第8章直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源組成與功能小功率整流濾波電路全波整流電路橋式整流電路電源濾波電路倍壓整流電路串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路主要性能參數(shù)組成及穩(wěn)壓原理二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)的選擇工作原理及電路分析串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)半波整流電路其他形式的濾波電路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路三端集成穩(wěn)壓器的組成框圖及功能概述三端集成穩(wěn)壓電路分類(lèi)三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路分類(lèi)并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路8.1直流穩(wěn)壓電源的組成及各部分的作用

直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的重要組成部分，其作用是將電力網(wǎng)交流電壓變換為電子設(shè)備所需要的穩(wěn)定的直流電源電壓。直流電源的組成框圖如下圖所示。電源變壓器:

將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路:

將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路:

將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:

清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,

保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。8.1直流穩(wěn)壓電源的組成及各部分的作用Exit整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。

常見(jiàn)的小功率整流電路，單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡(jiǎn)單起見(jiàn)，把二極管當(dāng)作理想元件處理。8.2小功率整流濾波電路Exitu2>0

時(shí)，二極管導(dǎo)通iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0時(shí)，二極管截止,輸出電流為0。uo=08.2.1半波整流電路Exit1.電路工作原理2.電壓電流波形圖由上分析，不難得到右圖所示半波整流電路有關(guān)電壓、電流波形如右圖所示。輸出電壓uO為單向脈動(dòng)電壓。3.主要參數(shù)（1）整流輸出電壓的平均值UO若則（2）整流輸出電流的平均值IO（3）整流二極管正向電流的平均值ID（4）整流二極管最高反向電壓URMu1u2aTbDRLuou2<0時(shí)，二極管截止,輸出電流為0。因此，二極管的反偏電壓為u2。（5）脈動(dòng)系數(shù)S

定義：輸出電壓中基波分量幅值Uo1m與輸出電壓平均值之比，即半波電壓uO用付立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，其基波分量幅值Uo1m為則4.二極管選擇原則主要根據(jù)流過(guò)二極管的平均電流ID和所承受最大反向電壓URM選擇,留有10%余量，二極管允許最大整流電流IF應(yīng)滿足最大反向工作電壓UR≥1.1URM=1.1×1.414U2半波整流電路只利用了半個(gè)周期交流電壓，輸出電壓低，效率低，且脈動(dòng)系數(shù)大，實(shí)際中較少用到。橋式整流電路+-u2正半周時(shí)電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo8.2.3橋式整流電路Exit1.電路工作原理橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路Exit四只二極管連成電橋形式，故稱為橋式整流電路。圖（b）是電路圖中簡(jiǎn)化畫(huà)法。u2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓！u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoABExit2.電壓電流波形圖幾種常見(jiàn)的硅整流橋外形：+AC-~+~-~+-~單相整流電路Exit3.主要參數(shù)（1）整流輸出電壓的平均值UO若則（2）整流輸出電流的平均值IO（3）整流二極管正向電流的平均值ID（4）整流二極管最高反向電壓URM當(dāng)D1和D3導(dǎo)通時(shí)，D2和D4反偏。此時(shí)二極管的反偏電壓為u2。u2D4D2D1D3RLuoAB(5)脈動(dòng)系數(shù)Ｓ用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出uo

分解后可得:4.二極管選擇原則根據(jù)流過(guò)二極管的平均電流ID和所承受最大反向電壓URM選擇,留有10%余量，二極管允許最大整流電流IF應(yīng)滿足最大反向工作電壓UR≥1.1URM=1.1×1.414U2半波整流電路只利用了半個(gè)周期交流電壓，輸出電壓低，效率低，且脈動(dòng)系數(shù)大，實(shí)際中較少用到。結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)RL串聯(lián)。交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。8.2.4電源濾波電路Exit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）濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–1.電容濾波電路Exit1）空載時(shí)的情形u2tuot設(shè)t1時(shí)刻接通電源t1u2>0時(shí)，電容快速充電至u2的最大值，隨后因無(wú)放電通路而維持這個(gè)最大值充電結(jié)束沒(méi)有電容時(shí)的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–空載時(shí),濾波輸出電壓平均值為2）帶電阻負(fù)載RL時(shí)的情形u2tuotExitau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當(dāng)u2>0且上升時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，電容充電，充電時(shí)間常數(shù)比較小，因此輸出能跟隨u2快速上升至u2的最大值。當(dāng)u2>0且開(kāi)始下降時(shí)，D1~D4截止，電容放電，充電時(shí)間常數(shù)很大，因此輸出緩慢下降。當(dāng)輸出電壓下降到使D2、D4導(dǎo)通時(shí)，電容再次快速充電，至u2的最大值后，D1~D4再次截止，電容放電使輸出再次緩慢下降，如此周而復(fù)始的進(jìn)行。τ2=RLC越大，uo下降越慢，濾波效果越好。RLC是不是越大越好呢？au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短iD

的峰值電流越大。

較大的沖擊電流將嚴(yán)重影響二極管的壽命。通常選T是電源電壓的周期3.主要參數(shù)（1）整流濾波輸出電壓的平均值UO濾波電路輸出電壓波形很難用確定的數(shù)學(xué)解析式表示，近似估算時(shí)，其輸出波形近似用鋸齒波代替，這樣，濾波電路輸出電壓近似滿足：當(dāng)負(fù)載開(kāi)路，即RL=∞時(shí)：當(dāng)RLC=（3～5）T/2時(shí)：（2）整流濾波輸出電流的平均值IO（3）整流二極管正向電流的平均值ID（4）整流二極管最高反向電壓URM（5）脈動(dòng)系數(shù)

近似估算時(shí)，同樣將濾波輸出波形近似用鋸齒波代替，以此為基礎(chǔ)可以證明[1]濾波電路輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)S可近似表為：

τ2=RLC比周期T大得越多，S越小，濾波效果越好。小功率整流濾波電路、RL為幾十歐姆～幾百歐姆左右，加大RLC，靠加大C來(lái)滿足。實(shí)際取C為幾百微法～一、二千微法左右。為進(jìn)一步減小紋波電壓，在濾波電路輸出端加穩(wěn)壓電路。4.二極管選擇原則考慮到整流濾波電路中二極管的導(dǎo)通時(shí)間很短，二極管瞬時(shí)電流很大。為了確保二極管的安全使用，通常選二極管最大反向工作電壓UR≥1.1URM=1.1×1.414U2結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。改善濾波特性的方法：采取多級(jí)濾波。如：L-C型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–

型濾波電路：在電容濾波后再接一級(jí)RC濾波電路。性能及應(yīng)用場(chǎng)合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C型濾波電路。8.2.6其他形式的濾波電路電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L。電感濾波電路u2u1RLLuo1.電感濾波電路Exit濾波原理對(duì)直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)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(shí)，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuoExit電感濾波的特點(diǎn)整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。Exit(1)倒L型濾波電路2.復(fù)式濾波電路濾波電路Exitu2u1LuoCRLuo1濾波原理

當(dāng)流過(guò)電感的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生自感電勢(shì)阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動(dòng)減小。

對(duì)直流分量:XL=0，L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)諧波分量:f

越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2u2u1LuoC2RLuo1C1(2)LC–

型濾波電路

濾波效果比LC濾波器更好，但二極管的沖擊電流較大。Uo=1.2U2uoRu2u1C1C2uo1′RL(3)RC–

型濾波電路

比形LC濾波器的體積小、成本低。R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R大將使直流壓降增加，主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場(chǎng)合。8.3二極管穩(wěn)壓電路整流濾波電路存在兩個(gè)方面問(wèn)題：其一，輸出直流電壓受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響不穩(wěn)定。其二，當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出直流電壓發(fā)生變化?；谏鲜鰞煞矫娴脑颍瑢?shí)際中，在整流濾波電路后面接入穩(wěn)壓電路。2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR設(shè)UI一定，負(fù)載RL變化UO

基本不變IR

(IRR)基本不變UO

(UZ

)IZ1.電路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流調(diào)壓穩(wěn)壓電路8.3.1二極管穩(wěn)壓電路的組成及穩(wěn)壓原理UIUZ設(shè)負(fù)載RL一定，UI變化UO

基本不變IRRIZIR8.3.2穩(wěn)壓電路主要性能參數(shù)

穩(wěn)壓性能可用穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻RO兩個(gè)主要性能參數(shù)描述。

1．穩(wěn)壓系數(shù)Sr

穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為：負(fù)載電阻RL一定時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量的比值，即設(shè)rZ為穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻，其值相比R和RL而言很小則可見(jiàn)，選擇rZ小的穩(wěn)壓管、適當(dāng)增大R，有利于穩(wěn)壓電路輸出電壓的穩(wěn)定；但是，加大R，UR變大，則UI要加大，這又使穩(wěn)壓系數(shù)Sr增大；電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮、合理選擇R和UI值，穩(wěn)壓系數(shù)Sr才可能做到比較小。2．輸出電阻輸出電阻RO定義：UI一定時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量的比值，即由此可見(jiàn)，選擇動(dòng)態(tài)電阻rZ小的穩(wěn)壓二極管，不僅可以減小穩(wěn)壓系數(shù)，而且可以減小輸出電阻；可見(jiàn)，穩(wěn)壓二極管動(dòng)態(tài)電阻rZ越小，穩(wěn)壓電路輸出電壓越穩(wěn)定。8.3.3穩(wěn)壓電路參數(shù)的選擇

設(shè)計(jì)一個(gè)二極管穩(wěn)壓電路，就是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)選擇電路元件參數(shù)，使電路滿足實(shí)際需要。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)首先根據(jù)電路實(shí)際需要，提出具體的設(shè)計(jì)要求：①輸出電壓UO；②負(fù)載電流IO的取值范圍：IOmin～I(xiàn)Omax（或RL的取值范圍：RLmin～RLmax）；③需考慮輸入電壓UI的波動(dòng)（一般為±10%）。電路設(shè)計(jì)原則：（1）根據(jù)U0確定輸入電壓UI

輸入電壓UI取值對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)Sr有直接影響，UI太低，滿足不了負(fù)載電流IO要求和穩(wěn)壓管正常取值范圍（Izmin＜Iz＜Izmax）需要；UI太高，不利減小穩(wěn)壓系數(shù)Sr，還會(huì)加大限流電阻的功耗，降低穩(wěn)壓電路的效率。

綜合考慮，實(shí)際中，一般選擇

UI=（2～3）UO負(fù)載電流IO大，上式系數(shù)可取下限；負(fù)載電流IO小，上式系數(shù)可取上限。（2）穩(wěn)壓二極管的選擇

從擊穿電壓UZ和擊穿電流兩方面考慮。應(yīng)滿足

UZ=UO

另外，由穩(wěn)壓原理可知，當(dāng)負(fù)載電流IO發(fā)生變化時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流IZ將產(chǎn)生一個(gè)與IO相反方向的變化，即：△IZ≈-△IO，這就要求穩(wěn)壓管正常工作電流變化范圍應(yīng)大于負(fù)載電流變化范圍，即

IZmax-IZmin＞IOmax-IOmin

考慮穩(wěn)壓管安全運(yùn)行最不利情形，空載（未接RL），流過(guò)限流電阻電流全部流經(jīng)穩(wěn)壓管、穩(wěn)壓管電流達(dá)到最大，此時(shí)，要求流經(jīng)穩(wěn)壓管最大電流不能超過(guò)所允許通過(guò)最大電流，即

IZmax＞IR=(UI-UZ)/R

再加上

IZmax-IZmin＞IOmax-IOminUZ=UO這三個(gè)公式是電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇穩(wěn)壓二極管依據(jù)（3）限流電阻R的選擇

考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)使UI波動(dòng)（±10%）和負(fù)載變化，流過(guò)穩(wěn)壓管電流變化，電路設(shè)計(jì)選限流電阻R要考慮上述兩因素影響，從最不利情形考慮：

求解這兩個(gè)不等式可得R的取值范圍二極管穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、只需兩個(gè)元件；其缺點(diǎn)是：輸出電壓由穩(wěn)壓二極管擊穿電壓所決定而不可調(diào)節(jié)；受穩(wěn)壓二極管IZmax、IZmin限制、輸出電流較?。灰虼?，只適用于負(fù)載電流較小、負(fù)載電壓固定不變的場(chǎng)合。

二極管穩(wěn)壓電路輸出電流小，輸出電壓不可調(diào)，大多數(shù)場(chǎng)合滿足不了實(shí)際需要。串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路以二極管穩(wěn)壓電路作為基準(zhǔn)電壓電路，利用晶體電流放大特性增大電路輸出電流；并引入深度電壓負(fù)反饋、使輸出電壓更穩(wěn)定（穩(wěn)壓系數(shù)Sr可做到小于1%）、輸出電阻更?。ㄝ敵鲭娮鑂O可小于0.1Ω）；通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。8.4串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電路UiTR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R18.4.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路結(jié)構(gòu)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。調(diào)整元件比較放大基準(zhǔn)電壓取樣電路

當(dāng)由于電源電壓或負(fù)載電阻的變化使輸出電壓UO

升高時(shí)，有如下穩(wěn)壓過(guò)程：2.穩(wěn)壓過(guò)程

由電路圖可知UOUfUBUOICUCE

由于引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1R1’R1’’3.輸出電壓及電壓調(diào)節(jié)范圍UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1R1’R1’’

輸出電壓

輸出電壓調(diào)節(jié)范圍運(yùn)放引入深度負(fù)反饋，工作于線性區(qū)，滿足虛短，則8.5集成穩(wěn)壓電路將串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路集成在一起就構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路（或集成穩(wěn)壓器）。隨著半導(dǎo)體集成工藝技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電路，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。一般簡(jiǎn)單集成穩(wěn)壓電路只有輸入端，輸出端和公共端三個(gè)引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。8.5.1三端集成穩(wěn)壓器分類(lèi)根據(jù)輸出電壓能否調(diào)節(jié)，分為可調(diào)式和固定式兩類(lèi)，可調(diào)式能通過(guò)引出腳外接電位器使輸出電壓在某一范圍連續(xù)可調(diào)；固定式集成穩(wěn)壓器輸出直流電壓是固定不變的幾個(gè)電壓等級(jí)。固定式類(lèi)型中又分負(fù)輸出電壓79XX系列和正輸出電壓78XX系列。這里XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值。本節(jié)介紹W78xx、W79xx系列三端集成穩(wěn)壓器，外形如圖，穩(wěn)壓器硅片封裝在外殼內(nèi)，內(nèi)部有短路過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)。1—輸入端3—公共端2—輸出端78xx1—

公共端3—輸入端2—輸出端79xx三端集成穩(wěn)壓器型號(hào)意義說(shuō)明W7800系列——穩(wěn)定正電壓W7805輸出+5VW7806輸出+6VW7808輸出+8VW7812輸出+12VW7815輸出+15VW7818輸出+18VW7824輸出+24VW7900系列——穩(wěn)定負(fù)電壓W7905輸出-5VW7906輸出-6VW7908輸出-8VW7912輸出-12VW7915輸出-15VW7918輸出-18VW7924輸出-24V8.5.2三端集成穩(wěn)壓器的組成框圖及其功能概述組成框圖如圖8-27。各部分功能簡(jiǎn)述如下。1)調(diào)整管當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí),通過(guò)控制電路使調(diào)整管自動(dòng)調(diào)整自身的集－射壓降使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。

2)放大電路

將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到采樣電壓進(jìn)行比較,進(jìn)行放大后送到調(diào)整管的基極，以控制調(diào)整管集－射壓降朝著與輸出電壓相同方向變化3)基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源為比較放大電路提供基準(zhǔn)電壓，以便從輸出端得到的采樣電壓與其進(jìn)行比較。

4)采樣電路由兩個(gè)分壓電阻組成,它將輸出電壓變化量的一部分（采樣電壓）送到放大電路的輸入端與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。

5)啟動(dòng)電路剛接通時(shí)，使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立起各自工作電流,正常工作時(shí)，啟動(dòng)電路自動(dòng)斷開(kāi),以免影響電路性能。

6)保護(hù)電路

W7800系列,