《電工電子學(xué)》課件第12章

第12章直流穩(wěn)壓電源

12.1單相整流電路

12.2濾波電路

12.3穩(wěn)壓電路

12.4串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源

12.5集成穩(wěn)壓電源

12.6開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源是利用半導(dǎo)體技術(shù)將交流電變成直流電的電子電路，其基本組成如圖12-1所示。其中，電源變壓器是用于改變交流電壓的大小以滿足整流電路的要求；整流電路將交流電變成脈動(dòng)的直流電壓；濾波器(濾波電路)用于減小整流輸出電壓的脈動(dòng)程度，使直流電壓變得平滑；穩(wěn)壓電路使輸出電壓更穩(wěn)定。圖12-1直流電源的組成方框圖

12.1單相整流電路

12.1.1單相半波整流電路

單相半波整流電路如圖12-2(a)所示，它是由整流變壓器Tr、整流二極管VD及負(fù)載RL組成的。

由于二極管的單向?qū)щ娦?，使?fù)載電阻的電壓uo和電流

io都具有單向脈動(dòng)性，其波形圖如圖12-2(b)所示。圖12-2單相半波整流電路在負(fù)載上得到的大小變化的單向脈動(dòng)電壓uo，常用一個(gè)周期的平均值來說明其大小。單相半波整流電壓的平均值為

(12-1)整流電流的平均值為

(12-2)

在整流電路中，除根據(jù)負(fù)載所需要的直流電壓和直流電流選擇整流元件外，還要根據(jù)流過二極管電流的平均值和它所承受的最大反向電壓來選擇二極管的型號(hào)。在單相半波整流電路中，二極管的正向平均電流等于負(fù)載電流平均值，即

(12-3)二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊交流電壓u的最大值，即

(12-4)

一般情況下，允許電網(wǎng)電壓有±10%的波動(dòng)，因此在選用二極管時(shí)，對(duì)于最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓URM應(yīng)至少留有10%的余地，以保證二極管安全工作。

(12-5)

(12-6)

【例12-1】半波整流電路如圖12-2(a)所示。已知負(fù)載電阻RL=750Ω，變壓器副邊電壓U=20V。問：

(1)負(fù)載電阻RL上的電壓平均值Uo和電流平均值Io各為

多少？

(2)二極管承受的最大反向電壓UDRM是多少？

解

(1)負(fù)載電阻上的平均電壓

流過負(fù)載的平均電流

(2)二極管承受的最大反向電壓

二極管工作的最大反向電壓和最大整流平均電流分別為12.1.2單相全波整流電路

單相全波整流電路如圖12-3(a)所示。它是由整流變壓器Tr、兩個(gè)整流二極管VD1和VD2以及負(fù)載電阻RL組成的。設(shè)整流變壓器的副邊電壓u21=u22=圖12-3全波整流電路在電壓的正半周，對(duì)于u21，A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，故VD1導(dǎo)通；對(duì)于u22，B點(diǎn)為正，C點(diǎn)為負(fù)，故VD2截止。所以電流從A點(diǎn)流出，經(jīng)VD1、RL后流入B點(diǎn)，輸出電壓uo=u21。

在電壓的負(fù)半周，對(duì)于u21，A點(diǎn)為負(fù)，B點(diǎn)為正，故

VD1截止；對(duì)于u22，B點(diǎn)為負(fù)，C點(diǎn)為正，故VD2導(dǎo)通。所

以電流從C點(diǎn)流出，經(jīng)VD2、RL后流入B點(diǎn)，輸出電壓

uo=－u22，此時(shí)VD1上承受的反向電壓為u21+u22。部分波形

如圖12-3(b)所示。同理，根據(jù)輸出電壓uo波形，單相全波整流輸出電壓的平均值為

(12-7)

整流電流的平均值

(12-8)由于每個(gè)二極管只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，因此，二極管的正向平均電流等于負(fù)載平均電流的一半，即

(12-9)

二極管承受的最大反向電壓是變壓器副邊電壓最大值的2倍，即

(12-10)12.1.3單相橋式整流電路

單相橋式整流電路如圖12-4(a)所示。它是由4個(gè)二極管構(gòu)成的橋式電路，其實(shí)質(zhì)是由兩個(gè)半波整流電路構(gòu)成，圖12-4(b)、(c)是它的簡(jiǎn)易畫法。圖12-4橋式整流電路在電壓u2的正半周，即0≤ωt≤π時(shí)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，二極管VD1和VD2導(dǎo)通，而VD3和VD4截止。電流從A點(diǎn)流出，經(jīng)過VD1、RL、VD2流入B點(diǎn)，如圖12-4(a)中箭頭所示。此時(shí)負(fù)載電阻RL上的電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2，VD3和VD4承受的反向電壓為u2。

在電壓u2的負(fù)半周，即π≤ωt≤2π時(shí)，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)，二極管VD3和VD4導(dǎo)通，而VD1和VD2截止。電流從B點(diǎn)流出，經(jīng)過VD3、RL、VD4流入A點(diǎn)。此時(shí)負(fù)載電阻RL上的電壓uo=u2，VD1和VD2承受的反向電壓為u2?？梢姡瑔蜗鄻蚴秸麟娐分杏捎赩D1、VD2和VD3、

VD4兩對(duì)二極管交替導(dǎo)通，在u2的整個(gè)周期內(nèi)使負(fù)載電阻

RL上始終有同一方向的電流流過。圖12-5為單相橋式整流電路部分的電壓、電流波形。圖12-5橋式整流電路波形圖根據(jù)圖12-5中uo的波形可知，輸出電壓、電流的平均值分別為

(12-11)

(12-12)

在單相橋式整流電路中，因?yàn)槊恐欢O管只在變壓器副邊電壓的半個(gè)周期通過電流，所以，每只二極管的平均電流只有負(fù)載電阻上電流平均值的一半，即

(12-13)二極管承受的最大反向電壓為

在實(shí)際選用二極管時(shí)，考慮到10%的余量，則二極管的最大整流電流和最大反向工作電壓為

(12-14)

【例12-2】已知負(fù)載電阻RL=75Ω，負(fù)載電壓

Uo=120V，現(xiàn)采用單相橋式整流電路。試求變壓器副邊電

壓U，并選擇整流二極管。

解根據(jù)式(12-12)，負(fù)載電流平均值為

流過每個(gè)二極管的平均電流為根據(jù)式(12-11)，變壓器副邊電壓為

二極管的最大整流電流和最大反向工作電壓為

12.2濾波電路

12.2.1電容濾波電路

電容濾波電路是最常見也是最簡(jiǎn)單的濾波電路，圖12-6是橋式整流電容濾波電路，即在負(fù)載電阻RL兩端并接一個(gè)容量較大的電容C，利用電容的端電壓在電路狀態(tài)改變時(shí)不能躍變的原理進(jìn)行濾波。圖12-6橋式整流、電容濾波電路當(dāng)變壓器副邊電壓u2處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓uc時(shí)，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，電容器充電，此時(shí)電容兩端電壓uc與u2相等，見圖12-7中所示的ab段。當(dāng)u2上升到峰值點(diǎn)后開始下降，電容通過負(fù)載電阻RL放電，其電壓uc與u2按正弦規(guī)律也開始下降，見圖12-7中的bc段。但是當(dāng)下降到c點(diǎn)之后，u2<uc，從而導(dǎo)致VD1、VD2承受反向電壓截止，此后電容器C繼續(xù)通過負(fù)載電阻RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，使負(fù)載中仍有電流，見圖12-7中的cd段。圖12-7電容濾波輸出電壓波形為了獲得較好的濾波效果，在實(shí)際工作中經(jīng)常根據(jù)下式

選取濾波電容，即

(12-15)

式中T為電源電壓的周期。一般情況下濾波電容容量從幾十微法到幾千微法，且采用電解電容，考慮到電源電壓的波動(dòng)

范圍(±10%)，電容的耐壓值應(yīng)大于U2為整流變壓器副邊電壓有效值。在單相全波整流或橋式整流電容濾波電路中，若滿足式(12-12)，則輸出電壓平均值為

Uo≈1.2U2

(12-16)

在電路空載，即RL=∞時(shí)，電容存儲(chǔ)的電荷沒有放電回路，因此輸出電壓平均值Uo將等于變壓器副邊電壓的峰值，即這種負(fù)載直流電壓隨負(fù)載電流增加而減小的變化關(guān)系稱為輸出特性曲線或外特性曲線，如圖12-8所示。圖12-8電容濾波電路的外特性如果要進(jìn)一步提高濾波效果，可在整流電路和負(fù)載之間接入如圖12-9所示的π型RC濾波電路。它的缺點(diǎn)是：由于

R的存在，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，輸出電壓下降較多。圖12-9

π型RC濾波電路12.2.2電感濾波電路

在橋式整流電路和負(fù)載電阻RL之間可接入一個(gè)電感L，如圖12-10(a)所示。利用電感的儲(chǔ)能作用可以減小輸出電壓的脈動(dòng)，從而得到比較平滑的直流電壓。當(dāng)忽略電感的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的平均電壓與純電阻不帶電感L濾波負(fù)載情況相同，UO=0.9U。圖12-10

L、LC濾波電路此外，為了進(jìn)一步減小負(fù)載電壓中的脈動(dòng)，電感后可接一電容而構(gòu)成倒L型濾波電路(如圖12-10(b)所示)或π型LC濾波電路(如圖12-11所示)。圖12-11

π型濾波電路

12.3穩(wěn)壓電路

12.3.1并聯(lián)硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理

如圖12-12(a)所示并聯(lián)硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，輸入電壓U1保持不變，當(dāng)負(fù)載電阻RL減小，IL增大時(shí)，由于電流在電阻R上的壓降升高，輸出電壓UO將下降。由于穩(wěn)壓管并聯(lián)在輸出端，由伏安特性可看出，當(dāng)穩(wěn)壓管兩端的電壓略有下降時(shí)，電流IZ將急劇減小，而IR=IL+IZ,所以IR基本維持不變，R上的壓降也就維持不變，從而保證輸出電壓UO基本不變，即負(fù)載電阻RL不變，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，將使U1增加，隨之輸出電壓UO也增大，由穩(wěn)壓管伏安特性(如圖12-12(b)

所示)可見，IZ將急劇增加，則電阻R上的壓降增大，

UO=U1－UR，從而使輸出電壓基本保持不變，即圖12-12并聯(lián)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路12.3.2穩(wěn)壓系數(shù)Sr

穩(wěn)壓系數(shù)就是在負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量與(穩(wěn)壓電路)輸入電壓的相對(duì)變化量之比，即

(12-17)12.3.3穩(wěn)壓電路的輸出電阻RO

同基本放大電路一樣，可以用輸出電阻RO來表示穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響，其定義為

(12-18)

除以上兩個(gè)主要指標(biāo)外，還有一些其他指標(biāo)，如反映輸出電壓脈動(dòng)的最大脈動(dòng)電壓、反映輸出受溫度影響的溫度系數(shù)等。當(dāng)負(fù)載電阻RL不變，而輸入電壓UI變化，且只考慮它的變化量時(shí)，穩(wěn)壓電路的微變等效電路如圖12-13所示，其中

rZ是穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻，可以由手冊(cè)查得，也可以從伏安特性中求得，即

(12-19)圖12-13穩(wěn)壓電路的交流等效電路由微變等效電路可得

一般情況下RL>>rZ，因此顯然，當(dāng)輸入電壓UI不變，負(fù)載電阻RL改變時(shí)，從圖

12-13負(fù)載端向左看去的穩(wěn)壓電路的輸出電阻RO在RL>>rZ時(shí)為

(12-20)

可見，rZ越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)，穩(wěn)壓效果越好。當(dāng)rZ=0時(shí)，此時(shí)電路變成理想電壓源。硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原因是當(dāng)穩(wěn)壓管工作電流在IZmin≤IZ≤IZmax時(shí)，其輸入電壓和負(fù)載電流變化很大，而穩(wěn)壓管兩端的電壓UZ(UO)基本穩(wěn)定，所以限流電阻R的選擇必須保證穩(wěn)壓管工作電流滿足條件。其中IZmax是由穩(wěn)壓管允許的功率損耗決定的，當(dāng)IZ越過IZmax時(shí)，將可能損壞穩(wěn)壓管；當(dāng)IZ小于IZmin時(shí)，穩(wěn)壓管將失去穩(wěn)壓作用。因此，根據(jù)以上要求限流電阻R應(yīng)滿足下列條件：

整理可得

c(12-21)式(12-21)中UImax是電網(wǎng)電壓為最大值時(shí)的整流濾波輸入電壓值；IOmin是負(fù)載電流的最小值。同理，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)最小值UImin和負(fù)載電流出現(xiàn)最大值IOmax時(shí)，有

整理得

(12-22)選擇穩(wěn)壓管時(shí)，一般取

(12-23)

12.4串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果不夠理想，穩(wěn)壓輸出不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流不大，它僅適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。所以，使用更多的直流穩(wěn)壓電源是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路，其原理方框圖如圖12-14所示。圖12-14串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理方框圖幾種典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖12-15所示?，F(xiàn)以圖

12-15(a)為例說明穩(wěn)壓電路的組成。該電路由采樣電路、

基準(zhǔn)電壓、比較放大電路和調(diào)整電路四大部分組成。圖12-15幾種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由分析可見，圖12-15中引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路，因?yàn)檎{(diào)整管V1與負(fù)載串聯(lián)，故稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

根據(jù)電路分析可知輸出電壓的范圍為

(12-24)

【例12-3】圖12-15(a)所示的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中，

穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ=5.3V，晶體管UBE=0.7V，電阻R1=300Ω，R2=500Ω，RW=400Ω，三極管V飽和時(shí)，UCES=3V。試求：(1)輸出電壓UO的可調(diào)范圍；(2)濾波

電容C1足夠大時(shí)，變壓器副邊電壓U是多少？

解

(1)根據(jù)式(12-24)可求得

(2)因?yàn)槿龢O管V1的飽和壓降為UCES1=3V，則穩(wěn)壓電路的輸入電壓UI至少為

又因?yàn)镃1足夠大，UI=1.2U，故

【例12-4】在圖12-15(c)中，VDZ穩(wěn)壓電壓UDZ=UR=

7V，采樣電阻RA=1kΩ，RB=680Ω，RW=200Ω，試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。

解根據(jù)式(12-24)可求得

12.5集成穩(wěn)壓電源

12.5.1三端集成穩(wěn)壓電源的組成

圖12-16是三端集成穩(wěn)壓電源的組成方框圖。它是由典型的串聯(lián)穩(wěn)壓電路再外加保護(hù)電路、起動(dòng)電路構(gòu)成的，因此兩者的工作原理是一樣的。圖12-16三端集成穩(wěn)壓電源的組成方框圖圖12-17是三端集成穩(wěn)壓電源的電路符號(hào)。圖12-17三端集成穩(wěn)壓電源的電路符號(hào)12.5.2三端集成穩(wěn)壓電源的應(yīng)用電路

1.固定輸出電壓接法

圖12-18為CW78××和CW79××系列穩(wěn)壓電源固定輸出電壓的接法。C1和C0分別用以減小輸入、輸出電壓脈動(dòng)和改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。整流濾波后的電壓必須小于器件允許的最大輸入電壓。正常工作時(shí)，應(yīng)保證UI－UO=2~3V(即輸入比輸出高2~3V)。圖