《電工電子》課件項(xiàng)目八 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目8穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)《電工電子技術(shù)項(xiàng)目化教程》任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握穩(wěn)壓電源的基本原理和電路組成；掌握開(kāi)關(guān)電源的基本原理和電路組成能力目標(biāo)：掌握穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法任務(wù)分析通過(guò)學(xué)習(xí)，了解并掌握穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的基本原理和電路組成，并完成穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。任務(wù)8.1穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)8.1.1穩(wěn)壓電源的組成穩(wěn)壓電源的組成框圖見(jiàn)圖15-1所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖中可見(jiàn)穩(wěn)壓電源的由4部分組成，各組成部分的作用如下：整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動(dòng)直流電濾波電路是將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路對(duì)整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì).2單相橋式整流電路15.2.1工作原理電路原理圖如圖15-2所示單相橋式電路巧妙地利用二極管的單相導(dǎo)電性，分別構(gòu)成了兩組回路，無(wú)論變壓器的兩端的極性如何，正極性端與電阻R的上端相連，負(fù)極性端與電阻R的下相連。這樣負(fù)載一直都有一個(gè)單方向的電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路中電壓和電流波形圖如圖15-3所示：當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-3電路中電壓和電流波形圖15.2.2負(fù)載上的直流電壓和直流電流輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：

流過(guò)負(fù)載的平均電流為：任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)流過(guò)二極管的平均電流為：

二極管所承受的最大反向電壓

數(shù)量關(guān)系如圖15-4所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3濾波電路15.3.1濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)1.電容濾波電路在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C，就構(gòu)成了電容濾波電路（見(jiàn)圖15-5）1)濾波原理：若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓V2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在V2上，所以輸出波形同V2，是正弦形。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)在剛過(guò)90°時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過(guò)90°時(shí)，二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò)90°后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來(lái)越快，二極管關(guān)斷。所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，Vc=VL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，Vc=VL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。原理圖見(jiàn)圖15-6。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-6電容濾波電路2)電容濾波的計(jì)算電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即另一種是在RLC=(3

5)T/2的條件下，近似認(rèn)為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應(yīng)滿足

RLC≥6~10。）任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4穩(wěn)壓電路引起輸出電壓變化的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化。

15.4.1穩(wěn)壓電路方框圖見(jiàn)圖15-7。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-7穩(wěn)壓電路方框圖2穩(wěn)壓電路種類1.硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理（見(jiàn)圖15-8。）利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起較小的電壓變化?；鶞?zhǔn)源：一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償了的穩(wěn)壓二極管。這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數(shù)可小到幾個(gè)10-6/℃。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路，廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路之中。典型的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，由基準(zhǔn)電壓、比較放大、調(diào)整、取樣幾個(gè)部分組成。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-9串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的工作原理電路如圖15-9。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3.三端集成穩(wěn)壓器將串聯(lián)穩(wěn)壓電源和保護(hù)電路集成在一起就是集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器有：輸入端、輸出端和公共端，稱三端集成穩(wěn)壓器。要特別注意，不同型號(hào)，不同封裝的集成穩(wěn)壓器，它們?nèi)齻€(gè)電極的位置是不同的，要查手冊(cè)確定。1） 集成穩(wěn)壓器符號(hào)圖15-102） 外形圖見(jiàn)圖15-11任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3）三端集成穩(wěn)壓器的分類①三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器國(guó)標(biāo)型號(hào):CW78--/CW78M--/CW78L--②三端固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器國(guó)標(biāo)型號(hào):CW79--/CW79M--/CW79L--③三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器國(guó)標(biāo)型號(hào):CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--④三端可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器國(guó)標(biāo)型號(hào):CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--⑤三端低壓差集成穩(wěn)壓器任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)⑥大電流三端集成穩(wěn)壓器以上1---為軍品級(jí)；2---為工業(yè)品級(jí)；3---為民品級(jí)。軍品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；工業(yè)品級(jí)為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；民品級(jí)多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4.應(yīng)用電路1）三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖15-12所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-12三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路2）三端固定式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出應(yīng)用電路如圖15-13所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-13三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的正負(fù)輸出應(yīng)用電路3）三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖15-14所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-14三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路4）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出的典型應(yīng)用電路如圖15-15所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-15三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的正、負(fù)輸出的典型應(yīng)用電路可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和公共端之間是1.25V的參考源，因此輸出電壓可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)8.2.1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源基本工作原理分析1開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓電源比較穩(wěn)壓電源是使用電子電路調(diào)整輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定目的的電源，有串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，開(kāi)關(guān)電源也是穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓電源不能直接稱為開(kāi)關(guān)電源。普通的串聯(lián)穩(wěn)壓電源都安裝電源變壓器，具有輸出電壓穩(wěn)定、波紋小等優(yōu)點(diǎn)，但是電壓范圍小，效率低。并聯(lián)穩(wěn)壓電源輸出電壓特別穩(wěn)定，但是負(fù)載能力很差，一般只在儀表內(nèi)部做基準(zhǔn)用。任務(wù)8.2開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率高，電壓范圍寬，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，由于開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗小，所以開(kāi)關(guān)電源的工作效率可達(dá)80﹪～90﹪。而通常的線性調(diào)整式穩(wěn)壓電源的效率僅達(dá)50﹪左右開(kāi)關(guān)電源是近代普遍推廣的穩(wěn)壓電源，比如現(xiàn)在電腦的ATX電源、筆記本電腦電源適配器、打印機(jī)電源、手機(jī)充電器等等。穩(wěn)壓電源是在負(fù)載功率變化時(shí)，輸出電壓仍然保持固定的電壓值。開(kāi)關(guān)電源也是穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓電源不能直接稱為開(kāi)關(guān)電源。兩種電源的比較見(jiàn)表15.2所示。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2開(kāi)關(guān)電源的分類1.根據(jù)開(kāi)關(guān)管在電路中的連接方式分類，可分為串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和脈動(dòng)變壓器耦合式開(kāi)關(guān)電源。如圖15-16所示四種類型開(kāi)關(guān)電源電路。1)串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指：開(kāi)關(guān)管（或儲(chǔ)能電感）與負(fù)載采用串接方式連接的一種電源電路。2)并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指：開(kāi)關(guān)管（或儲(chǔ)能電感）與負(fù)載采用并接方式連接的一種電源電路3）脈沖變壓器耦合型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路電源是指：開(kāi)關(guān)管與脈沖變壓器一次繞組串聯(lián)后與整流電路并聯(lián)，負(fù)載電路與脈沖變壓器二次繞組并聯(lián)。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.根據(jù)開(kāi)關(guān)管的激勵(lì)方式不同分類，開(kāi)關(guān)電源可分為自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。1）自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是利用電源電路中的正反饋電路來(lái)完成自激振蕩，啟動(dòng)電源。2）他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路是專門設(shè)有一個(gè)振蕩器來(lái)啟動(dòng)電源的。3.根據(jù)使用的器件種類不同分類，可分為由分立元器件組成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和由集成電路組成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4.根據(jù)穩(wěn)壓的控制方式不同分類，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可分為脈沖調(diào)寬式和脈沖調(diào)頻式兩種1）所謂脈沖調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指：由相關(guān)電路對(duì)開(kāi)關(guān)的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種穩(wěn)壓電路2）所謂脈沖調(diào)頻式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指：由相關(guān)電路對(duì)開(kāi)關(guān)的脈沖頻率進(jìn)行調(diào)制的一種穩(wěn)壓電路15.5.3串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路工作原理分析1.串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指開(kāi)關(guān)管串聯(lián)在輸入電壓與負(fù)載電路之間的一種工作方式的電源電路。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)3.串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路的工作原理串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的基本電路如圖15-17所示。在該電路中，VT1為開(kāi)關(guān)管，VD1為續(xù)流二極管，L為儲(chǔ)能電感，C為濾波電容，RL為負(fù)載電阻。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-17串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的基本電路3.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源基本電路的工作原理

1）VT1基極輸入正脈沖：開(kāi)關(guān)管VT1正偏飽和導(dǎo)通，如圖15-18所示輸出的電壓ui一路加到續(xù)流二極管VD1的負(fù)極上，使其反偏截止；另一路經(jīng)L、C、RL形成回路，電流經(jīng)L對(duì)電容C進(jìn)行充電，也對(duì)RL負(fù)載供電。線圈自感電壓為左“+”右“-”，以阻礙電流的增大。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-18VT1基極輸入正脈沖的原理圖

VT1基極輸入負(fù)脈沖：開(kāi)關(guān)管VT1反偏截止如圖15-19所示，從而切斷了輸入電壓ui向負(fù)載供電的通路。但由于電感中的電流不會(huì)突變，在電感中會(huì)感應(yīng)出右“+”正、左“-”負(fù)的電壓。該電壓就會(huì)使續(xù)流二極管正偏導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感L中的能量就會(huì)通過(guò)VD1導(dǎo)通的二極管繼續(xù)向電容C充電，同時(shí)也為負(fù)載提供工作電流，以維持負(fù)載電流的連續(xù)性。電路要求電容耐壓值高，一般不小與輸入電源2倍。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖15-20關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形電路圖中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖中A、B、C圖分別是控制開(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5、<0.5、>0.5時(shí)，輸出電壓uo的波形、儲(chǔ)能濾波電容兩端電壓uc的波形、儲(chǔ)能電感L電流IL的波形。電壓波形小結(jié)：①占空比大電源輸出電壓Uo大，但電壓波動(dòng)也大；相反，占空比小電源輸出電壓Uo就小。②當(dāng)占空比等于0.5時(shí)，電源輸出電壓為脈沖電壓的平均值，且電壓較穩(wěn)定。任務(wù)一

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)4．串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源電路分析做幾點(diǎn)說(shuō)明

1）由于輸入電壓沒(méi)有隔離電路，所以整個(gè)電路是帶電的，稱為熱地板，在調(diào)試和修理時(shí)要注意安全。

2）由于開(kāi)關(guān)管與負(fù)載串聯(lián)，因此對(duì)開(kāi)關(guān)管的反向耐壓要求不高。