與電流的波形

7.2.2單相半波整流電路的主要技術(shù)指標(biāo)

1.輸出電壓平均值

在圖7.5所示波形電路中，負(fù)載上得到的整流電壓是單方向的，但其大小是變化的，是一個(gè)單向脈動(dòng)的電壓，由此可求出其平均電壓值為

2.流過二極管的平均電流iV

由于流過負(fù)載的電流就等于流過二極管的電流，因此

3.二極管承受的最高反向電壓URM

在二極管不導(dǎo)通期間，承受反向電壓的最大值就是變壓器次級(jí)電壓u2的最大值，即

4.脈動(dòng)系數(shù)S

脈動(dòng)系數(shù)S是衡量整流電路輸出電壓平滑程度的指標(biāo)。由于負(fù)載上得到的電壓Uo是一個(gè)非正弦周期信號(hào)，可用傅氏級(jí)數(shù)展開為

脈動(dòng)系數(shù)的定義為最低次諧波的峰值與輸出電壓平均值之比，即

7.2.3單相橋式整流電路

為了克服半波整流電路電源利用率低，整流電壓脈動(dòng)程度大的缺點(diǎn)，常采用全波整流電路，最常用形式是橋式整流電路。它由四個(gè)二極管接成電橋形式，如圖7.6所示，其中圖(a)、圖(b)為單相橋式整流電路常見的兩種電路畫法，圖(c)、圖(d)為橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法。圖7.6單相橋式整流電路組成

1.電路組成及工作原理

在圖7.6(a)所示電路中，當(dāng)變壓器次級(jí)電壓u2為上正下負(fù)時(shí)，二極管VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流i1的通路為a→VD1→RL→VD3→b，這時(shí)負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)正弦半波電壓，如圖7.7中0~π段所示。當(dāng)變壓器次級(jí)電壓u2為上負(fù)下正時(shí)，二極管VD1和VD3反向截止，VD2和VD4導(dǎo)通，電流i2的通路為b→VD2→RL→VD4→a，同樣，在負(fù)載電阻上得到一個(gè)正弦半波電壓，如圖7.7中π~2π段所示。圖7.7單相橋式整流電路電壓與電流波形

2.技術(shù)指標(biāo)計(jì)算及分析

1)輸出電壓平均值Uo

由以上分析可知，橋式整流電路的整流電壓平均值Uo比半波整流時(shí)增加一倍，即

2)直流電流Io

橋式整流電路通過負(fù)載電阻的直流電流也增加一倍，即

3)二極管的平均電流iV

因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)輪換導(dǎo)通半個(gè)周期，所以，每個(gè)二極管中流過的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即

5)脈動(dòng)系數(shù)S

單相全波橋式整流輸出電壓uo的傅氏級(jí)數(shù)展開式為

即

7.2.4濾波電路

1.電容濾波電路

圖7.8所示為一單相半波整流電容濾波電路，由于電容兩端電壓不能突變，因而負(fù)載兩端的電壓也不會(huì)突變，得以使輸出電壓平滑，達(dá)到濾波目的。

圖7.8單相半波整流電容濾波電路

濾波過程及波形如圖7.9所示。圖7.9電容濾波原理及輸出波形

利用電容濾波時(shí)應(yīng)注意下列問題：

(1)濾波電容容量較大，一般用電解電容，應(yīng)注意電容的正極接高電位，負(fù)極接低電位。如果接反則容易擊穿、爆裂。

(2)開始時(shí)，電容C上的電壓為零，通電后電源經(jīng)整流二極管給C充電。通電瞬間流過二極管的短路電流稱為浪涌電流，一般是正常工作電流io的5~7倍，所以選二極管參數(shù)時(shí)，正向平均電流的參數(shù)應(yīng)選大一些。同時(shí)在整流電路的輸出端，即在濾波電容前應(yīng)串聯(lián)一個(gè)限流電阻，以保護(hù)整流二極管。

2.電感濾波及復(fù)式濾波電路

1)電感濾波電路

由于通過電感的電流不能突變，因此用一個(gè)大電感與負(fù)載串聯(lián)，流過負(fù)載的電流也就不能突變，這樣，輸出電壓的波形也就平穩(wěn)了。其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姼袑?duì)交流呈現(xiàn)很大的阻抗，頻率愈高，感抗越大，則交流成分絕大部分降到了電感上，若忽略導(dǎo)線電阻，電感對(duì)直流沒有壓降，即直流均落在負(fù)載上，達(dá)到了濾波目的。電感濾波電路如圖7.10所示。圖7.10帶電感濾波器的橋式整流電路

2)復(fù)式濾波電路

為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路。電感型LC濾波電路如圖7.11所示。圖7.11橋式整流電感型LC濾波電路

3)π型濾波電路

圖7.12(a)所示為L(zhǎng)Cπ型濾波電路。整流輸出電壓先經(jīng)電容C1，濾除了交流成分后，再加到L和C2組成的濾波電路中，C2上的交流成分極少，因此輸出幾乎是平直的直流電壓。由于鐵芯電感體積大、笨重、成本高、使用不便，因此，在負(fù)載電流不太大而要求輸出脈動(dòng)很小的場(chǎng)合，可將鐵芯電感換成電阻，如圖7.12(b)所示，即RCπ型濾波電路。電阻R對(duì)交流和直流成分均產(chǎn)生壓降，故會(huì)使輸出電壓下降，但只要RL?1/(ωC2)，電容C1濾波后的輸出電壓絕大多數(shù)降在電阻RL上。RL愈大，C2愈大，濾波效果愈好。圖7.12π型濾波電路

7.3直流穩(wěn)壓電路

7.3.1硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路組成及工作原理硅穩(wěn)壓管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖7.13所示，經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓作為穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui，限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ組成穩(wěn)壓電路，輸出電壓Uo=UZ。圖7.13穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的直流電源電路

在這種電路中，不論是電網(wǎng)電壓波動(dòng)還是負(fù)載電阻RL的變化，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因?yàn)閁Z基本恒定，而Uo=UZ。下面從兩個(gè)方面來(lái)分析其穩(wěn)壓原理：

(1)設(shè)RL

不變，電網(wǎng)電壓升高使Ui

升高，導(dǎo)致Uo

升高，而Uo=UZ。根據(jù)穩(wěn)壓管的特性，當(dāng)UZ升高一點(diǎn)時(shí)，IZ

將會(huì)顯著增加，這樣必然使電阻R上的壓降增大，吸收了Ui的增加部分，從而保持Uo不變。

反之亦然。

(2)設(shè)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL阻值增大時(shí)，IL減小，限流電阻R上壓降UR將會(huì)減小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以導(dǎo)致Uo

升高，即UZ

升高，這樣必然使IZ顯著增加。由于流過限流電阻R的電流為IR=IZ+IL，這樣可以使流過R上的電流基本不變，導(dǎo)致壓降UR基本不變，則Uo也就保持不變。

反之亦然。

2.穩(wěn)壓電路參數(shù)確定

(1)限流電阻的計(jì)算。穩(wěn)壓電路要輸出穩(wěn)定電壓，必須保證穩(wěn)壓管正常工作。因此必須根據(jù)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電阻RL的變化范圍，正確地選擇限流電阻R的大小。從兩個(gè)極限情況考慮，則有：

7.3.2串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路

并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定，但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流很小，由式(7-14)可知，

而IZ(max)一般只有20~40mA。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調(diào)節(jié)，常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，如圖7.14所示。圖7.14串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

圖7.14(a)是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，可能使輸出電壓Uo上升或下降。為了使輸出電壓Uo

不變，可以利用負(fù)反饋原理使其穩(wěn)定。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo上升，其穩(wěn)壓過程如下：

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓可由Rp進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓表達(dá)式為

式中，R=R1+Rp+R2，R'p是Rp的下半部分阻值。

如果將圖7.14(a)中的放大元件改成集成運(yùn)放，不但可以提高放大倍數(shù)，而且能提高靈敏度，這樣就構(gòu)成了由運(yùn)算放大器組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電路如圖7.14(b)所示。假設(shè)因某種原因使輸出電壓Uo

下降，其穩(wěn)壓過程如下：

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分，其組成框圖如圖7.15所示。圖7.15串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖

7.3.3集成穩(wěn)壓器及應(yīng)用

集成穩(wěn)壓器將取樣、基準(zhǔn)、比較放大、調(diào)整及保護(hù)環(huán)節(jié)集成于一個(gè)芯片，按引出端不同可分為三端固定式、三端可調(diào)式和多端可調(diào)式等。三端穩(wěn)壓器有輸入端(IN)、輸出端

(OUT)和公共端(GND，接地)三個(gè)接線端點(diǎn)，由于它所需外接元件較少，便于安裝調(diào)試，工作可靠，因此在實(shí)際使用中得到廣泛應(yīng)用。其外形如圖7.16所示。圖7.16

1.固定輸出的三端穩(wěn)壓器

常用的三端固定穩(wěn)壓器有7800系列和7900系列，其外型如圖7.16(a)所示。

2.三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器

7800、7900系列集成穩(wěn)壓器只能輸出固定電壓值，在實(shí)際應(yīng)用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列為可調(diào)輸出穩(wěn)壓器，其中ADJ為調(diào)整端，其外型如圖7.16(b)所示。圖7.17可調(diào)輸出穩(wěn)壓電源

3.三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用

1)輸出固定電壓應(yīng)用電路

輸出固定電壓的應(yīng)用電路如圖7.18所示，其中圖(a)為輸出固定正電壓，圖(b)為輸出固定負(fù)電壓。圖中Ci用以抵消輸入端因接線較長(zhǎng)而產(chǎn)生的電感效應(yīng)，為防止自激振蕩，其取值范圍在0.1~1μF之間(若接線不長(zhǎng)時(shí)可不用)。Co用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取1μF左右，其作用是減少高頻噪聲。圖7.18固定輸出的穩(wěn)壓電路

2)輸出正、負(fù)電壓穩(wěn)壓電路

當(dāng)需要正、負(fù)兩組電源輸出時(shí)，可采用W7800系列和W7900系列各一塊，按圖7.19接線，即可得到正負(fù)對(duì)稱的兩組電源。圖7.19正負(fù)對(duì)稱輸出穩(wěn)壓電路

7.3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源

將直流電壓通過半導(dǎo)體開關(guān)器件(調(diào)整管)轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓，經(jīng)濾波后得到波紋很小的直流輸出電壓，這種裝置稱為開關(guān)電源。由于調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

1.串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源

開關(guān)電源的組成框圖如圖7.20所示，它主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波器、比較放大器和脈寬調(diào)制器等環(huán)節(jié)組成。開關(guān)調(diào)整管是一個(gè)由脈沖uPO控制的電子開關(guān)，如圖7.21所示。圖7.20開關(guān)電源的組成框圖圖7.21開關(guān)調(diào)整管工作過程示意圖

脈寬調(diào)制器的工作原理：當(dāng)輸入電壓uI和負(fù)載都處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出電壓uO也穩(wěn)定不變，設(shè)對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)uE和控制脈沖uPO的波形如圖7.22(a)所示。如果輸出電壓uO發(fā)生波動(dòng)，例如uI上升會(huì)導(dǎo)致uO

上升，而比較放大電路使uE

下降，脈寬調(diào)制器的輸出信號(hào)uPO的脈寬變窄，如圖7.22(b)所示，開關(guān)調(diào)整管的開通時(shí)間減小，使uO下降。通過上述調(diào)整過程，使輸出電壓uO保持穩(wěn)定。圖7.22開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖

輸出電壓uO的穩(wěn)定過程可描述為如下關(guān)系：

這種定頻調(diào)寬控制方法稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)法。

串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理如圖7.23所示。三極管V1為開關(guān)調(diào)整管，穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ作為基準(zhǔn)電壓，電位器RP對(duì)輸出電壓uO取樣送入比較放大環(huán)節(jié)與基準(zhǔn)電壓UZ相比較。濾波器由L、C和續(xù)流二極管VD

組成，當(dāng)三極管V1導(dǎo)通時(shí)，uI

向負(fù)載RL供電的同時(shí)也為電感L和電容C充電，當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)調(diào)整管V1截止時(shí)，電感L儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管VD向負(fù)載釋放，電容也同時(shí)向負(fù)載放電，使負(fù)載電流連續(xù)的臨界電感值為圖7.23串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理圖

濾波電容的容量是根據(jù)輸出電壓的波紋峰值Upp來(lái)確定的，表示為

由于有濾波器的影響，該電路輸出電壓平均值Uo必然大于δUi，而小于Ui，因此稱為降壓型開關(guān)電源。

2.并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源

這種開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理示意圖如圖7.24(a)所示。圖7.24并聯(lián)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理示意圖

3.變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源

如圖7.25所示為單端正激式變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖，這種開關(guān)電源的工作情況與降壓型開關(guān)電源有相似之處，當(dāng)開關(guān)調(diào)整管V1導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電壓近似等于輸入電壓uI，變壓器副邊電壓使二極管VD2導(dǎo)通，為負(fù)載供電，并為電容C2充電。圖7.25變壓器輸出型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理圖

4.集成開關(guān)電源電路介紹

1)MC3520

MC3520是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的集成脈寬調(diào)制器，內(nèi)部包括兩套獨(dú)立且相位相反的輸出電路(集電極開路輸出)，適合于構(gòu)成大、中功率的開關(guān)電源。其頻率范圍是2~100kHz，占空比調(diào)整范圍是0%~100%，電源電壓UCC為10~30V，輸出電流為50mA×2，峰值電流可達(dá)100mA。MC3520采用DIP16封裝，其引腳功能和內(nèi)部框圖如圖7.26所示。圖7.26MC3520的引腳功能和內(nèi)部框圖

MC3520的實(shí)際應(yīng)用電路如圖7.27所示，可作為大型開關(guān)穩(wěn)壓電源的驅(qū)動(dòng)電路。圖7.27MC3520的實(shí)際應(yīng)用電路

2)UC3842

UC3842是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的單端輸出式脈寬調(diào)制器，其工作溫度范圍為0~+70℃，目前在國(guó)產(chǎn)設(shè)備中的使用量很大。

UC3842采用DIP8封裝，引腳排列圖和內(nèi)部電路框圖分別如圖7.28和圖7.29所示。圖7.28UC3842的引腳排列圖7.29UC3842的內(nèi)部電路框圖

UC3842的典型應(yīng)用電路如圖7.30所示。圖7.30UC3842的典型應(yīng)用電路

7.4晶閘管及可控整流電路

晶閘管又稱可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體可控元件。它主要用于整流、逆變、調(diào)壓、開關(guān)四個(gè)方面，應(yīng)用最多的是晶閘管整流。它具有輸出電壓可調(diào)等特點(diǎn)。晶閘管的種類很多，有普通單向和雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管等。下面主要介紹普通晶閘管的工作原理、特性參數(shù)及簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路。

7.4.1晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、性能及參數(shù)

1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)

晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是由P1－N1－P2－N2三個(gè)PN結(jié)四層半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖7.31所示。其中P1層引出電極A為陽(yáng)極；N2層引出電極K為陰極；P2層引出電極G為控制極，

其外形及符號(hào)如圖7.32所示。圖7.31晶閘管結(jié)構(gòu)圖7.32晶閘管的外形及符號(hào)

2.晶閘管的工作原理

我們可以把晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看成由PNP和NPN型兩個(gè)晶體管連接而成，如圖7.33所示。圖7.33晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

晶閘管是一個(gè)可控制的單向開關(guān)元件，它的導(dǎo)通條件為：

①陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓；

②晶閘管控制極要加正向觸發(fā)電壓。而關(guān)斷條件為晶閘管陽(yáng)極接電源負(fù)極，陰極接電源正極，或使晶閘管中電流減小到維持電流以下。

晶閘管工作情況如圖7.34所示。圖7.34晶閘管工作情況

3.晶閘管特性

晶閘管的基本特性常用伏安特性表示，如圖7.35所示。圖7.35晶閘管伏安特性

4.主要參數(shù)

(1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM是在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，通常規(guī)定該電壓比正向轉(zhuǎn)折電壓小100V左右。

(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM是在控制極開路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向重復(fù)峰值電壓，一般情況下URRM=UFRM。

(3)額定正向平均電流IF是在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。

(4)維持電流IH是在規(guī)定環(huán)境溫度和控制極開路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。

(5)觸發(fā)電壓UG與觸發(fā)電流IG是在規(guī)定環(huán)境溫度下加一正向電壓，使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)所需的最小控制極電壓和電流。

7.4.2可控整流電路

1.單向半波可控整流電路

圖7.36是由晶閘管組成的半波可控整流電路，其中負(fù)載電阻為RL，工作情況如圖7.37所示(不同性質(zhì)的負(fù)載工作情況不同，在此僅介紹電阻性負(fù)載，電感性負(fù)載的工作情況可參考有關(guān)書籍)。由圖7.37可見，在輸入交流電壓u的正半周時(shí)，晶閘管VT承受正向電壓。圖7.36晶閘管組成的半波可控整流電路圖7.37電壓電流波形圖

顯然，在晶閘管承受正向電壓的時(shí)間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的加入時(shí)間(稱為移相)，負(fù)載上得到的電壓波形隨之改變?？梢?，移相可以控制負(fù)載電壓的大小。晶閘管在加正向電壓下不導(dǎo)通的區(qū)域稱控制角α(又稱移相角)，如圖7.37(c)所示。而導(dǎo)通區(qū)域稱為導(dǎo)通角θ，可以看出導(dǎo)通角愈大，輸出電壓愈高，可控整流電路輸出電壓和輸出電流的平均值分別為

2.單相半控橋式整流電路

單相半波可控整流電路雖然具有電路簡(jiǎn)單，使用元件少等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓脈動(dòng)性大，電流小。單相半控橋式整流電路如圖7.38所示，橋中有兩個(gè)