直流穩(wěn)壓電源的原理與設(shè)計(jì)-

直流穩(wěn)壓電源的原理與設(shè)計(jì)

直流電源的組成及各部分的作用電源變壓器：把220V電網(wǎng)電壓降至所需電壓。整流電路：把交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動的直流電壓。濾波電路：減小脈動使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路：在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時保持輸出電壓基本不變。

整流與濾波電路1.半波整流電路二極管導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo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=0+–io+–u2>0時:u2<0時:一.單相整流電路單相半波整流電壓波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD

t

2340輸出電壓平均值（Uo）,輸出電流平均值（Io)：()ò=pwp2021tduUoo=()òpwp

021tdsinwt22U=p2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=Uo/RL=0.45U2/RL

uo

20t二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbDRLuouDiouD

20tUDRM二極管上的平均電流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向電壓:2.全波整流電路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個相等的電壓u2當(dāng)u2正半周時，D1導(dǎo)通，D2截止。當(dāng)u2負(fù)半周時，D2導(dǎo)通，D1截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io單相全波整流電壓波形u2uouD1

t

2340uD2+–+–0~

：uD2=2u2+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)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo

20t()ò=pwp

01tduUoo=()òpwp

01tdsinwt22UIo=Uo/RL=0.9U2/RL

=p229.02UU=2二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二極管上的平均電流：oDII21=uD

20tDRM22UU=2二極管承受的最高反向電壓：3.橋式整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo組成：由四個二極管組成橋路RLD1D3D2D4u2uou2uo+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周時電流通路D1

、D4導(dǎo)通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2負(fù)半周時電流通路D2、D3

導(dǎo)通，D1

、D4截止集成硅整流橋：u2uo+

–

~+~-

+–4.整流電路的主要參數(shù)負(fù)載電壓Uo的平均值為:()ò=πootduπU2021w負(fù)載上的(平均)電流:LoRUIo=(1)整流輸出電壓的平均值uo

20t

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與Uo平均值之比。S越小越好。（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:uo

20t基波基波峰值輸出電壓平均值平均電流(ID)與反向峰值電壓(UDRM)是選擇整流管的主要依據(jù)。oDII21=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：(3)二極管平均電流與反向峰值電壓（選購時：二極管額定電流

2ID)（選購時：最大反向電壓

2URM)全波整流電路橋式整流電路半波整流電路二、濾波電路濾波電路的結(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RLLRLC1.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。(1)電容濾波原理a橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=uc

時間常數(shù)

=rdCu2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，時間常數(shù)

=RLCu2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時，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，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(考慮整流電路內(nèi)阻)一般取)105(TCRτL-3=(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)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(2)電容濾波電路的特點(diǎn)(a)輸出電壓平均值Uo與時間常數(shù)RLC有關(guān)RLC愈大

電容器放電愈慢

Uo(平均值)愈大(c)二極管承受的最高反向電壓2.電感濾波電路電路結(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。u2u1RLLuo電感濾波原理對諧波分量:

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對直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上3.RC–

型濾波器改善濾波特性的方法：采取多級濾波uoRu2u1C1C2uo1′RLRC–

型濾波器將RC–

型濾波器中的電阻換為電感，變?yōu)長C–

型濾波器串聯(lián)式穩(wěn)壓電路穩(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)壓直流電壓穩(wěn)壓電源類型:以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源開關(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時有限，這里不做介紹。一.硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性。由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。

硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓原理(1)當(dāng)輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知

輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓

硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

這里VO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點(diǎn)的，這是一個有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.穩(wěn)壓電阻的計(jì)算穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大，穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓電阻R

的作用將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用，同時R也是限流電阻。

顯然R的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達(dá)到足夠的穩(wěn)壓效果。

但R的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓電阻的計(jì)算如下

當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即(1)穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞！

當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應(yīng)超過IZmax，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(2)三.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源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VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓實(shí)質(zhì)：電壓負(fù)反饋2．負(fù)載電流變化時IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑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≈VREFT1調(diào)整管R3

、T2比較放大R1

、RW

、R2采樣電阻R

、UZ基準(zhǔn)電壓3.分立元件組成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2穩(wěn)壓原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2（UB1）Uo當(dāng)UI增加或輸出電流減小使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2（UB1）(3)輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍因?yàn)椋篛U2BEZUU+22WRR+21WRRR++=()22221BEZWWOUURRRRRU++++=所以：2221ZWWURRRRR+++=忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k

，求輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU+++=

4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxURRRRU++=

4=12V4.74.7++=4.74.710.3

三端集成穩(wěn)壓器一.輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器

（正電壓78

、負(fù)電壓79

）恒流源基準(zhǔn)電壓電路調(diào)整電路比較放大減流保護(hù)過熱保護(hù)啟動電路取樣電路IQR1R2輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路I1I2如何消除IQ的影響呢？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–+Uo231CI0.1~1

FCo1μF-10V-5V1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+_Uo132CI0.1~1

FCo1μF+10V+5V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用1.固定式應(yīng)用舉例10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用2.可調(diào)式應(yīng)用舉例

開關(guān)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電源用途廣泛，但存在以下兩個問題：

(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。10.2.4

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用2.可調(diào)式應(yīng)用舉例四.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)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)的依據(jù)是技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：電路結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)計(jì)算、器件選擇、具體電路設(shè)計(jì)步驟包括：根據(jù)市場、技術(shù)潮流、主要指標(biāo)選擇電源類型和電路結(jié)構(gòu)根據(jù)電壓關(guān)系計(jì)算各部分的電壓根據(jù)電流關(guān)系計(jì)算各部分的電流根據(jù)功率關(guān)系計(jì)算各部分的功率根據(jù)電壓、電流、功率選擇器件設(shè)計(jì)結(jié)果包括：具體電路圖，設(shè)計(jì)到電路、器件型號、管腳

電感與變壓器i四、磁導(dǎo)率表征