CH18直流穩(wěn)壓電源

第18章直流穩(wěn)壓電源

整流電路濾波器直流穩(wěn)壓電源123123W78159824電源是生產和實驗中的重要能源，許多大功率場合下需要交流電，但電解、電鍍及直流電動機需要直流電。而在電子線路和自動控制裝置中還需要電壓非常穩(wěn)定的直流電。為了得到直流電，除直流發(fā)電機外，更廣泛采用的就是半導體直流電源。交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓ututututut半導體直流電源的原理方框圖18.1整流電路(rectifiercircuit)18.1.1單相半波整流電路iD電路如圖：設變壓器副邊電壓為整流電路:將交流電壓變換為單向脈動電壓的電路。整流元件是具有單向導電能力的二極管或晶閘管。TrDR+ab~uuottuuoio根據二極管的單向導電性，在二極管加正向電壓時導通，負載兩端有輸出電壓；而在加反向電壓時二極管截止，負載得不到輸出電壓。負載的電壓波形及電流波形見右下曲線圖。二極管導通，忽略二極管正向壓降，

uo=u2u1u2aTbDRLuo為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。二極管截止,uo=0+–io+–u2>0時:u2<0時:單相半波整流電壓波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340二極管只在半個周期能夠導電，而負載上得到的電壓是單一方向，大小隨時間而變的(單向脈動電壓)。對這種整流的輸出電壓，常用一個周期的平均值來表示它的大小。其平均值為整流電壓的平均值t0uTUo如果電路負載已知，則整流輸出電流的平均值為二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓：u1u2aTbDRLuouDiouD20tUDRM二極管上的平均電流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向電壓:iDTrRab~uuoD例有一單相整流電路,負載電阻為750,變壓器副邊電壓為20V，試求Uo，Io及UDRM,并選用二極管。解查二極管參數，選用2AP4(16mA,50V)。為了使用安全此項參數選擇應比計算值大一倍左右。全波整流電路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓u2當u2正半周時，D1導通，D2截止。當u2負半周時，D2導通，D1截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io單相全波整流電壓波形u2uouD1t2340uD2+–+–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)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()ò=pwp

01tduUoo=()òpwp

01tdsinw

t22UIo=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=uD20tDRM22UU=2二極管承受的最高反向電壓：18.1.2單相橋式整流電路(bridgerectifier)單相半波整流電路只利用了電源的半個周期，并且整流電壓的脈動較大。為此常采用全波整流電路，最常見的就是單相橋式整流電路。~RLuo~RLuuoa~TrRLbuuo~RLuuo橋式整流電路的工作情況在變壓器副邊電壓u為正半周時，二極管D1、D3導通，而二極管D2、D4截止；uoa~TrRLbuD1D2D3D4uoa~TrRLbuD2D4t0uT當副邊電壓u為負半周時，二極管D2、D4導通，而二極管D1、D3截止。Uo單相橋式整流電路的輸出電壓：負載電阻中通過的輸出電流：每只二極管中通過的電流僅為輸出電流一半：每只二極管承受的最高反向電壓：集成硅整流橋：u2uo+

–

~+~-

+–常見的幾種整流電路UUoIoUUoIoUUoUIo整流電壓平均值t0uot0uot0uo電路整流電壓波形二極管平均電流二極管反向電壓副邊電流有效值18.2濾波器(filter)整流電路僅將交流電轉換成單向脈動的直流電壓。這種電壓對許多電子設備遠達不到要求，往往再加接濾波器以改善電壓的脈動程度。18.2.1電容濾波器(C濾波器)TrDRLab~uC=uoCt0ut0uD截止D導通D導通D截止D導通電容濾波器的作用電容濾波器輸出電壓的脈動程度有所改善，但帶負載能力較差。在負載不同的情況下，取用輸出電流Io愈大輸出平均電壓Uo愈小。其外特性曲線如右圖：IoUo01.4U電容濾波0.45U無電容濾波采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程與電容器的放電時間常數RLC有關，其值愈大則脈動程度就愈小。一般認為或即可達到要求，此時輸出電壓Uo由下式估算：(半波)(全波)電容濾波電路中元件的選擇：由于二極管的導通時間較短，因此通過二極管的的電流峰值較大，應避免電流沖擊損壞二極管；由于濾波電容保持有電壓輸出，應注意二極管截止時所承受的最高反向電壓UDRM有所不同，帶電容濾波的半波整流電路帶電容濾波的橋式整流電路UDRM不變；常用電容器一般在101~103微法，視負載電流大小而定。其耐壓值應大于輸出電壓的最大值，一般大容量電容具有極性。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=ucu2u2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按指數規(guī)律下降，時間常數=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越高負載電流的平均值越大;

整流管導電時間越短iD的峰值電流越大電容濾波電路的特點(a)輸出電壓平均值Uo與時間常數RLC有關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18.2.2電感電容濾波器(LC濾波器)要進一步減小輸出電壓的脈動程度，可在濾波電容之前串入鐵心電感線圈L——即LC濾波器。~TrRLuCL電感電容濾波電路由于電感線圈對整流電流的交流分量具有阻抗，L比RL大得愈多則濾波效果就愈好。一般需要線圈的電感量較大，但其直流電阻也較大，因而會造成輸出電壓的下降。LC濾波器適于電流較大、輸出電壓脈動很小的場合，更適合與高頻濾波。18.2.3形濾波器形LC濾波電路如果需要輸出電壓的脈動更小，可以再加一個濾波電容。形LC濾波器的效果跟好，但整流二極管的沖擊電流較大。RLuC2LC1由于線圈體大且重，有些情況可用電阻代替電感線圈以構成形RC濾波器。R愈大濾波效果愈好，但將使輸出電壓下降，所以適用于負載電流較小、電壓脈動很小的場合。形RC濾波電路RLuC2RC1實際電源舉例-24VN2C1N3N13A2000F50VFU2C21A.047FFU12CZ124直流交流24V~220V如圖電源輸出電壓為24V，電流為1.8A。變壓器副繞組N3的電壓約為20V，C2起抑制高頻干擾作用；副繞組N2的電壓為5.5V，供照明指示燈用。直流24V電池的極性可任意接入。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18.3直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源類型:以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設備)電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因學時有限，這里不做介紹。18.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RLUiDZRC~UoIZIo經整流和濾波后，雖脈動程度有了最大改善，但直流電壓幅度還會隨著電網的波動或負載的變化而變化。最簡單的直流穩(wěn)壓電源是利用穩(wěn)壓管組成的。如圖采用橋式整流和電容濾波，得到直流電壓Ui，再經過限流電阻R和穩(wěn)壓管DZ，使負載得到一個比較穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RLUiDZRC~UoIZIo穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電壓的穩(wěn)定過程選擇穩(wěn)壓管一般規(guī)律：

UZ=Uo式

IZmax=(1~5)Iomax

Ui=(2~3)Uou↑→

Ui↑→

Uo

↑→

IZ

↑→

UR

↑→保持負載電壓Uo近似不變。當電源電壓升高時當負載增加時Io↑→

UR↑→

Uo

↓→

IZ

↓→

UR

↓→保持負載電壓Uo近似不變。穩(wěn)壓電阻的計算穩(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換為電壓的變化，從而起到調節(jié)作用，同時R也是限流電阻。

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

但R的數值越大，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，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關。穩(wěn)壓電阻的計算如下當輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應小于IZmin，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值。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！當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(2)1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構成

VO=VI-VR，當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18.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

在實際電路中，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)壓電源的構成：調整管、放大環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、基準電壓源2.工作原理1．輸入電壓變化時VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓實質：電壓負反饋2．負載電流變化時IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調節(jié)范圍的計算可見，調節(jié)R2可以改變輸出電壓。根據“虛短”Vf≈VREFT1調整管R3

、T2比較放大R1

、RW

、R2采樣電阻R

、UZ基準電壓4.分立元件組成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2RLUODZC~R1UZR2R1R2U1R4R3T1T2Io串聯(lián)型穩(wěn)壓電源自動調節(jié)電壓過程：Uo↑→UBE2↑→IB2↑→IC2

↑→UCE2

↓Uo↓←UCE1↑←IC1

↓←IB1

↓←UBE1

↓從調整過程看，串聯(lián)型穩(wěn)壓電源是一種串聯(lián)電壓負反饋電路。輸出電壓的確定和調節(jié)范圍因為：OU2BEZUU+22WRR+21WRRR++=()22221BEZWWOUURRRRRU++++=所以：2221ZWWURRRRR+++=忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求輸出電壓的調節(jié)范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU+++=4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxURRRRU++=4=12V4.74.7++=4.74.7用運算放大器做比較放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源：RLUODZR1UZR2R1R2U1R3TIo++–18.3.3集成穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源的應用場合相當廣泛，但分立件串聯(lián)型穩(wěn)壓電源及由運放構成的穩(wěn)壓電源結構比較復雜，還要注意加接保護電路。因此，單片集成穩(wěn)壓電源應運而生并且得到廣泛應用?；究梢宰龅矫庹{試，且體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉。一、簡單的集成穩(wěn)壓電源RLUODZRFUZR2+UR++–R1RLUODZRFUZR2+UR++–R1二、單片集成穩(wěn)壓電源目前最普遍應用的單片穩(wěn)壓電源是W7800系列和W7900系列。其內部電路是在串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的基礎上構成的。只有三個引出端：輸入端1、輸出端2和公共端3(俗稱三端集成穩(wěn)壓器)。1.外形圖和主要參數123123W78159824型號W7805W7809W7812W7815Uo(V)591215UiMax(V)