《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》課件第八章 直流穩(wěn)壓電源VIP

第八章直流穩(wěn)壓電源

在電子設(shè)備中，內(nèi)部電路都由直流穩(wěn)壓電源供電。電子設(shè)備所需的直流電源，一般都是采用由交流電網(wǎng)供電，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得。本章主要介紹整流、濾波、穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。8.1概述

幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源，通常都是由交流電網(wǎng)供電，因此需要把交流電變成穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源就是把交流電經(jīng)過整流變成脈動的直流電，然后通過濾波穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電的儀器。它由變壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路4部分組成。圖8.1直流穩(wěn)壓電源組成框圖電源變壓器：將交流電網(wǎng)電壓變?yōu)楹线m的交流電壓。整流電路：將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。濾波電路：將脈動直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷?。穩(wěn)壓電路：清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響，保持輸出電壓的穩(wěn)定。功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓8.2整流電路

整流電路的目的是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。這種單方向的脈動電壓有很大的脈動成分。

整流電路中基本上都包含了電源變壓器，一方面是“變壓”（大多情況下是進(jìn)行“降壓”，即將220V降為較低的交流電壓）；另一方面是“隔離”，把電子設(shè)備與電網(wǎng)隔開。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波和單相橋式整流電路。8.2.1單相半波整流電路

帶有純電阻負(fù)載的單相半波整流電路如圖8.2所示，這是一種最簡單的整流電路。它由變壓器Tr、整流二極管V及負(fù)載RL三部分組成。變壓器Tr將220V交流電壓變換為整流電路所要求的交流低壓；二極管V具有正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟拈_關(guān)作用，所以將交流電變成了脈動的直流電，稱為整流二極管；負(fù)載RL將電能轉(zhuǎn)換成其他能量。圖8.2單相半波整流電路設(shè)，為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。u2>0時：二極管導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，uo=u2；u2<0時：二極管截止，uo=0。1.輸出平均電壓Uo（指輸出電壓uo在一個周期中的平均值）2.輸出電流平均值Io

輸出電流等于流過二極管的電流，兩者的平均值也相等。（8.1）（8.2）3.二極管承受的最高反向峰值電壓URM（8.3）u2負(fù)半周時二極管截止，uD=u2。

由波形（圖8.7（a）所示）可知，利用二極管的單向?qū)ㄟ@一特性，使變壓器副邊的交流電壓轉(zhuǎn)換成為負(fù)載兩端的單向脈動電壓，從而達(dá)到整流的目的。由于這種電路只在交流電壓的半個周期內(nèi)才有電流流過負(fù)載，因此稱為單相半波整流電路。半波整流電路雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，輸出脈動大，因此很少單獨(dú)用作直流電源。例8.1：如圖8.3所示電路，已知RL=750

，若要求U2=20V。求UO、整流電流平均值IO及承受的反向電壓UDRM。圖8.3例8.1所示電路解：8.2.2單相橋式整流電路圖8.4單相橋式整流電路

單相橋式整流電路如圖8.4所示。圖中，4個整流二極管D1～D4接成電橋的形式，其中一個對角線接變壓器的次級，另一個對角線接負(fù)載電阻RL，但二者不能互換。1.u2正半周時的電流通路（圖8.5所示）圖8.5單相橋式整流電路（u2正半周）u2正半周時，D1、D4二極管導(dǎo)通，D2、D3二極管截止，電流通路為：a

D1

RL

D4

b。圖8.6單相橋式整流電路（u2負(fù)半周）u2正半周時，D2、D3二極管導(dǎo)通，D1、D4二極管截止，電流通路為：b

D2

RL

D4

a。2.u2負(fù)半周時電流通路（圖8.6所示）3.橋式整流電路各參數(shù)計(jì)算如下（1）輸出平均電壓Uo

由uo波形可知，橋式整流是半波整流的2倍，即（8.4）（2）流過二極管的平均電流ID

由于D1、D3和D2、D4輪流導(dǎo)通，因此流過每個二極管的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即（8.5）（3）二極管承受的最高反向峰值電壓URM

當(dāng)u2上正下負(fù)時，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，D2、D4相當(dāng)于并聯(lián)后跨接在u2上，因此反向最高峰值為（8.6）（a）單相半波整流電路波形

（b）單相橋式整流電路波形圖8.7單相整流電路電壓波形圖例8.2：圖8.8所示電路，電壓U2=120V，R=40

，求整流電壓平均值Uo，整流電流平均值Io，二極管電流平均值ID及承受的最高反向電壓UDRM。解：

橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，電壓紋波小，管子所承受的平均電流較小，同時由于電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器的利用率高。因此，橋式整流電路在整流電路中有了較為廣泛的運(yùn)用，缺點(diǎn)是二極管用得較多。8.3濾波電路

從前面的分析可知，無論何種整流電路，它們的輸出電壓都含有較大的脈動成分。為了減少脈動，就需要采取一定的措施，即濾波。濾波的作用是一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓（或通過電感中的電流）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。濾波方法：將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))1.電容濾波器（1）電路結(jié)構(gòu)（圖8.9所示）圖8.9電容濾波器電路結(jié)構(gòu)圖（2）工作原理

①u2>uC時，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時也給電容充電，uC增加，uo=uC。

②u2<uC時，二極管截止，電容通過負(fù)載RL放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uo=uC。（3）工作波形（圖8.10所示）圖8.10電容濾波器電路工作波形圖

①u上升，u大于電容上的電壓uc，u對電容充電，uo=uc≈u。

②u下降，u小于電容上的電壓uC。二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)=RLC。

③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。（4）外特性曲線（圖8.11所示）圖8.11電容濾波器電路外特性曲線圖

采用電容濾波時，輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，即帶負(fù)載能力較差。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場合。

①輸出直流電壓平均值

單相半波整流電路接純電阻負(fù)載時的直流輸出電壓U0=0.45U，加上電容濾波后，電阻負(fù)載RL開路時的直流輸出電壓U0=。接入負(fù)載電阻時的輸出直流電壓平均值取決于放電時間常數(shù)的大小，工程上一般按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。注：一般取

（T—電源電壓的周期）；近似估算?。篣o

=1.2U（橋式、全波）；Uo

=1.0U（半波）。

②流過整流二極管的平均電流

在未加濾波電容前，整流管有半個周期處于導(dǎo)通狀態(tài)，也稱二極管的導(dǎo)電角θ=π；加濾波電容后，只有電容充電時才導(dǎo)通，二極管的導(dǎo)電角θ小于π。RLC越大，濾波效果越好，二極管導(dǎo)電角將越小，所以整流管在短暫的時間內(nèi)將流過一個很大的沖擊電流，在選用整流管時，其最大整流電流應(yīng)留有充分的裕量。

注：選管時一般取IOM=2ID。

③整流管承受的最大反向電壓UDRM

單向半波帶有電容濾波的整流電路，負(fù)載RL開路時，

（最高）。因?yàn)樵趗的正半周時，電容上的充電電壓UC=，由于開路不能放電，這個電壓維持不變；在u的負(fù)半周的最大值時，截止二極管上所承受的反向電壓為交流電壓的最大值

與電容器上電壓

之和，因此二極管承受的最高反向電壓為

。

注：選管時一般取IOM=2ID。（5）電容濾波電路的特點(diǎn)

①輸出電壓的脈動程度與平均值Uo及放電時間常數(shù)RLC有關(guān)RLC越大

電容器放電越慢

輸出電壓的平均值Uo越大，波形越平滑。

②流過二極管的瞬時電流很大RLC越大

UO越高，IO越大

整流二極管導(dǎo)通時間越短

iD的峰值電流越大。

③二極管承受的最高反向電壓為

。2.帶負(fù)載橋式整流電容濾波電路（1）電路結(jié)構(gòu)圖8.12帶負(fù)載橋式整流電容濾波電路結(jié)構(gòu)圖

在整流電路中，把一個大電容C并接在負(fù)載電阻兩端就構(gòu)成了電容濾波電路，其電路（圖8.12所示）和工作波形（圖8.13所示）如圖所示。圖8.13帶負(fù)載橋式整流電容濾波工作波形圖（2）電路工作原理D導(dǎo)通時給C充電，D截止時C向RL放電。濾波后uo的波形變得平緩，平均值提高。RL接入（且RLC較大）時忽略整流電路內(nèi)阻。u2上升，u2大于電容上的電壓uC，u2對電容充電，uo=uC

u2；u2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(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)

=RLC。

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（圖8.14所示）。圖8.14帶負(fù)載橋式整流電容濾波二極管電流波形圖

經(jīng)上述分析可知，由于在二極管截止期間電容C向負(fù)載電阻緩慢放電，使得輸出電壓的脈動減小，結(jié)果平滑了許多，輸出電壓平均值得到了提高。顯然，RLC的值越大，濾波效果越好。當(dāng)負(fù)載開路時（RL=∞），

。為了取得良好的濾波效果，一般取

，（T為交流電源的周期）。此時的輸出電壓平均值為Uo≈1.2U2。

3.其他形式濾波（1）電感濾波（圖8.15所示）圖8.15電感濾波電路結(jié)構(gòu)圖整流后的輸出電壓：直流分量被電感L短路，交流分量主要降在L上。電感越大，濾波效果越好。（2）

型濾波（圖8.16所示）圖8.16

型濾波電路結(jié)構(gòu)圖C1、C2對交流容抗小，L對交流感抗很大。負(fù)載電流小時，電感可換成電阻。8.4穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設(shè)備。穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負(fù)載及環(huán)境溫度的變化無關(guān)，理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源，實(shí)際上，它是內(nèi)阻很小的電壓源，其內(nèi)阻越小，穩(wěn)壓性能越好。

穩(wěn)壓電路的功能是采取一些措施，當(dāng)市電電壓或負(fù)載電流變化時，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。它是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分，也可以是一個獨(dú)立的電子部件。常用的穩(wěn)壓電路有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（1）電路結(jié)構(gòu)（圖8.17所示）圖8.17穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖（2）工作原理UO=UZ、IR=IO+IZ

（8.7）

①設(shè)負(fù)載RL一定，UI變化UI

UZ

IZ

IR

IRR

UO基本不變。

②設(shè)UI一定，負(fù)載RL變化RL

(IO

)

IR

UO(UZ)

IZ

IR

(IRR)基本不變

UO基本不變。（3）參數(shù)的選擇

①穩(wěn)壓管選擇辦法UZ=UO

（8.8）IZM=(1.5~3)IOM

（8.9）UI=(2~3)UO

（8.10）

適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負(fù)載變動不大的場合。

②限流電阻R的選擇原則

（8.11）

注：為保證穩(wěn)壓管安全工作

；為保證穩(wěn)壓管正常工作

。2.恒壓源穩(wěn)壓電路

由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運(yùn)算放大器可組成恒壓源穩(wěn)壓電路。

（a）反相輸入恒壓源

（b）同相輸入恒壓源圖8.18恒壓源穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖

反相輸入恒壓源的輸出

，同相輸入恒壓源的輸出

，改變RF即可調(diào)節(jié)恒壓源的輸出電壓。8.5集成穩(wěn)壓電源

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。1.分類三端穩(wěn)壓器輸出固定電壓輸出可調(diào)電壓（1.25~37V連續(xù)可調(diào)）輸出正電壓：78XX輸出負(fù)電壓：79XX

注：XX兩位數(shù)字為輸出電壓值2.外形及引腳功能

（a）W7800系列穩(wěn)壓器外形（b）W7900系列穩(wěn)壓器外形圖8.19三端集成穩(wěn)壓器外形及引腳功能圖3.三端集成穩(wěn)壓器管腳排列

（a）78系列－輸出正電壓

（b）79系列－輸出負(fù)電壓圖8.20三端集成穩(wěn)壓器管腳排列圖4.性能特點(diǎn)（7800、7900系列）（1）輸出電流超過1.5A（加散熱器）；（2）不需要外接元件；（3）內(nèi)部有過熱保護(hù)；（4）內(nèi)部有過流保護(hù)；（5）調(diào)整管設(shè)有安全工作區(qū)保護(hù)；（6）輸出電壓容差為4%；（7）輸出電壓額定值有：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。5.主要參數(shù)（1）電壓調(diào)整率SU（穩(wěn)壓系數(shù)）

反映當(dāng)負(fù)載電流和環(huán)境溫度不變時，電網(wǎng)電壓波動對穩(wěn)壓電路的影響。（0.005~0.02%）

（8.12）（2）電流調(diào)整率SI

反映當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度不變時，輸出電流變化時輸出電壓保持穩(wěn)定的能力，即穩(wěn)壓電路帶負(fù)載能力。（0.1~1.0%）

（8.13）（3）輸出電壓UO（4）最大輸出電流IOM（5）最小輸入、輸出電壓差(UI-UO)min（6）最大輸入電壓UIM（7）最大功耗PM=(UIM-UO)×IOM例8.3：W7815的輸出電壓為15V；

最高輸入電壓為35V；

最小輸入、輸出電壓差為2~3V；

最大輸出電流為2.2A；

輸出電阻為0.02~0.15

；

電壓變化率為0.1%~0.2%。6.三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用（1）輸出為固定電壓的電路

輸出為固定正電壓時的