《電子線路基礎(chǔ)》課件第8章

第8章直流穩(wěn)壓電源8.1直流穩(wěn)壓電源的組成8.2整流電路和濾波電路8.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路8.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電源8.5開關(guān)型穩(wěn)壓電路8.1直流穩(wěn)壓電源的組成幾乎所有的電子設(shè)備都需要直流電源供電才能正常工作，由于電網(wǎng)提供的是220V/50Hz交流電，因而必須通過一定的轉(zhuǎn)換方法才能得到符合實(shí)際需要的直流電，目前廣泛采用將交流電經(jīng)由整流、濾波和穩(wěn)壓得到直流電的方法。直流穩(wěn)壓電源的組成框圖如圖8－1所示。電源變壓器首先將電網(wǎng)電壓變換成整流電路所需要的交流電壓，然后通過整流電路將交流電壓變換成單向脈動(dòng)電壓。單向脈動(dòng)電壓中除包含直流分量外，還包含相當(dāng)數(shù)量不同頻率的交流分量，因此需通過濾波電路進(jìn)一步減小交流分量。最后采用穩(wěn)壓電路使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電阻變化時(shí)，能夠保持穩(wěn)定。圖8-1直流穩(wěn)壓電源的組成框圖

整流電路（rectifier）的作用是將交流電變換成單方向的直流電。整流電路種類較多，按整流元件的類型，分二極管整流和可控硅整流；按交流電源的相數(shù)，分單相和多相整流；按流過負(fù)載的電流波形，分半波和全波整流；按輸出電壓相對(duì)于電源變壓器次級(jí)電壓的倍數(shù)，又分一倍壓、二倍壓及多倍壓整流等。8.2整流電路和濾波電路8.2.1單相半波整流電路

1.工作原理單相半波整流電路是一種最簡單的整流電路，電路組成如圖8－2所示。設(shè)二極管VD為理想二極管，RL為純電阻負(fù)載。由圖可見，220V、50Hz交流電網(wǎng)電壓經(jīng)電源變壓器降壓后，變?yōu)閿?shù)值合適的次級(jí)交流電壓u2，即式中,U2為u2有效值。在u2正半周，a端電位高于b端電位，故VD導(dǎo)通。電流流經(jīng)的路徑為a端→VD→RL→b端，若忽略變壓器次級(jí)內(nèi)阻，則RL端電壓即電路的輸出電壓為在u2負(fù)半周，b端電位高于a端電位，故VD截止，且u2及uo波形如圖8-3所示。由圖可見，正弦交流電壓u2經(jīng)半波整流后變?yōu)閱我环较虻闹绷麟妷簎o。圖8-2單相半波整流電路圖8-3半波整流電路波形圖2.主要參數(shù)（1）輸出電壓平均值Uo。將圖8-3所示的輸出電壓uo用傅里葉級(jí)數(shù)展開得其中的直流分量即為輸出電壓平均值Uo，即(8-1)(8-2)Uo越高，表明整流電路性能越好。

（2）輸出電流平均值Io

(8-3)

（3）輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)S。由式(8-1)可見，除直流分量外，uo還有不同頻率的諧波分量。如第二項(xiàng)為基波，第三項(xiàng)為二次諧波，它們反映了uo的起伏或者說脈動(dòng)程度。其中基波峰值與輸出電壓平均值之比定義為輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S（ripplefactor），則半波整流電路的脈動(dòng)系數(shù)為(8-4)

S越小，表明輸出電壓的脈動(dòng)越小，整流電路性能越好。3.二極管的選擇對(duì)整流二極管的參數(shù)要求主要有兩項(xiàng)：即最大整流電流IF和最大反向工作電壓UR。由于在單相半波整流電路中，二極管的正向平均電流等于負(fù)載電流的平均值，二極管承受的最大反向電壓等于變壓器次級(jí)的峰值電壓。再考慮到電網(wǎng)電壓允許有±10%的波動(dòng)，為保證二極管安全工作，一般應(yīng)選取（8－5）（8－6）8.2.2單相全波整流電路單相半波整流電路只需一只整流二極管，結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓脈動(dòng)大，平均值低，因此只適用于整流電流較小，對(duì)脈動(dòng)要求不高的場合。為克服單相半波整流電路的缺點(diǎn)，在實(shí)用電路中經(jīng)常采用單相全波整流電路，最常用的是單相橋式整流電路。

1.工作原理單相橋式整流電路如圖8－4所示。四個(gè)二極管VD1～VD4構(gòu)成整流橋，設(shè)VD1～VD4均為理想二極管，RL為純電阻負(fù)載。變壓器次級(jí)電壓，U2為其有效值。圖8－4單相橋式整流電路

u2、uo波形如圖8－5所示。由圖可見，輸出電壓uo為單一方向的直流電，而且整個(gè)周期內(nèi)都有輸出波形，故稱為全波整流。單相橋式整流電路通過兩對(duì)輪流導(dǎo)通的二極管，引導(dǎo)電流在整個(gè)周期內(nèi)以同一方向流過負(fù)載，達(dá)到全波整流的目的。圖8－5單相橋式整流電路波形圖2.主要參數(shù)將圖8－5所示的輸出電壓uo用傅里葉級(jí)數(shù)展開得(8-7)故輸出電壓平均值為(8-8)輸出電流平均值為(8-9)輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)為(8-10)

顯然，橋式整流電路由于實(shí)現(xiàn)了全波整流，因此在變壓器次級(jí)電壓有效值相同的情況下，輸出電壓的平均值是半波整流的兩倍；在變壓器次級(jí)電壓有效值相同、負(fù)載也相同的情況下，輸出電流平均值也是半波整流的兩倍；同時(shí)輸出電壓的脈動(dòng)也比半波整流減小了很多。3. 二極管的選擇在單相橋式整流電路中，由于負(fù)載在變壓器次級(jí)電壓的整個(gè)周期內(nèi)均有電流通過，但每只二極管只在半個(gè)周期內(nèi)通過電流，因此每只二極管的正向平均電流等于負(fù)載電流平均值的一半，與半波整流電路中二極管的平均電流相同；二極管承受的最大反向電壓為變壓器次級(jí)的峰值電壓，與半波整流電路中二極管承受的最大反向電壓也相同。再考慮到電網(wǎng)電壓允許有±10%的波動(dòng)，為保證二極管安全工作，選擇最大整流電流IF、最大反向工作電壓UR分別為（8－11）（8—12）綜上所述，單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器次級(jí)電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求是一樣的，但輸出電壓高，脈動(dòng)小，因此得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。目前市場上有不同性能指標(biāo)的整流橋堆產(chǎn)品（集成電路）出售，實(shí)際使用時(shí)只需將電源變壓器與整流橋堆相連即可，非常方便。8.2.3濾波電路整流電路的輸出雖為單一方向的直流電，但因其含有較大的諧波成分，故波形起伏明顯，脈動(dòng)系數(shù)大，不能適應(yīng)大多數(shù)電子設(shè)備的需要。一般整流電路之后，還需接入濾波電路以濾除諧波分量，使脈動(dòng)的直流電變?yōu)楸容^平滑的直流電。

1. 電容濾波實(shí)際電路中，以電容濾波的應(yīng)用最為廣泛。如圖8－6（a）所示，在橋式整流電路的基礎(chǔ)上，輸出端并聯(lián)一個(gè)電容C，就構(gòu)成了電容濾波電路。圖8－6單相橋式整流電容濾波電路及工作波形(a)電路；(b)理想情況下uo波形；(c)二極管電流波形設(shè)圖中二極管均為理想二極管。在u2正半周，未并聯(lián)C之前，VD1、VD3始終導(dǎo)通，VD2、VD4始終截止。并聯(lián)C之后，VD2、VD4仍然截止，但VD1、VD3

是否導(dǎo)通則要取決于u2和uC之間數(shù)值的大小。當(dāng)u2大于uC時(shí)，VD1、VD3導(dǎo)通，一路電流對(duì)電容C充電，另一路電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL。在理想情況下，變壓器次級(jí)無損耗，則電容兩端電壓uC（uo）與u2相等，其波形見圖8－6（b）的曲線ab段。電容充電時(shí)，由于整流電路內(nèi)阻R′（即變壓器次級(jí)內(nèi)阻與二極管導(dǎo)通電阻之和）的數(shù)值很小，通常遠(yuǎn)小于RL，因而充電時(shí)間常數(shù)為

u2到達(dá)峰值后開始按正弦規(guī)律下降，同時(shí)充電后的電容C也通過負(fù)載RL放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，u2和uC在下降初期的波形基本吻合，見圖（b）的曲線bc段。此后u2的下降速度開始大于uC的下降速度，當(dāng)u2降至小于uC時(shí)，VD1、VD3因反偏而截止，電容C則繼續(xù)通過RL放電，uC（uo）的波形見圖（b）的曲線cd段。電容放電時(shí)，放電時(shí)間常數(shù)為

τf=RLC在u2負(fù)半周，當(dāng)u2變化到|u2|大于uC時(shí)，VD2、VD4由反偏轉(zhuǎn)為正偏，其狀態(tài)由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電流再次以相同方向?qū)﹄娙軨充電，同時(shí)流過負(fù)載電阻RL。uC上升到u2的峰值后又開始下降，當(dāng)u2變化到|u2|小于uC時(shí)，VD2、VD4因反向偏置而截止，電容C再次通過RL放電，直至VD1、VD3重新導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。從圖（b）波形可以看出，濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值提高。濾波效果則取決于放電時(shí)間，電容越大，負(fù)載電阻越大，濾波效果越好。近似估算時(shí)，可取輸出電壓平均值為 （8－13）脈動(dòng)系數(shù)為（8－14）（3）由于電容濾波后輸出電流的平均值增大，但每只整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間反而減小，且RLC的數(shù)值越大，二極管的導(dǎo)通時(shí)間越短，因此整流二極管在短暫的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)將流過一個(gè)很大的沖擊電流，如圖8－6（c）所示。為保證整流二極管的使用壽命，通常應(yīng)選擇最大整流電流IF大于負(fù)載電流2～3倍的管子。

【例8－1】橋式整流電容濾波電路如圖8－7所示。已知輸出電壓Uo＝-30V，RL＝200Ω，電源頻率f＝50Hz。試問：（1）若電容C為電解電容，應(yīng)如何連接？（2）變壓器次級(jí)電壓u2的有效值為多少？若電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為±10%，求電容的耐壓值。（3）電容C開路或短路時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生什么后果？圖8－7例8－1電路圖

解（1）分析電路可知，為使電容C能夠正常工作，其極性應(yīng)為下正上負(fù)。（2）據(jù)式（8－13），有由于電路空載時(shí)電容將承受最大電壓，再考慮電網(wǎng)電壓±10%的波動(dòng)，則電容耐壓至少應(yīng)為（3）電容C開路時(shí)，電路變?yōu)閱蜗鄻蚴秸?，故有電容C短路時(shí)，VD1～VD4將因電流過大而損壞。

2. 電感濾波當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電容濾波已不適合，這時(shí)可選用電感濾波。在整流電路與負(fù)載電阻之間串聯(lián)一個(gè)電感線圈L就構(gòu)成電感濾波，如圖8－8所示。為增大電感線圈的電感量，一般采用有鐵芯的線圈，圖中的整流電路部分為單相橋式整流的簡化畫法。圖8—8單相橋式整流電感濾波電路

可見，電容濾波是通過電容的儲(chǔ)能作用（充放電過程），即在u2升高時(shí)，把部分能量儲(chǔ)存起來（充電），在u2降低時(shí)，又把儲(chǔ)存的能量釋放出來（放電），從而在負(fù)載RL上得到一個(gè)比較平滑的、近似鋸齒形的輸出電壓uo，使其脈動(dòng)程度大為降低，并且平均值提高。若設(shè)整流電路內(nèi)阻（即變壓器次級(jí)內(nèi)阻與二極管導(dǎo)通電阻之和）為R′，則電容C的充電時(shí)間常數(shù)放電時(shí)間常數(shù)電感的基本性質(zhì)是當(dāng)流過其上的電流發(fā)生變化時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢將阻止電流的變化。因此，當(dāng)變壓器次級(jí)電壓u2的數(shù)值上升導(dǎo)致流過電感線圈L的電流增大時(shí)，L中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢能阻止電流的增大，并且將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能儲(chǔ)存起來；當(dāng)u2的數(shù)值下降而導(dǎo)致流過L的電流減小時(shí)，L中的自感電動(dòng)勢又能阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量以補(bǔ)償電流的減小。這樣，經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流和電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且增加了整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間，減小了其上的沖擊電流，從而延長了整流二極管的壽命。如前所述，整流電路的輸出電壓分為直流分量和交流分量兩部分。對(duì)于直流分量，由于電感線圈L的內(nèi)阻很小，若忽略不計(jì)，則圖8－8中電感濾波電路輸出電壓的平均值與單相橋式整流電路相同，即Uo≈0.9U2

（8－15）對(duì)于交流分量，電感線圈呈現(xiàn)出的感抗為ωL，因此負(fù)載電阻RL越?。簇?fù)載電流越大），濾波后輸出電壓的交流分量越小，脈動(dòng)越小。當(dāng)RL遠(yuǎn)小于ωL時(shí)，濾波效果較好，且L越大，濾波效果越好。

（3）流過每個(gè)二極管的沖擊電流很大。由于增加了電容支路，流過每個(gè)二極管的電流比未并聯(lián)電容之前增大，但每個(gè)二極管的導(dǎo)通時(shí)間反而減小，因此在二極管導(dǎo)通的短暫時(shí)間內(nèi)，將有很大的沖擊電流流過，如圖8-8(c)所示。這一點(diǎn)在選擇二極管時(shí)必須注意，應(yīng)選擇最大整流電流IF較大的管子。

3.復(fù)式濾波

電容和電感是基本的濾波元件，為了進(jìn)一步提高濾波效果，可以采用復(fù)式濾波的方法。利用電容和電感對(duì)直流量和交流量可呈現(xiàn)出不同電抗的特點(diǎn)，只要合理地接入電路，都可達(dá)到濾波目的。圖8－9（a）為RC-π型濾波電路，圖（b）為LC濾波電路，圖（c）為LC-π型濾波電路，圖（d）為它們的輸出特性曲線。圖8－9復(fù)式濾波電路(a)RC—π型濾波電路；(b)LC濾波電路；(c)LC—π型濾波電路；(d)輸出特性曲線由圖可見，LC-π型濾波的輸出特性與電容濾波類似，RC-π型濾波在Io增加時(shí)，其輸出特性比電容濾波差，而LC濾波的輸出特性比電感濾波更佳。雖然電感濾波和LC

濾波的輸出特性較好，帶負(fù)載能力強(qiáng)，適用于大電流或負(fù)載變化大的場合，但因電感濾波器體積大，十分笨重，故通常只用于工頻大功率整流或高頻電源中。

8.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路整流濾波電路雖將交流電變換成了比較平滑的直流電，但輸出電壓Uo仍會(huì)受到下列因素的影響：（1）由于輸出電壓平均值取決于變壓器的次級(jí)電壓有效值，因此當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓平均值將隨之波動(dòng)。（2）負(fù)載電流通常是作為其他電子電路的供電電流，可能會(huì)經(jīng)常變動(dòng)，由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)（或者說當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)），輸出電壓平均值亦隨之變化。為了消除上述兩項(xiàng)變動(dòng)因素對(duì)輸出電壓的影響，獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施，如圖8－10（a）所示。經(jīng)整流濾波后的電壓就是穩(wěn)壓電路的不穩(wěn)定輸入電壓Ui，穩(wěn)壓電路的輸出電壓為穩(wěn)定電壓Uo。為考察穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓特性，可從兩個(gè)方面入手，一是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定；二是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。若僅考慮變化量，得到穩(wěn)壓電路的等效電路如圖8－10（b）所示，該圖反映出衡量穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓性能的兩項(xiàng)性能指標(biāo)，即穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻。圖8－10穩(wěn)壓電路(a)穩(wěn)壓電路示意圖；(b)穩(wěn)壓電路的交流等效電路示意圖8.3.1穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)

1. 穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為負(fù)載一定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓變化量ΔUo與輸入電壓變化量ΔUi之比，即（8－16）

Sr表征了穩(wěn)壓電路抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力的大小，Sr越小，電路的穩(wěn)壓性能越好。

2. 輸出電阻輸出電阻Ro定義為輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓變化量ΔUo與輸出電流變化量ΔIo之比，即（8－17）Ro表征了穩(wěn)壓電路抗負(fù)載變化能力的大小，Ro越小，電路的穩(wěn)壓性能越好。8.3.2穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析由穩(wěn)壓管VDZ和限流電阻R組成的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是一種最簡單的直流穩(wěn)壓電路，如圖8－11（a）所示。其不穩(wěn)定輸入電壓為Ui，當(dāng)Ui大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ時(shí)，穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，輸出電壓Uo等于UZ。圖8－11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(a)電路；(b)穩(wěn)壓管的伏安特性下面從兩個(gè)方面考察穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓特性。（1）當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓能否保持穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，輸入電壓Ui隨之增大，輸出電壓Uo亦隨之增大；但由于Uo等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，由圖8－11（b）可知，UZ的增大將使IDZ急劇增大，由于IR＝IDZ＋I(xiàn)L

(8－18)故IR必然急劇增大，導(dǎo)致R上的電壓UR急劇增大。如果參數(shù)選擇合適，使得R上的電壓增量近似等于Ui的增量，Uo就可以基本保持不變。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，各電量的變化與上述過程相反，此處從略。（2）當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)，輸出電壓能否保持穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載電阻RL減小即負(fù)載電流Io增大時(shí)，IR增大，R上的電壓UR增大，由于Ui＝UR＋Uo

（8－19）故Uo減小，即UZ減小，由圖8－11（b）可知，UZ的減小將使IDZ急劇減小。如果參數(shù)選擇適當(dāng)，使得穩(wěn)壓管工作電流IDZ的減小量近似等于負(fù)載電流Io的增加量，IR就可以基本保持不變，從而Uo也就基本不變。當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，各電量的變化與上述過程相反，此處從略。綜上所述，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上的電壓變化進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。因此，限流電阻是必不可少的元件，同時(shí)其阻值的選擇也十分重要。

【例8－2】穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖8－12（a）所示。已知Ui＝25V，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為±10%，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ＝10V，穩(wěn)壓管工作電流IDZ的允許變化范圍為10～60mA，負(fù)載電阻RL的變化范圍為1～5kΩ。圖8－12例8－2電路圖(a)電路；(b)交流等效電路

（1）試確定限流電阻R的取值范圍。（2）若R為400kΩ，穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻rZ為10Ω，試估算電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻Ro。

解（1）由圖8－12（a）可知，穩(wěn)壓管工作電流為因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓最高（即輸入電壓Ui最高），同時(shí)負(fù)載電阻RL又最大時(shí)，IDZ最大，此時(shí)應(yīng)保證這個(gè)最大電流不超過IZmax，即代入數(shù)據(jù)得R≥282

同理，當(dāng)電網(wǎng)電壓最低（即輸入電壓Ui最低），同時(shí)負(fù)載電阻RL又最小時(shí)，IDZ最小，此時(shí)應(yīng)保證這個(gè)最小電流不小于IZmin，即代入數(shù)據(jù)得R≤625

故限流電阻R的取值范圍為282～625Ω。（2）若僅考慮變化量，得到的等效電路如圖（b）所示，則有 8.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路8.4.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電流小，輸出電壓不可調(diào)，因此只適用于負(fù)載電流小，負(fù)載電壓固定的場合。由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路演變而來的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路則克服了上述不足，它利用三極管的電流放大作用增大負(fù)載電流，同時(shí)在電路中引入深度電壓負(fù)反饋以穩(wěn)定輸出電壓，并且通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。圖8－13是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的原理圖。Ui是經(jīng)整流濾波后的不穩(wěn)定輸入電壓，Uo為穩(wěn)定的輸出電壓，限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路，電阻R1、R2和R3為輸出電壓的取樣電路，集成運(yùn)放為比較放大環(huán)節(jié)，三極管V稱為調(diào)整管。由于取樣電路電流IR1遠(yuǎn)小于負(fù)載電流Io，調(diào)整管V與負(fù)載RL近似串聯(lián)，故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。圖8－13串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖

由圖可見，該電路實(shí)際上為同相比例運(yùn)算電路，同相端輸入電壓u＋為穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ，電阻R1、R2和R3為反饋網(wǎng)絡(luò)，輸出電壓為（8－20）改變滑動(dòng)電位器R2的滑動(dòng)端位置時(shí)，輸出電壓可調(diào)。而且由于集成運(yùn)放引入了深度電壓負(fù)反饋，使得電路的閉環(huán)輸出電阻近似為零，因此輸出電壓相當(dāng)穩(wěn)定。例如當(dāng)由于某種原因（如電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化等）導(dǎo)致輸出電壓Uo增大時(shí)，取樣電壓隨之增大，并與同相端電位u＋＝UZ相比較，兩者的差值被放大后送至調(diào)整管V的基極b，使基極電位Ub降低，而調(diào)整管V接成射極輸出器形式，故Ue（即Uo）下降，于是輸出電壓得到穩(wěn)定。整個(gè)過程可概括為

當(dāng)由于某種原因?qū)е螺敵鲭妷篣o減小時(shí)，各電量的變化與上述過程相反，即綜上所述，當(dāng)由于某種原因?qū)е螺敵鲭妷篣o增大（減小）時(shí)，Uo最終并未增大（減?。腔颈３址€(wěn)定。那么，這部分電壓增量（減量）由誰承擔(dān)了呢？顯然，是由調(diào)整管的管壓降Uce承擔(dān)了。這個(gè)過程是通過調(diào)整管的基極電位Ub降低（升高），導(dǎo)致基極電流Ib隨之減?。ㄔ龃螅?，集電極電流Ic亦隨之減?。ㄔ龃螅?，故Uce增大（減小）而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，這也是調(diào)整管名稱的由來。因此調(diào)整管是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的核心元件，一方面正是通過調(diào)整管的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，才使輸出電壓得到穩(wěn)定；另一方面，利用調(diào)整管的電流放大作用，還大大提高了負(fù)載電流的輸出范圍。由于調(diào)整管常為大功率管，因此它的選擇原則與功率放大電路中的功放管相同。

【例8－3】串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖8－13所示。已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V，R1＝2kΩ，R2＝R3＝1kΩ。試問：（1）輸出電壓Uo的可調(diào)范圍？（2）若Ui為30V，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為±10%，RL的變化范圍為100～300Ω，則調(diào)整管V在什么時(shí)刻功耗最大？其值為多少？

解（1）Uo的可調(diào)范圍可由式（8－20）求得，也可利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)虛短和虛斷的特點(diǎn)求解。參見圖8－13，由于u＋＝u-＝UZ，所以，當(dāng)滑動(dòng)電位器R2的滑動(dòng)端位于最上方時(shí)，輸出電壓Uo最小，即當(dāng)滑動(dòng)電位器R2的滑動(dòng)端位于最下方時(shí)，輸出電壓Uo最大，即因此，輸出電壓Uo的可調(diào)范圍為12～24V。（2）調(diào)整管的功耗為PC＝UceIc

由圖8－13電路可知，調(diào)整管V的發(fā)射極電流Ie等于取樣電路電流IR1和負(fù)載電流Io之和，故有Ic≈Ie＝IR1+Io；而管壓降Uce等于輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之差，即Uce＝Ui-Uo；再考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載電流變化的因素，取輸入電壓Ui波動(dòng)至最大值Uimax＝33V、負(fù)載RL波動(dòng)至最小值RLmin＝100Ω時(shí)，有顯然，當(dāng)，即時(shí)，PC有最大值，其值為8.4.2三端集成穩(wěn)壓器的工作原理

1. 固定式三端穩(wěn)壓器

W7800系列芯片的輸出電壓為固定值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等七種，其型號(hào)的后兩位數(shù)字即表示輸出電壓，輸出電流有1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和0.1A（W78L00）等三種。例如W7805就表示輸出電壓為5V，最大輸出電流為1.5A；W78M05就表示輸出電壓為5V，最大輸出電流為0.5A；W78L05就表示輸出電壓為5V，最大輸出電流為0.1A。其他依此類推。

W7805的簡化工作原理圖如圖8－15所示。三個(gè)引出端分別為不穩(wěn)定電壓Ui輸入端（1端）、穩(wěn)定電壓Uo輸出端（2端）以及公共接地端（3端）。主要包括啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓電路、比較放大環(huán)節(jié)、調(diào)整管、取樣電路和保護(hù)電路等部分。啟動(dòng)電路僅在剛通電時(shí)起作用，幫助恒流源建立工作點(diǎn)，使基準(zhǔn)電壓電路、比較放大環(huán)節(jié)和調(diào)整管等環(huán)節(jié)投入正常工作，一旦輸出電壓Uo建立，啟動(dòng)電路即停止工作。V3、V4、VD5、VD6和R2組成能隙基準(zhǔn)電壓電路，它能夠?yàn)榉€(wěn)壓電路提供十分穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。取樣信號(hào)來自R20和R19的分壓，它與基準(zhǔn)電壓相比較，兩者的差值經(jīng)由V3、V4構(gòu)成的共射放大電路放大，去調(diào)節(jié)由V16、V17構(gòu)成的調(diào)整管的管壓降，最終達(dá)到穩(wěn)壓目的。保護(hù)電路包括過流保護(hù)、短路保護(hù)、調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)和芯片過熱保護(hù)等，能夠保證調(diào)整管安全工作，不至損壞。圖8－15

W7805簡化工作原理圖

2. 可調(diào)式三端穩(wěn)壓器

W117是一種只需外接很少元件就能輸出可調(diào)電壓的三端集成穩(wěn)壓器。與W7800系列產(chǎn)品一樣，W117、W117M和W117L的最大輸出電流分別為1.5A、0.5A和0.1A，W117的原理框圖如圖8－16所示。三個(gè)引出端分別為不穩(wěn)定電壓Ui輸入端（1端）、穩(wěn)定電壓Uo輸出端（2端）以及調(diào)整端（3端）。由圖可見，該電路的基本工作原理仍是通過電壓負(fù)反饋?zhàn)饔?，將輸出電壓的變化量放大后，去控制調(diào)整管的管壓降，使輸出電壓能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而基本保持穩(wěn)定。圖8－16

W117的原理框圖當(dāng)外接調(diào)整電阻R1、R2后，由于調(diào)整端的電流Iadj很?。s50μA），若忽略不計(jì)，則輸出電壓為（8－21）由圖8－16可見，調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端，W117的輸出電壓就是2端和3端的電位之差即基準(zhǔn)電壓UREF，其值為1.25V。

W137、W237、W337集成穩(wěn)壓器與W7900相類似，屬于負(fù)輸出電壓穩(wěn)壓電路，輸出負(fù)的基準(zhǔn)電壓-1.25V。由于可調(diào)式三端穩(wěn)壓器是依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓的，所以為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，同時(shí)電阻應(yīng)緊靠穩(wěn)壓器，防止輸出電流在連線電阻上產(chǎn)生誤差電壓。（2）擴(kuò)大輸出電流的穩(wěn)壓電路。若所需負(fù)載電流Io超過穩(wěn)壓器的最大輸出電流Iomax，可采用外接功率管的方法來擴(kuò)大輸出電流，如圖8－18所示。設(shè)功率管V的發(fā)射結(jié)壓降為UBE，電流放大系數(shù)為β，則負(fù)載電流最大可達(dá)（8－22）圖中二極管VD的作用是抵消UBE對(duì)Uo的影響，因?yàn)槿鬠BE在數(shù)值上等于Uon，則Uo＝IRR＝U23，即輸出電壓能夠維持穩(wěn)定。圖8－17

W7800的基本應(yīng)用電路圖8－18擴(kuò)大輸出電流的穩(wěn)壓電路（3）擴(kuò)大輸出電壓的穩(wěn)壓電路。圖8－19為擴(kuò)大輸出電壓的穩(wěn)壓電路，即輸出電壓可調(diào)。圖中W7800的輸出電壓為U23，則輸出電壓Uo的表達(dá)式為（8－23）式中IW為W7800公共端的電流，通常為幾到十幾毫安。圖8－19擴(kuò)大輸出電壓的穩(wěn)壓電路（4）正、負(fù)輸出的穩(wěn)壓電路。以上輸出電壓Uo均為正值。在實(shí)際使用中，許多電子設(shè)備需正、負(fù)雙電源供電，此時(shí)可將W7800和W7900配合使用，如圖8－20所示。由于負(fù)載沒有公共接地端，所以需增加二極管VD和VD′起保護(hù)作用。需要特別注意的是，當(dāng)采用TO－3封裝的7800系列時(shí)，其金屬外殼為接地端，而同樣封裝的7900系列，其金屬外殼為負(fù)壓輸入端。因此，由兩者構(gòu)成多路穩(wěn)壓電源時(shí)，若將7800的外殼接印制板的公共地，7900系列的外殼及散熱器就必須與接印制板的公共地絕緣，否則將造成電源短路。圖8－20正、負(fù)輸出的穩(wěn)壓電路

【例8－4】圖8－21為三端集成穩(wěn)壓器W7805構(gòu)成的恒流源電路。已知輸出電流Io為1A，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓系數(shù)Sr為10mV/V。（1）若IW可忽略，求電阻R的阻值。（2）求恒流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻。

解（1）由于U23＝5V，且IW可忽略不計(jì)，故圖8－21例8－4電路圖（2）由圖可見，恒流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻為將代入上式，得因此，電路可等效為一個(gè)輸出電流為1A、內(nèi)阻為500Ω的恒流源。

2.W117的應(yīng)用

W117為基準(zhǔn)電壓源電路，其輸出電壓為1.25V，可作為輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路的基準(zhǔn)電壓。由W117實(shí)現(xiàn)的輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路如圖8－22所示，由于調(diào)整端的電流Iadj很小，可忽略不計(jì)，故輸出電壓與式（8－23）相比，輸出電壓幾乎不受穩(wěn)壓器電流的影響。圖8－22輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路

【例8－5】由W117組成的可調(diào)穩(wěn)壓電路如圖8－22所示，已知R1＝240Ω。為獲得1.25～37V的輸出電壓，試求R2的最大