《電工電子技術》課件-第11章

第11章直流穩(wěn)壓電源11.1常用整流、濾波和穩(wěn)壓電路

11.2串聯型穩(wěn)壓電源

11.3開關型穩(wěn)壓電源

本章小結

習題與思考題電子設備、電子儀器以及家用電器與工業(yè)控制設備都需要穩(wěn)定的直流電源。為了獲得直流電源，目前廣泛采用串聯型穩(wěn)壓電源和開關型穩(wěn)壓電源。串聯型穩(wěn)壓電源適用于一般的電子電器設備。對于要求直流電源比較穩(wěn)定的電子設備，大多數采用集成穩(wěn)壓器或開關型穩(wěn)壓電源。本章主要介紹整流濾波電路的類型、基本組成和基本原理；各種濾波電路的組成原理以及優(yōu)缺點和應用范圍；常用串聯型穩(wěn)壓電源電路的組成及穩(wěn)壓原理；從實用角度討論三端穩(wěn)壓器的應用及注意事項；最后介紹開關型穩(wěn)壓電源的組成模型和工作原理。11.1常用整流、濾波和穩(wěn)壓電路11.1.1整流電路整流電路的作用是利用二極管的單向導電性，將交流電轉換成為單向脈動電壓。

(1)整流電路中大都包含一個電源變壓器。因為電網提供的交流電通常是220V或380V，需通過電源變壓器變換以后進行整流、濾波以及穩(wěn)壓，以滿足各種電子電路對直流電壓幅值的不同要求。電源變壓器的作用一方面是“變壓”(很多情況下是進行“降壓”，將220V降為較低的交流電壓)，另一方面起“隔離”作用，使電子設備與電網隔離開來。

(2)在小功率直流電源中，常常采用單相半波、單相全波或單相橋式整流電路。各種單相整流電路的原理圖、波形圖及性能參數如表11-1所示。表11-1中前兩項參數，即整流電路的輸出直流電壓Uo(也就是輸出電壓的平均值)和整流電路輸出電壓的脈動系數S，表征一個整流電路的質量，在同樣的變壓器二次電壓U2之下，輸出直流電壓愈高，則愈好；輸出電壓的脈動系數S愈小，說明脈動成分小，輸出電壓更加平滑，則質量愈好。表中的后兩項參數，即整流二極管的平均電流ID和二極管承受的最大反向峰值電壓URM，則是選擇整流電路中二極管器件的依據。由表11-1可見，半波整流電路的結構最為簡單，只用了一個整流二極管，但在同樣的變壓器二次電壓U2之下，輸出直流電壓Uo最低，而脈動系數S最高，因此只用在要求不高的簡單電子設備中。全波整流電路和橋式整流電路在同樣的U2之下，它們的輸出直流電壓和脈動系數均相等，但橋式整流電路中每個二極管承受的最大反向峰值電壓比全波整流電路低一半，因此，雖然電路中需用4個整流二極管(全波整流電路需用2個)，它的應用還是比較廣泛的。表11-1各種單相整流電路的比較

(3)倍壓整流屬于一種特殊的整流電路，它的作用有二：其一是整流，將交流電轉換成為直流電；其二是倍壓，要求在較低的U2之下，得到高出若干倍的直流輸出電壓。組成倍壓整流電路的主要元件是二極管和電容。它的基本原理是，利用二極管的單向導電作用將交流電整流成為直流電，并將所得到的較低的直流電壓分別存放在多個電容上，然后將這些電容按照相同的極性串接起來，從而在輸出端得到高幾倍的直流電壓。圖11-1所示的電路是一個最簡單的二倍壓整流電路。圖中的二極管VD1、VD2起整流作用，整流得到的直流電壓分別存放在電容C1、C2上。當變壓器二次電壓的瞬時值u2為正時，VD1導電，將C1充電，理想情況下C1上的直流電壓等于

u2；u2為負時，VD2導電，將C2充電，理想情況下C2上的直流電壓也是u2。而這兩個電容上電壓的極性是串聯相加的，所以負載RL上得到的電壓是電容上電壓的兩倍，即根據同樣的道理，只要在電路中接入更多的二極管給更多的電容充電，并使各電容按相同的極性串聯，就可以得到高更多倍的直流輸出電壓。倍壓整流電路適用于要求輸出電壓很高，但負載電流比較小的設備中。圖11-1二倍壓整流電路圖11-1二倍壓整流電路11.1.2濾波電路

1.RC-Π型濾波電路

如圖11-2所示，RC-Π型濾波電路實質上是在電容濾波電路的基礎上加了一級RC濾波。電容C1的作用與電容濾波電路一樣，即利用C1的充放電進行一次濾波，可在C1兩端獲得比較平滑的電壓，但這個電壓包含著直流分量和交流分量。而R和C2則構成二次濾波，一方面，R的接入可使C1放電速度減慢，減少了C1兩端電壓的波動；另一方面，由于C2的交流阻抗很小，幾乎將交流分量全部短路，負載兩端的脈動電壓大為減小，而C2對于直流分量幾乎沒有影響。所以，RC-Π型濾波電路的濾波效果要比單一的電容濾波電路好許多，但是由于R的降壓作用，直流輸出電壓有所降低。RC-Π型濾波電路的負載能力較差，適用于負載電流較小的場合。圖11-2RC-Π型濾波電路

2.LC-Π型濾波電路

如圖11-3所示的LC-Π型濾波電路，是用電感L代替RC濾波中的電阻R。由于電感的交流阻抗較大，而直流電阻較小，對于變化的電流，電感L上會產生一定的反電勢來阻止電流的變化，對于直流成分影響不大。L和C2分壓后，交流分量將大部分降到電感L上，直流分量幾乎沒有損失地直接加在負載上，再經過C2進一步濾波，使得輸出電壓波動很小。因此這種濾波電路具有良好的濾波效果。LC-Π型濾波電路具有較強的負載能力，當負載變化時，輸出電壓變化很小，最適合負載電流較大的場合。圖11-3LC-Π型濾波電路11.1.3穩(wěn)壓電路

輸入的交流電壓經過整流濾波后，已經變成比較平滑的直流電壓，但當輸入電壓波動或負載變化時，輸出電壓也將發(fā)生相應的變化。為了能夠提供更加穩(wěn)定的直流電源，還需要在整流濾波電路后面加上穩(wěn)壓電路。

1.穩(wěn)壓電路的主要指標

1)穩(wěn)壓系數S

穩(wěn)壓系數S定義為在負載固定不變的前提下，輸出電壓相對變化量與輸入直流電壓相對變化量之比，即該指標反映了電源電壓波動對輸出電壓的影響，S越小說明穩(wěn)壓性能越好。此處輸入直流電壓是指整流濾波后的直流電壓。

2)輸出電阻ro

輸出電阻ro定義為在輸入電壓不變的情況下，輸出電壓變化量與負載電流變化量之比，即該指標反映了負載變化對輸出電壓的影響。ro越小說明穩(wěn)壓性能越好。

2.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖11-4所示。Ui為經過整流、濾波后的直流電壓。RL為負載電阻，與穩(wěn)壓管并聯，這樣RL上得到的就是一個比較穩(wěn)定的電壓Uo＝UZ。R為限流電阻，選擇合適的R可使穩(wěn)壓管具有很小的動態(tài)電阻，有利于提高穩(wěn)壓效果;同時,R對穩(wěn)壓管的電流具有限制作用，防止因電流過大而損壞穩(wěn)壓管。引起輸出電壓不穩(wěn)的主要原因是交流電源電壓的波動和負載的變化。下面來分析在這兩種情況下穩(wěn)壓電路的工作原理。圖11-4硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

(1)負載電阻RL不變，電源電壓升高時，將使Ui增加，隨之輸出電壓Uo也增大。由穩(wěn)壓管伏安特性可見，IZ將急劇增加，導致IR增大，則電阻R上的壓降UR增大，從而使輸出電壓Uo基本保持不變，即

(2)電源電壓不變，負載電阻RL減小時，將引起負載電流Io增加，電阻R上的電流IR和其兩端的電壓UR均增加，使輸出電壓Uo減小，Uo的減小則使IZ急劇下降，從而抵消了Io的增加，保持IR＝Io＋IZ基本不變，R上壓降不變，則輸出電壓基本不變，即綜上所述，穩(wěn)壓管是利用穩(wěn)壓管自身對電流的吞吐作用來實現穩(wěn)壓的，它和限流電阻R配合，將電流的變化轉換成電壓的變化以適應電源電壓或負載的波動。11.2串聯型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路簡單，但它的輸出電壓不可調節(jié)，由于受穩(wěn)壓管電流的限制使輸出電流比較小，因此穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的應用范圍很小，只能用于電壓固定、電流較小的場合。實際中應用最為廣泛的是串聯型穩(wěn)壓電路。11.2.1串聯型穩(wěn)壓電源的組成方框圖

串聯型穩(wěn)壓電源組成方框圖如圖11-5所示，主要由四大部分組成：采樣電路、基準電壓電路、比較放大電路(誤差放大電路)和電壓調整電路。各部分的主要功能如下：圖11-5串聯型穩(wěn)壓電源電路方框圖

(1)采樣電路：也稱取樣電路，主要反映穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化情況，將輸出電壓的變化值經過電路的處理，作為比較放大電路的輸入電壓。

(2)基準電壓電路：是穩(wěn)壓電源設置的一個基準點，基準電壓一方面作為比較放大電路的基準電壓，另一方面整個穩(wěn)壓電源輸出電壓的大小與基準電壓有關。

(3)比較放大電路(誤差放大器)：是將采樣電路采集的電壓與基準電壓進行比較、放大，進而推動電壓調整環(huán)節(jié)工作。

(4)電壓調整電路：主要功能是根據比較放大電路輸出電壓的大小，調整晶體管工作狀態(tài)(在放大區(qū))，從而改變三極管C-E之間的管壓降，達到改變輸出電壓的大小。11.2.2串聯型穩(wěn)壓電路的組成及分析

1.原理電路的組成

(1)采樣電路：由電阻R1、R2、RW組成，它對輸出電壓Uo進行分壓，取出一部分作為取樣電壓給比較放大電路。

(2)基準電壓電路：由穩(wěn)壓管VDZ和限流電阻RZ組成，可提供一個穩(wěn)定性較高的直流電壓UZ作為調整比較的標準，稱為基準電壓。

(3)比較放大電路：由運放和電阻RC構成，其作用是將采樣電路采集的電壓與基準電壓進行比較、放大，進而推動電壓調整環(huán)節(jié)工作。

(4)電壓調整電路：由工作于線性狀態(tài)的晶體管V構成，其基極電流受比較放大電路輸出信號的控制，在比較放大電路的控制下改變調整兩端的壓降，使輸出電壓穩(wěn)定。圖11-6串聯型穩(wěn)壓電路

2.工作原理

其穩(wěn)壓過程如下：當電源電壓或負載電阻的變化而使輸出電壓Uo升高時，U-＝也升高，而U+＝UZ保持不變，則運算放大器輸出減小，使得V管基極電位下降，IC減小，UCE增大，故輸出電壓Uo下降，從而保證Uo基本不變,即同理，當Uo降低時，通過電路的反饋作用也會使Uo基本保持不變?？梢?，輸出電壓的變化量經運算放大器放大后去調整晶體管的管壓降UCE，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，這個自動調整過程實質是一個負反饋過程，通常稱晶體管V為調整管。該電路的核心部分是調整管V組成的射極跟隨器，電路引入的是電壓串聯負反饋，故稱為串聯型穩(wěn)壓電路。調整管的工作點必須設置在放大區(qū)，才能起到電壓調整作用。

3.輸出電壓Uo的調節(jié)范圍

根據同相比例運算電路可知:改變電位器RW就可調節(jié)輸出電壓Uo，電位器調至最下端時，Uo最大；電位器調至最上端時，Uo最小。

例11-1

在圖11-6所示電路中，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值UZ＝6V，取樣電阻R1＝R2＝6kΩ，RW＝10kΩ，試估算輸出電壓調節(jié)范圍。解11.2.3三端集成穩(wěn)壓器

集成穩(wěn)壓器是將穩(wěn)壓電路的主要環(huán)節(jié)集成在一塊半導體芯片上，并加進多種保護電路的單片集成穩(wěn)壓電源。它具有體積小、可靠性高、使用靈活等優(yōu)點，已逐步取代了分立元件穩(wěn)壓電路。三端集成穩(wěn)壓器只有三個外部接線端：輸入端、輸出端和公共端，可分為固定式和可調式兩大類。本節(jié)只介紹固定式三端集成穩(wěn)壓器。 固定式三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，主要有78××系列(輸出正電壓)和79××系列(輸出負電壓)，××為集成穩(wěn)壓器輸出的標稱值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。其額定輸出電流以78(79)后面的字母來區(qū)分：L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A。如LM7812表示該集成穩(wěn)壓器輸出為+12V，額定輸出電流為1.5A。固定式三端集成穩(wěn)壓器的外引線排列如圖11-7所示。圖11-7固定式三端集成穩(wěn)壓器外引線排列三端集成穩(wěn)壓器的基本應用電路如圖11-8所示。其中Ci用來抵消輸入引線較長時的電感效應，防止自激振蕩，并抑制高頻干擾；Co用以減小輸出脈動電壓并改善負載的瞬態(tài)效應。Ci和Co一般取值0.1～1μF，安裝時應緊靠集成穩(wěn)壓器。當要求輸出電壓范圍可調時，可以應用集成穩(wěn)壓器與集成運算放大器接成輸出電壓可調的穩(wěn)壓電路，如圖11-9所示。圖11-878系列基本應用電路圖11-9輸出電壓可調的穩(wěn)壓電路上圖中，運放接成電壓跟隨器形式，電阻R1上的電壓近似等于集成穩(wěn)壓器的標稱輸出電壓U××，因故所以，改變R2與R1的比值即可調節(jié)輸出電壓Uo的大小。11.3開關型穩(wěn)壓電源11.3.1開關電源概述前面介紹的串聯型直流穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓器都屬于穩(wěn)壓電路，具有結構簡單、輸出穩(wěn)定度高、調整方便等優(yōu)點。但是，這種穩(wěn)壓電路的調整管總是工作在放大狀態(tài)，一直都有電流通過，故管子的功耗大，常需在調整管上安裝散熱器，電路的效率也較低，一般只有20％～40％。而開關型穩(wěn)壓電路克服了上述缺點，因而它的應用日益廣泛，比如計算機電源、彩色電視機電源等。在開關型穩(wěn)壓電路中，調整管(也稱為開關管)工作在開關狀態(tài)，管子交替工作在飽和與截止兩種狀態(tài)。當管子飽和導通時，雖然流過較大的電流，但飽和壓降很??；當調整管截止時，管壓降大但流過的電流基本為零?？梢姡{整管工作在開關狀態(tài)下，本身功耗很小，因此，開關電源的效率很高，一般可達80％～90％。由于調整管功耗小，故散熱器也可隨之減小，與同樣功率的線性穩(wěn)壓電源相比，體積和重量都小很多。開關電路存在的主要不足之處：一是控制電路比較復雜，成本高；另一個是輸出電壓中紋波和噪聲成分較大，這是由于調整管不斷在導通與截止間轉換，從而對電路產生射頻干擾造成的。但由于開關電源的突出優(yōu)點，仍得到了越來越廣泛地應用。開關電路的類型很多，可以按不同方式來分類。按開關信號(振蕩信號)產生的方式可分為自激式、他激式和同步式三種；按控制方式可分為脈寬調制(PWM)、脈頻調制(PFM)和混合調制三種方式；按開關電路的結構形式可分為降壓型、反相型、升壓型和變壓器型等；從開關調整管與負載RL的連接方式可分為串聯型和并聯型。一般在工程上的分類主要以連接方式和控制方式來命名開關電源，因此，經常有四種開關電源，分別為并聯調寬型開關電源、串聯調寬型開關電源、并聯調頻型開關電源、串聯調頻型開關電源。11.3.2開關電源的基本組成及基本原理

開關電源的基本組成如圖11-10所示。它主要由交流220V整流濾波電路、啟動電路、開關振蕩電路、高頻脈沖整流濾波電路、取樣和穩(wěn)壓控制電路等組成。有的開關電源為了保護開關電源和其他電路的安全，還設有保護電路。各單元電路的主要作用如下：整流濾波電路用于將交流220V電壓經橋式整流電路、電容濾波變?yōu)?00V的脈動直流電壓，作為振蕩電路和啟動電路的工作電壓。啟動電路為振蕩電路中的開關調整管的基極提供正向導通的偏置電壓。圖11-10開關電源的基本組成方框圖開關振蕩電路包括開關調整管、開關變壓器(也稱脈沖變壓器、儲能元件)、正反饋電路等，可把300V的脈動直流電壓變?yōu)楦哳l脈沖電壓。脈沖整流濾波電路的任務是把高頻脈沖電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓提供給負載。穩(wěn)壓電路包括取樣電路、基準電壓產生電路、比較電路、脈寬(或頻率)調整電路，通過取樣電路得到取樣電壓，與基準電壓進行比較，產生誤差電壓并加以放大，然后去控制開關調整管的導通和截止時間，以改變高頻脈沖的頻率或脈沖寬度，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。保護電路的作用是在電路發(fā)生過壓、過流故障時，破壞振蕩條件，使振蕩電路停振，電源輸出電壓下降為0V，整機停止工作，從而保護開關電源與其他單元電路各部分免受損壞。11.3.3開關電源的種類

1.按連接方式分類連接方式指開關管與負載的連接關系。如果開關管與負載連接為串聯，則為串聯型開關電源。如果開關管與負載的連接關系為并聯(可以等效連接)，則為并聯型開關電源。

(1)串聯型開關電源。串聯型開關電源的調整管串接在輸入電壓和輸出電壓之間，如圖11-11所示。正常工作時，從行掃描電路反饋來的行頻脈沖經放大后，輸入到開關管的基極，驅動開關管，使其工作在開關狀態(tài)。當開關管飽和導通時，輸出端的電壓等于輸入端的電壓，儲能元件儲能；當開關管截止時，輸出端的電壓由儲能元件提供。圖11-11串聯型開關電源方框圖

(2)并聯型開關電源。并聯型開關電源的調整管與輸入電壓及輸出負載相并聯，如圖11-12所示。由并聯型穩(wěn)壓電源可以引申到一種變壓器耦合并聯型開關電源，如圖11-13所示。工程上多是變壓器耦合并聯型開關電源，特別是目前的彩色電視機、計算機電源都采用變壓器耦合并聯型開關電源。

2.按開關電源啟動方式分類

按開關電源啟動方式分為自激式和他激式兩種開關電源。自激式開關穩(wěn)壓電源是利用開關管、脈沖變壓器等組成正反饋環(huán)路，形成自激振蕩，使開關穩(wěn)壓電源有直流輸出電壓。他激式開關穩(wěn)壓電源需要附加一個振蕩器來產生開關脈沖，作用于開關調整管，讓電源有直流電壓輸出。圖11-12并聯型開關電源方框圖圖11-13變壓器耦合并聯型開關穩(wěn)壓電源方框圖

3.按開關電源的穩(wěn)壓控制方式分類脈沖寬度控制方式:簡稱為調寬式，實質是開關脈沖頻率保持不變，通過改變脈沖的占空比，從而達到改變開關管飽和和截止時間的大小，以實現控制輸出電壓的大小。脈沖頻率控制方式：簡稱為調頻式，實質是開關脈沖頻率是變化的，通過改變開關脈沖的頻率或周期，可以達到控制開關管飽和和截止時間的大小，同樣實現控制輸出電壓的大小。11.3.4開關穩(wěn)壓電源的基本原理

1.電路的組成(以并聯調寬型為例)

變壓器耦合并聯型開關電源的原理電路圖如圖11-14所示。它由開關調整管V、脈沖變壓器T、脈沖整流二極管VD、濾波電容C、負載電阻RL等組成。從脈沖調寬電路輸出的開關脈沖信號ub加在開關調整管V的基極上，以控制其飽和導通與截止，即開關脈沖高電平時導通，低電平時截止。實際中，高電平時間越長，開關管導通時間越長，開關變壓器儲存能量越多，輸出電壓越高，如圖11-15所示。圖11-14變壓器耦合并聯型開關電源原理電路圖圖11-15并聯型開關電源工作波形圖

2.基本工作原理

(1)在t0~t1期間:調整管V飽和導通，電流自上而下經變壓器初級流入開關管V，在L1上產生一個上正下負的感應電壓UL1。式中，I1(0)由初始狀態(tài)確定。顯然i1呈線性上升，在V截止前達到最大值。脈沖變壓器T的初級感應電壓為上負下正，VD截止；隨著電流的上升，脈沖變壓器T中的能量的儲存量增大。

(2)在t1~t2期間:調整管V截止時i1=0，L1、L2上立即感應出與前期極性相反的電動勢。這時VD導通，脈沖變壓器T中儲存的能量以電能的形式向電容C及負載RL釋放并形成直流電壓。(3)t2時刻：V又開始導通，VD截止，T又儲存能量。當然T的次級L2中的能量并未耗完，又轉移到初級L1中，使i1從I1(0)開始上升，這時負載所需的電流由電容C放電提供。此后電路重復上述過程。

結論在分析開關電源時，必須注意三大要素：開關管、開關變壓器、輸出電壓。理清三大要素的關系對分析任何一種開關電源都是非常有用的。開關管導通的時間越長，開關變壓器儲存的能量越多，輸出電壓越高；反之亦成立。本章小結

(1)掌握二極管具有單向導電性的特征，利用其特性可以完成將交流電壓轉換為脈動的直流電壓的功能，即整流。整流分為半波整流、全波整流、橋式整流。

(2)掌握各