電路與模擬電子技術(shù)-第9章

第9章直流電源本章教學(xué)內(nèi)容29.1整流濾波電路9.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路9.3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路9.4集成穩(wěn)壓電路9.5開關(guān)型穩(wěn)壓電路本章概述3直流電源基本組成本章將逐一介紹整流濾波電路、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理及應(yīng)用。9.1整流濾波電路4在第5章中已介紹了常見的二極管整流電路，性能列于表9-1-1。單相半波整流電路的輸出電壓脈動較大，變壓器利用率低。全波整流電路要求變壓器有中間抽頭，體積增大，而且在輸出相同平均電壓的情況下，整流二極管承受的最大反向電壓最高。橋式整流電路優(yōu)勢明顯，它的輸出平均電壓高、脈動小，整流管所承受的最大反向電壓低，因此，橋式整流電路得到了頗為廣泛的應(yīng)用。但是橋式整流不能實(shí)現(xiàn)交直流共地。單相半波整流5U0=0.45U2單相橋式整流6U0=0.9U29.1整流濾波電路7橋式整流電路使用二極管的數(shù)量相對較多，但目前已有現(xiàn)成的整流橋產(chǎn)品來代替4個分立元件，對外只有4個引出端，其中兩端為單相交流電壓輸入端（標(biāo)“～”符號），另外兩端是整流電壓輸出的正、負(fù)極（分別標(biāo)“+”“-”）9.1.2濾波電路整流輸出的單向脈動電壓雖然沒有極性的變化，但是，電壓數(shù)值起伏較大，含有較大的交流成分。全波整流波形的傅里葉級數(shù)為這種單向脈動直流電壓除了直流成分，還含有大量的諧波成分，并不能向大多數(shù)電子設(shè)備提供可用的直流電壓。濾波電路就是盡量濾除掉交流諧波分量，保留直流成分，得到較平穩(wěn)的直流電壓。因而大多數(shù)整流電路都加有電源濾波電路。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波和π型濾波。89.1.2濾波電路（續(xù)1）電容濾波電路iD+uo_

+u1_+u2_RLCiC+io電容濾波電路是依據(jù)電容兩端電壓不能突變的特性而工作的。1、半波整流電容濾波u20整流輸出0uo0t1t2t3uo=uCt499.1.2濾波電路（續(xù)2）半波整流濾波電路負(fù)載電壓平均值Uo近似為：濾波電容用電解電容，電容器耐壓應(yīng)大于二極管所承受的反向電壓最大值為：當(dāng)RL=(空載）時，輸出電壓的平均值為：隨著負(fù)載的增加（RL減?。?，放電加快，Uo也下降，帶負(fù)載能力較差。uo0t1t2t3uo=uCt4iD+uo_

+u1_+u2_RLCiC+io109.1.2濾波電路（續(xù)3）利用Multisim觀察半波整流電容濾波工作波形117.3電源濾波電路（續(xù)4）12橋式全波整流電容濾波負(fù)載電阻兩端沒有并聯(lián)電容C時。輸出電壓波形為u0

t0uo

tO整流電路的脈動輸出電流負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容C后。且RLC較大時，若忽略整流電路的內(nèi)阻，輸出電壓波形變?yōu)殡娙萃ㄟ^RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。只有整流電路輸出電壓大于uo的時間區(qū)間，才有充電電流。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。9.1.2濾波電路（續(xù)5）如果考慮整流電路內(nèi)阻，電容充電時，電容電壓滯后于u2整流電路的脈動輸出電流uo

tORLC越小，電容放電越快，輸出電壓越低。139.1.2濾波電路（續(xù)6）利用Multisim觀察橋式全波整流電容濾波工作波形149.1.2濾波電路（續(xù)7）15一般取(T

為電源電壓的周期)近似估算:半波整流Uo=1.0U2

；全波整流Uo=1.2U2(2)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

整流二極管導(dǎo)電時間越短

ID的峰值電流越大選擇整流二極管時，取

電容濾波電路的特點(diǎn)：(1)輸出電壓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，單相橋式整流電路帶電容濾波后，二極管所受的最高反向電壓同無電容濾波時一樣,仍然為9.1.2濾波電路（續(xù)8）(3)輸出的直流電壓平均值受負(fù)載的影響較大。輸出特性(外特性):Uo電容濾波純電阻負(fù)載1.4U20.9U20IL在空載（RL=)和忽略二極管正向壓降時，Uo=1.4U2，隨負(fù)載增加，Uo下降，外特性如圖。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)載變動不大的場合。169.1.2濾波電路（續(xù)9）17電感濾波電路結(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。（1）濾波原理對直流分量(f=0)：XL=0

相當(dāng)于短路，電壓大部分降

在RL上。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（2）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)的場合。缺點(diǎn)：電感鐵心笨重，體積大，易引起電磁干擾。9.1.2濾波電路（續(xù)10）18電感電容(LC)濾波將電感濾波和電容濾波組合起來就構(gòu)成電感電容濾波電路。

由于電感的存在，脈動電壓的交流分量主要降落在電感上，而直流分量加在電容電阻的并聯(lián)回路中，再進(jìn)一步濾去交流分量，可以得到較為平直的直流輸出電壓。

這種濾波電路對于大、小負(fù)載均適合，主要用于要求輸出電壓脈動小的場合。9.1.2濾波電路（續(xù)11）19電阻電容(RC)濾波由于電感線圈一般有鐵心，體積大，重量重，制作和安裝都不方便，又只適用于大電流場合，所以一般小功率和小電流的場合往往采用電阻電容濾波。對直流分量而言，電容相當(dāng)于開路，負(fù)載上的直流電壓為對于各次交流分量，只要電容取得足夠大，就能獲得比較理想的濾波效果。通常取9.1.2濾波電路（續(xù)12）20RC-

型濾波由于電阻R的存在，損

失了部分電壓，輸出直

流電壓比電容濾波小，

所以電阻R不能取得太

大（一般取100左右）。

RC-

型濾波是在電容濾波的基礎(chǔ)上，再增加了一級RC低通濾波電路，所以，濾波效果比電容濾波好。RC-

型濾波輸出電壓直流分量：采用半波整流電容濾波：采用全波整流電容濾波：Uo≈1.0UUo≈1.2U9.1.2濾波電路（續(xù)13）21LC-

型濾波由于不存在電阻R損失電壓，輸出直流電壓比RC-

型濾波大。LC-

型濾波是在電容濾波的基礎(chǔ)上，類似RC-

型濾波再增加了一級LC低通濾波電路濾波效果比電容濾波好。LC

型濾波輸出電壓直流分量：采用半波整流電容濾波：采用全波整流電容濾波：Uo≈1.0UUo≈1.2U9.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路22整流輸出電壓雖然經(jīng)過濾波電路濾波，可以得到波動較小的直流輸出電壓，但是，如果輸入交流電源電壓發(fā)生波動，或負(fù)載電流發(fā)生變動（這種情況經(jīng)常出現(xiàn)），輸出的直流電壓就可能產(chǎn)生變化。穩(wěn)壓電路的功能，就是在輸入交流電源電壓波動、負(fù)載變化時，使輸出直流電壓保持恒定。穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出直流電壓的基本思想是：在輸出直流電壓時，在電路中設(shè)置一個吸收波動成分的元件（調(diào)整元件），當(dāng)電源電壓或負(fù)載波動時，調(diào)整元件將根據(jù)輸出直流電壓的變動情況，確定調(diào)整方向和大小，以保證輸出的直流電壓不發(fā)生變化。9.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)1）穩(wěn)壓電源質(zhì)量指標(biāo)輸出電壓輸出電壓變化量輸入調(diào)整因數(shù)電壓調(diào)整率穩(wěn)壓系數(shù)輸出電阻溫度系數(shù)239.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)2）穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路電路中設(shè)置了一個吸收電壓波動成分的元件R（調(diào)整元件），當(dāng)市電或負(fù)載波動時，調(diào)整元件上的電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，保證輸出的直流電壓不發(fā)生變化。（1）電源電壓波動（2）負(fù)載變化249.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)3）整流濾波輸出電壓被分成兩部分：一部分是負(fù)載得到的直流輸出電壓U0，另一部分則是降在調(diào)整元件上的電壓UR。電路工作時，穩(wěn)壓管處于反向

擊穿狀態(tài)，電阻R中流過的電流一部分流入

穩(wěn)壓二極管形成穩(wěn)壓管電流Iz，另一部分則提供給負(fù)載電阻RL，

如果電阻R取值太小，則穩(wěn)壓管中的電流將可能太大而損壞器件，所以，該電阻又稱為限流電阻。

輸出電壓的數(shù)值直接由穩(wěn)壓管的參數(shù)確定(Uz)。構(gòu)造電路時要根據(jù)需要選擇穩(wěn)壓管。259.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)4）

要使穩(wěn)壓二極管正常工作，則其電流必須在IZ~IZM之間。如果負(fù)載電流的變化范圍為ILm~ILM，電源電壓波動使濾波輸出電壓U1的變化范圍為U1min~U1max限流電阻的取值范圍為R承受的最大可能電壓R承受的最小可能電壓R允許流過的最大電流R必須流過的最小電流如果無法由此式確定限流電阻，則穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路將無法滿足工作要求，必須更換穩(wěn)壓管或采用其他形式穩(wěn)壓電路。269.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)5）例：電路如圖，已知U1=30V，穩(wěn)壓管DZ(2CW18)的穩(wěn)定電壓UZ=10V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=20mA，負(fù)載電阻RL=2k

。求當(dāng)U1變化

10%時，電阻R的取值范圍？輸出電壓負(fù)載電流整流濾波輸出電壓279.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)6）28電壓可調(diào)的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路運(yùn)算放大器直接由整流濾波電路供電（未穩(wěn)壓）9.2穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（續(xù)7）穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路雖然簡單，但存在以下問題穩(wěn)壓值只能由穩(wěn)壓管的型號決定，不能調(diào)節(jié)；輸出電流受IZM的限制，調(diào)節(jié)范圍和數(shù)值都較??；輸出電阻R0比較大，輸出電壓的穩(wěn)定性較差。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路只能用在輸出直流電壓固定且負(fù)載電流不大的場合。在電子系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛的是串聯(lián)型穩(wěn)壓器和開關(guān)型穩(wěn)壓器。29為了使穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出大電流，需要加晶體管放大。穩(wěn)壓原理：電路引入電壓負(fù)反饋，穩(wěn)定輸出電壓?；菊{(diào)整管穩(wěn)壓電路

不管什么原因引起UO變化，都將通過UCE的調(diào)節(jié)使UO穩(wěn)定，故稱晶體管為調(diào)整管。

若要提高電路的穩(wěn)壓性能，則應(yīng)加深電路的負(fù)反饋，即提高放大電路的放大倍數(shù)。9.3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路串聯(lián)型直流穩(wěn)壓器由調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓和比較放大器等幾部分組成。319.3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路（續(xù)1）基準(zhǔn)電壓UZ由穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生；取樣電路對輸出直流電壓進(jìn)行取樣，得到與輸出電壓成比例的取樣電壓US，取樣電路常由電阻分壓電路構(gòu)成；比較放大電路對取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出控制信號控制調(diào)整管工作；由比較放大電路控制調(diào)整管電壓UT，使輸出電壓與基準(zhǔn)電壓保持恒定的比例關(guān)系，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。穩(wěn)壓過程U1

RL

UO

US

US

UZ

UT

UO=U1

UT321.穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使UO增大2.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍則UO↑→UN↑→UB↓→UO↓具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成及其作用調(diào)整管取樣電阻調(diào)整管：是電路的核心，UCE隨UI和負(fù)載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定UO。比較放大基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓：是UO的參考電壓。取樣電阻：對UO

的取樣，與基準(zhǔn)電壓共同決定UO

。比較放大：將UO

的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇IEmax＝IR1＋I(xiàn)Lmax≈ILmax<ICMUCEmax＝UImax－UOmin<U(BR)CEO

PTmax＝IEmaxUCEmax<PCM根據(jù)極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO、PCM選擇調(diào)整管！應(yīng)考慮電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載電流的變化！典型串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路36可調(diào)輸出串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路37實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源1.標(biāo)出集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端；2.電路由哪些部分組成？3.UI＝21V，R1＝R2＝R3＝300Ω，UZ＝6V，UCES＝3V，UO＝？4.如何選取R’和R？限流型過流保護(hù)電路輸出電流取樣電阻實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源5.取樣電阻的取值應(yīng)大些還是小些，為什么？它們有上限值嗎？6.若電路輸出紋波電壓很大，則其原因最大的可能性是什么？取樣電流應(yīng)大于調(diào)整管的穿透電流電路可能產(chǎn)生了自激振蕩9.3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路40為了保證調(diào)整管（參考第6章有關(guān)晶體管的內(nèi)容）始終處于線性區(qū)，要求串聯(lián)型穩(wěn)壓電路調(diào)整管上調(diào)整電壓應(yīng)不低于2~3V（最不利狀況下），輸出電流完全流過調(diào)整管，因此，調(diào)整管上消耗功率較大，在選用調(diào)整管時應(yīng)充分考慮功率容量，同時要做好調(diào)整管的散熱處理。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路在小功率電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，基于這種穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)推出了將穩(wěn)壓電路集成在一起的單片集成穩(wěn)壓電路。單片集成穩(wěn)壓電源具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。9.4集成穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路W78xxINOUTGND正電壓輸出正電壓輸入W79xxINOUTGND負(fù)電壓輸出負(fù)電壓輸入金屬圓殼式塑料截圓式419.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)1）W7800、W7900系列三端集成穩(wěn)壓器引腳金屬封裝塑料封裝INGNDOUTINGNDOUTW7800132123W78M00132123W78L00132123W7900132123W79M00132123W79L00132123封裝引腳系列429.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)2）三端集成穩(wěn)壓器典型接法無極性高頻電容主要用于消除寄生振蕩，必須在穩(wěn)壓器引腳根部連接。極性電容起輸出電壓進(jìn)一步濾波作用。注意極性不能接反。二極管用于保護(hù)穩(wěn)壓器，正常工作時，二極管反向偏置，處于截止?fàn)顟B(tài)，在錯誤連接情況下，二極管導(dǎo)通，保護(hù)穩(wěn)壓器。439.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)3）提高輸出電壓的電路321+_+_COCiW78xxUiUOUZUxx固定輸出電壓:UO=UXX+UZ提高輸出電流的電路IO=I2+IC

當(dāng)IO較小時，UR較小，T截止，IC=0。

當(dāng)IO>

IOM時，UR較大，T導(dǎo)通，IO=IOM+IC449.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)4）正、負(fù)電壓同時輸出的電路45輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源9.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)5）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，其三個接線端分別為輸入端IN（UI）、輸出端OUT（UO）和調(diào)節(jié)端ADJ(adjust)。工作中LM117的IADJ=50mA，由于調(diào)整端電流IADJ<<輸入電流IIN，可以忽略，輸出端和調(diào)節(jié)端之間形成1.25V的基準(zhǔn)電壓UREF，該基準(zhǔn)電壓加在電阻R1上，產(chǎn)生恒定電流，再流過輸出電阻R2，得到的輸出電壓為469.4集成穩(wěn)壓電路（續(xù)7）同時輸出可調(diào)正、負(fù)電壓的穩(wěn)壓電路479.5開關(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，紋波電壓小。缺點(diǎn)是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，因而功耗大，效率低（20％～49％）；需加散熱器，因而設(shè)備體積大，笨重，成本高。若調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高效率，開關(guān)型穩(wěn)壓電源的效率可達(dá)70％～95％。體積小，重量輕。適于固定的大負(fù)載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的場合。9.5開關(guān)型穩(wěn)壓電路49開關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管一般以10～100kHz的頻率反復(fù)翻轉(zhuǎn)于飽和區(qū)和截止區(qū)的開關(guān)工作狀態(tài)，功耗很低，電源效率可以提高到80％～90％。開關(guān)型穩(wěn)壓器能夠得到低于或高于輸入電壓的輸出電壓，也能得到與輸入電壓相反極性的輸出電壓，還可以將開關(guān)脈沖信號通過高頻變壓器的多個次級繞組輸出，經(jīng)整流濾波后得到不同極性、數(shù)值的多個直流輸出電壓。開關(guān)型穩(wěn)壓器體積小、重量輕，對電網(wǎng)電壓的波動要求低。9.5.1串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)與串聯(lián)線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)型穩(wěn)壓器增加了開關(guān)控制和續(xù)流濾波電路，調(diào)整管采用開關(guān)型晶體管。509.5.1串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路（續(xù)1）開關(guān)型穩(wěn)壓器的原理電路其中：T為工作在開關(guān)狀態(tài)的調(diào)整元件。電感L、電容C和二極管D組成續(xù)流濾波環(huán)節(jié)。運(yùn)算放大器A、電阻R1、R2與基準(zhǔn)電壓