《直流穩(wěn)壓》課件

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1、模 擬 電 子 技 術 基 礎 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路1.1 半 導 體 基 礎 理 論 知 識 半 導 體 材 料 （ semiconductor material） 導 電 能 力 介 于 導 體 與 絕 緣 體 之 間 的 物 質(zhì) 稱 為 半 導 體 。 半 導 體 材 料 的 電 學 性 質(zhì) 對 光 、 熱 、 電 、 磁 等 外 界 因 素 的 變 化 十 分敏 感 ， 在 半 導 體 材 料 中 摻 入 少 量 雜 質(zhì) 可 以 控 制 這 類 材 料 的 電 導 率 。

2、 元 素 半 導 體 有 鍺 、 硅 、 硒 、 硼 、 碲 、 銻 等 。 硅 （ Si） 和 鍺 （ Ge）是 主 要 的 半 導 體 材 料 ， 其 中 硅 （ Si） 是 占 據(jù) 了 90 以 上 的 半 導 體 材 料份 額 。 硅 和 鍺 材 料 在 電 子 、 冶 金 、 化 工 、 軍 事 、 航 天 等 領 域 有 廣 泛 的用 途 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路本 征 半 導 體本 征 半 導 體 完 全 純 凈 的 、 結 構 完 整 的 半 導 體 材 料 稱 為 本 征 半 導 體 。制 造 半 導 體 器 件 的 半 導 體 材 料 的 純 度 要

3、 達 到 99.9999999%，常 稱 “ 九 個 9” 。 它 在 物 理 結 構 上 呈 單 晶 體 形 態(tài) 。本 征 激 發(fā) （ 熱 激 ） ： 當 溫 度 升 高 或 受 到 光 的 照 射 時 ， 價 電 子 能 量 增高 ， 有 的 價 電 子 可 以 掙 脫 原 子 核 的 束 縛 ， 而 參 與 導 電 ， 成 為 自 由 電 子 。本 征 半 導 體 的 原 子 結 構 及 共 價 鍵共 價 鍵 內(nèi) 的 兩 個 電 子 由 相 鄰 的 原 子 各 用 一 個 價 電 子 組 成 ， 稱 為 束 縛 電 子 。 圖 1.1所 示 為 硅 和 鍺 的 原 子 結 構 和 共 價

4、 鍵 結 構 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路本 征 半 導 體 的 兩 種 載 流 子溫 度 越 高 ， 半 導 體 材 料 中 產(chǎn) 生 的 自 由 電 子 便 越 多 。 束 縛 電 子 脫 離 共 價 鍵成 為 自 由 電 子 后 ， 在 原 來 的 位 置 留 有 一 個 空 位 ， 稱 此 空 位 為 空 穴 。本 征 半 導 體 中 ， 自 由 電 子 和 空 穴 成 對 出 現(xiàn) ， 數(shù) 目 相 同 。 圖 1.1所 示 為 本 征 激 發(fā) 所 產(chǎn) 生 的 電 子 空 穴 對 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路N型 和 P型 雜 質(zhì) 半 導 體 在 本

5、 征 半 導 體 中 摻 入 某 些 微 量 元 素 作 為 雜 質(zhì) ， 可 使 半 導 體 的 導 電 性 發(fā) 生顯 著 變 化 。 摻 入 的 雜 質(zhì) 主 要 是 三 價 或 五 價 元 素 。 摻 入 雜 質(zhì) 后 的 本 征 半 導體 稱 為 雜 質(zhì) 半 導 體 。1、 N型 半 導 體 在 本 征 半 導 體 中 摻 入 五 價 雜 質(zhì) 元 素 ， 例 如 磷 ， 可 形 成 N型 半 導 體 ,也 稱電 子 型 半 導 體 。 因 五 價 雜 質(zhì) 原 子 中 只 有 四 個 價 電 子 能 與 周 圍 四 個 半 導 體 原 子 中 的 價 電 子形 成 共 價 鍵 ， 而 多 余

6、的 一 個 價 電 子 因 無 共 價 鍵 束 縛 而 很 容 易 形 成 自 由 電子 。 N型 半 導 體 中 自 由 電 子 是 多 數(shù) 載 流 子 ,它 主 要 由 雜 質(zhì) 原 子 提 供 ； 空 穴是 少 數(shù) 載 流 子 , 由 熱 激 發(fā) 形 成 。 如 圖 1.2所 示 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路N型 半 導 體 圖 1.2 N型 半 導 體 的 共 價 鍵 結 構 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路P型 半 導 體本 征 半 導 體 中 摻 入 三 價 雜 質(zhì) 元 素 ， 如 硼 、 鎵 、 銦 等 形 成 P型 半 導 體 ， 也稱 為 空 穴

7、 型 半 導 體 。 因 三 價 雜 質(zhì) 原 子 與 硅 原 子 形 成 共 價 鍵 時 ， 缺 少 一 個價 電 子 而 在 共 價 鍵 中 留 下 一 個 空 穴 。 P型 半 導 體 中 空 穴 是 多 數(shù) 載 流 子 ，主 要 由 摻 雜 形 成 ； 電 子 是 少 數(shù) 載 流 子 ， 由 熱 激 發(fā) 形 成 。 空 穴 很 容 易 俘 獲電 子 ， 使 雜 質(zhì) 原 子 成 為 負 離 子 。 三 價 雜 質(zhì) 因 而 也 稱 為 受 主 雜 質(zhì) 。 P型 半導 體 的 結 構 示 意 圖 如 圖 1.3所 示 。圖 1.3 P型 半 導 體 共 價 鍵 結 構 第 1章 二 極 管 及

8、 其 基 本 電 路PN結 的 行 成 及 其 單 向 導 電 性將 一 塊 半 導 體 的 一 側(cè) 摻 雜 成 P型 半 導 體 ， 另 一 側(cè) 摻 雜 成 N型 半 導 體 ，在 兩 種 半 導 體 的 交 界 面 處 將 形 成 一 個 特 殊 的 薄 層 PN結 。半 導 體 中 載 流 子 有 擴 散 運 動 和 漂 移 運 動 兩 種 運 動 方 式 。載 流 子 在 電 場 作 用 下 的 定 向 運 動 稱 為 漂 移 運 動 。 在 半 導 體 中 ， 如 果 載 流 子 濃 度 分 布 不 均 勻 ， 因 為 濃 度 差 ， 載 流 子 將會 從 濃 度 高 的 區(qū) 域 向

9、 濃 度 低 的 區(qū) 域 運 動 ， 這 種 運 動 稱 為 擴 散 運 動 。 形 成 如 下 物 理 過 程 : 因 濃 度 差 多 子 的 擴 散 運 動 由 雜 質(zhì) 離 子 形 成 空 間 電 荷 區(qū) 內(nèi) 電 場 內(nèi) 電 場 促 使 少 子 漂 移 , 內(nèi) 電 場 阻 止 多 子 擴 散 。 最 后 多 子 擴 散 和 少 子 的 漂 移 達 到 動態(tài) 平 衡 。如 圖 1.4所 示 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路圖 1.4 P型 和 N型 半 導 體 交 界 處 載 流 子 的 擴 散 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路 由 于 空 穴 和 自 由 電 子

10、 均 是 帶 電 的 粒 子 ， 所 以 擴 散 的 結 果 使 P區(qū) 和 N區(qū) 原來 的 電 中 性 被 破 壞 ， 在 交 界 面 的 兩 側(cè) 形 成 一 個 不 能 移 動 的 帶 異 性 電 荷 的離 子 層 ， 稱 此 離 子 層 為 空 間 電 荷 區(qū) ， 這 就 是 所 謂 的 PN結 ， 如 圖 1.5所 示 。在 空 間 電 荷 區(qū) ， 多 數(shù) 載 流 子 已 經(jīng) 擴 散 到 對 方 并 復 合 掉 了 ， 或 者 說 消 耗了 ， 因 此 又 稱 空 間 電 荷 區(qū) 為 耗 盡 層 。 圖 1.5 PN結 的 形 成 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路PN結 單

11、向 導 電 性PN結 具 有 單 向 導 電 性 ， 若 外 加 電 壓 使 電 流 從 P 區(qū) 流 到 N 區(qū) ， PN結 呈 低阻 性 ， 所 以 電 流 大 ； 反 之 是 高 阻 性 ， 電 流 小 。 如 果 外 加 電 壓 使 PN結 中 ： P區(qū) 的 電 位 高 于 N區(qū) 的 電 位 ， 稱 為 加 正 向 電 壓 ， 簡 稱 正 偏 ； P區(qū) 的 電 位 低 于 N區(qū) 的 電 位 ， 稱 為 加 反 向 電 壓 ， 簡 稱 反 偏 。 PN結 加 正 向 電 壓 時 的 導 電 情 況PN結 加 正 向 電 壓 時 的 導 電 情 況 如 圖 1.6所 示 。 外 加 的 正

12、向 電 壓 有 一 部 分 降落 在 PN 結 區(qū) ， 方 向 與 PN結 內(nèi) 電 場 方 向 相 反 ， 削 弱 了 內(nèi) 電 場 。 內(nèi) 電 場 對 多子 擴 散 運 動 的 阻 礙 減 弱 ， 擴 散 電 流 加 大 。 擴 散 電 流 遠 大 于 漂 移 電 流 ， 可忽 略 漂 移 電 流 的 影 響 , PN結 呈 現(xiàn) 低 阻 性 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路 圖 1.6 PN結 加 正 向 電 壓 時 的 導 電 情 況 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路PN結 加 反 向 電 壓 時 的 導 電 情 況 PN結 加 反 向 電 壓 時 的 導 電 情

13、 況 如 圖 1.7所 示 。 外 加 的 反 向 電 壓 有 一 部分 降 落 在 PN結 區(qū) ， 方 向 與 PN結 內(nèi) 電 場 方 向 相 同 ， 加 強 了 內(nèi) 電 場 。 內(nèi) 電 場對 多 子 擴 散 運 動 的 阻 礙 增 強 ， 擴 散 電 流 大 大 減 小 。 此 時 PN結 區(qū) 的 少 子 在內(nèi) 電 場 的 作 用 下 形 成 的 漂 移 電 流 大 于 擴 散 電 流 ， 可 忽 略 擴 散 電 流 ， 由 于漂 移 電 流 本 身 就 很 小 ， PN結 呈 現(xiàn) 高 阻 性 。 這 樣 的 反 接 電 壓 使 N區(qū) 和 P區(qū) 中的 少 數(shù) 載 流 子 更 容 易 產(chǎn) 生

14、 漂 移 運 動 ， 因 此 在 這 種 情 況 下 ， PN結 內(nèi) 的 電 流由 起 支 配 地 位 的 漂 移 電 流 所 決 定 。 漂 移 電 流 的 方 向 與 擴 散 電 流 相 反 ， 表現(xiàn) 在 外 電 路 上 有 一 個 流 入 N區(qū) 的 反 向 電 流 ， 它 是 由 少 數(shù) 載 流 子 的 漂 移 運 動形 成 的 。 由 于 少 數(shù) 載 流 子 的 濃 度 很 小 ， 所 以 是 很 微 弱 的 ， 一 般 硅 管 為 微安 數(shù) 量 級 。 由 于 很 小 ， 所 以 PN結 在 反 向 偏 置 時 ， 呈 現(xiàn) 出 一 個 阻 值 很 大 的電 阻 ， 此 時 可 認 為

15、 它 基 本 上 是 不 導 電 的 ， 稱 PN結 截 止 。 PN結 加 正 向 電 壓時 ， 電 阻 值 很 小 ， PN結 導 通 ； 加 反 相 電 壓 時 ， 電 阻 值 很 大 ， PN結 截 止 ， 這 就 是 它 的 單 向 導 電 性 ， PN結 的 單 相 導 電 性 關 鍵 在 于 它 的 耗 盡 區(qū) 的 存在 ， 且 其 寬 度 隨 外 加 電 壓 而 變 化 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路圖 1.7 PN結 外 加 反 向 電 壓 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路PN結 具 有 一 定 的 電 容 效 應 ， 它 由 兩 方 面 的 因

16、 素 決 定 。 一 是 勢 壘 電 容 CB；二 是 擴 散 電 容 CD。(1) 勢 壘 電 容 CB。勢 壘 電 容 是 由 空 間 電 荷 區(qū) 離 子 薄 層 形 成 的 。 當 外 加 電 壓 使 PN結 上 壓 降 發(fā)生 變 化 時 ， 離 子 薄 層 的 厚 度 也 相 應 地 隨 之 改 變 ， 這 相 當 PN結 中 存 儲 的 電荷 量 也 隨 之 變 化 ， 猶 如 電 容 的 充 放 電 。 勢 壘 電 容 的 示 意 圖 見 圖 1.8。 圖 1.8 勢 壘 電 容 示 意 圖 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路（ 2） 擴 散 電 容 CD。擴 散 電 容

17、 是 由 多 子 擴 散 后 ， 在 PN結 的 另 一 側(cè) 面 積 累 而 形 成 的 。 因 PN結 正偏 時 ， 由 N區(qū) 擴 散 到 P區(qū) 的 電 子 ， 與 外 電 源 提 供 的 空 穴 相 復 合 ， 形 成 正 向電 流 。 剛 擴 散 過 來 的 電 子 就 堆 積 在 P區(qū) 內(nèi) 緊 靠 PN結 的 附 近 ， 形 成 一 定 的 多子 濃 度 梯 度 分 布 曲 線 。 反 之 ， 由 P區(qū) 擴 散 到 N區(qū) 的 空 穴 ， 在 N區(qū) 內(nèi) 也 形 成 類似 的 濃 度 梯 度 分 布 曲 線 。 擴 散 電 容 的 示 意 圖 如 圖 1.9所 示 。 當 外 加 正 向

18、電壓 不 同 時 ， 擴 散 電 流 即 外 電 路 電 流 的 大 小 也 就 不 同 。 所 以 PN結 兩 側(cè) 堆 積的 多 子 的 濃 度 梯 度 分 布 也 不 相 同 ， 這 就 相 當 電 容 的 充 放 電 過 程 。 勢 壘 電容 和 擴 散 電 容 均 是 非 線 性 電 容 。 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路 圖 1.9 擴 散 電 容 示 意 圖 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路二 極 管 及 其 特 性 二 極 管 的 結 構 和 類 型接 在 二 極 管 P區(qū) 的 引 出 線 稱 二 極 管 的 陽 極 ， 接 在 N區(qū) 的 引 出 線 稱

19、 二 極 管 的陰 極 。 二 極 管 有 許 多 類 型 。 從 工 藝 上 分 ， 有 點 接 觸 型 和 面 接 觸 型 ； 按 用途 分 ， 有 整 流 管 、 檢 波 二 極 管 、 穩(wěn) 壓 二 極 管 、 光 電 二 極 管 和 開 關 二 極 管等 。 圖 1.10為 不 同 結 構 的 二 極 管 。 圖 1.10不 同 結 構 的 二 極 管 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路圖 1.11所 示 為 二 極 管 的 符 號 。 由 P端 引 出 的 電 極 是 正 極 ， 由 N端 引 出 的 電 極 是 負 極 ， 箭 頭 的方 向 表 示 正 向 電 流 的 方

20、 向 ， VD是 二 極 管 的 文 字 符 號 。 A K 圖 1.11 二 極 管 的 符 號常 見 的 二 極 管 有 金 屬 、 塑 料 和 玻 璃 三 種 封 裝 形 式 。 按 照 應 用 的 不 同 ， 二 極 管 分 為 整 流 、 檢波 、 開 關 、 穩(wěn) 壓 、 發(fā) 光 、 光 電 、 快 恢 復 和 變 容 二 極 管 等 。 根 據(jù) 使 用 的 不 同 ， 二 極 管 的 外 形各 異 ， 圖 1.12所 示 為 幾 種 常 見 的 二 極 管 外 形 及 實 物 。 圖 1.12 幾 種 常 見 的 二 極 管 外 形 及 實 物 第 1章 二 極 管 及 其 基 本

21、 電 路二 極 管 的 特 性 (1).二 極 管 伏 安 特 性二 極 管 兩 端 的 電 壓 U及 其 流 過 二 極 管 的 電 流 I之 間 的 關 系 曲 線 ， 稱 為 二 極 管 的 伏 安 特 性 。 理論 分 析 指 出 ， 半 導 體 二 極 管 電 流 I與 端 電 壓 U之 間 的 關 系 可 表 示 為 1.1式 。 1.1此 式 稱 為 理 想 二 極 管 電 流 方 程 。 式 中 ， IR稱 為 反 向 飽 和 電 流 ， UT稱 為 溫 度 的 電 壓 當 量 ， 常溫 下 U T 26 mV。 實 際 的 二 極 管 伏 安 特 性 曲 線 如 圖 所 示

22、。 圖 1.13中 ， 實 線 對 應 硅 材 料 二 極管 ， 虛 線 對 應 鍺 材 料 二 極 管 。 ( 1)TUURI I e 第 1章 二 極 管 及 其 基 本 電 路(2).正 向 特 性二 極 管 外 加 正 向 電 壓 時 ， 電 流 和 電 壓 的 關 系 稱 為 二 極 管 的 正 向 特 性 。 如 圖 2.15所 示 ， 當 二極 管 所 加 正 向 電 壓 比 較 小 時 （ 0U0時 :二 極 管 導 通 ， 忽 略 二 極 管 正 向 壓 降 ， uo=u2;(2)、 u2u2 VD1， VD3截 止 , C向 RL放 電 , uo（ uc） 按 指 數(shù) 規(guī)

23、律 下 降 ， 四 個 二 極 管 仍然 截 止 。(c)當 uo（ uc） b點 時 ， |u2|=|uo|, u2 過 了 b點 VD2、 VD4導通 C再 次 充 電 uo=|u2| (d)當 u2達 到 峰 值 后 VD2、 VD4截 止 C向 RL充 放 電 , 電 容 如 此 反 復 充放 電 ， 輸 出 波 形 如 圖 9.12所 示 。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源(3)、 由 于 二 極 管 截 止 期 間 C向 RL放 電 緩 慢 ， 使 Uo（ av） 的 脈 動 減 少 ， 波形 平 滑 了 許 多 ， Uo（ av） 提 高 ， 當 RL= ， ， 為 了 取 得

24、 良 好 的 濾 波 效 果 ，一 般 取 ， T為 交 流 電 源 的 周 期 ,此 時 ： Uo（ av） 1.2U2 (4)、 二 極 管 的 導 通 角 小 于 ， 所 以 C充 電 的 瞬 間 電 流 放 大 ， 為 了 保 護 二極 管 ， 常 在 濾 波 電 容 前 串 接 一 個 小 的 電 阻 。 工 程 上 選 擇 二 極 管 的 條 件 ：IFM=（ 23） Io（ av） 。電 容 濾 波 電 路 簡 單 ， 輸 出 電 壓 平 均 值 Uo較 高 ， 脈 動 較 小 ， 但 是 二 極 管 中有 較 大 的 沖 擊 電 流 。 因 此 ， 電 容 濾 波 電 路 一

25、般 適 用 于 輸 出 電 壓 較 高 、 負載 電 流 較 小 并 且 變 化 也 較 小 的 場 合 。其 他 濾 波 電 路1、 RC 型 濾 波 電 路 圖 9.13所 示 是 RC 型 濾 波 器 。 圖 中 C1電 容 兩 端 電 壓 中 的 直 流 分 量 ， 有 很 小 一部 分 降 落 在 R上 ， 其 余 部 分 加 到 了 負 載 電 阻 RL上 ； 而 電 壓 中 的 交 流 脈 動 ， 大 部 分被 濾 波 電 容 C2衰 減 掉 ， 只 有 很 小 的 一 部 分 加 到 負 載 電 阻 RL上 。 此 種 電 路 的 濾 波效 果 雖 好 一 些 ， 但 電 阻

26、上 要 消 耗 功 率 ， 所 以 只 適 用 于 負 載 電 流 較 小 的 場 合 。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源2、 LC 型 濾 波 器圖 9.14所 示 是 LC 型 濾 波 電 路 。 可 見 只 是 將 RC 型 濾 波 器 中 的 R用 電 感 L做 了 替換 。 由 于 電 感 具 有 阻 交 流 通 直 流 的 作 用 ， 因 此 在 增 加 了 電 感 濾 波 的 基 礎 上 ， 此 種電 路 的 濾 波 效 果 更 好 ， 而 且 L上 無 直 流 功 率 損 耗 ， 所 以 一 般 用 在 負 載 電 流 較 大 和電 源 頻 率 較 高 的 場 合 。 缺 點

27、 是 電 感 的 體 積 大 ， 使 電 路 看 起 來 笨 重 。 3、 電 感 濾 波 電 路 圖 9.15所 示 電 路 是 電 感 濾 波 電 路 ， 它 主 要 適 用 于 負 載 功 率 較 大 即 負 載 電 流 很 大的 情 況 。 電 感 濾 波 電 路 輸 出 電 壓 平 均 值 Uo的 大 小 一 般 按 經(jīng) 驗 公 式 計 算 ： Uo=0.9U2 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源4、 LC 型 濾 波 電 路圖 9.16所 示 電 路 為 LC 型 濾 波 電 路 ,多 用 于 較 大 功 率 電 源 中 (而 且 當 電 流 很 大

28、 時僅 用 一 電 感 器 與 負 載 相 連 )。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源9.3穩(wěn) 壓 電 路當 電 路 中 起 穩(wěn) 壓 調(diào) 整 作 用 的 晶 體 管 或 集 成 塊 中 的 電 壓 （ 或 電 流 ） 為 連 續(xù) 變 化 時 ，此 電 路 稱 為 線 性 穩(wěn) 壓 電 路 。穩(wěn) 壓 電 源 類 型 :(1)穩(wěn) 壓 管 穩(wěn) 壓 電 路 ,這 種 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 。(2)線 性 穩(wěn) 壓 電 路 ,這 是 本 節(jié) 討 論 的 重 點 。(3)開 關 型 穩(wěn) 壓 電 路 ， 這

29、種 效 率 較 高 ， 目 前 用 的 也 比 較 多 。穩(wěn) 壓 電 路 的 作 用 ：整 流 濾 波 電 路 的 輸 出 電 壓 和 理 想 的 直 流 電 源 還 有 相 當 的 距 離 ， 主 要 存 在兩 方 面 的 問 題 ：(1)當 負 載 電 流 變 化 時 ， 由 于 整 流 濾 波 電 路 存 在 內(nèi) 阻 ， 因 此 輸 出 直 流 電 壓將 隨 之 發(fā) 生 變 化 ； (2)當 電 網(wǎng) 電 壓 波 動 時 ,因 整 流 電 路 的 輸 出 電 壓 直 接 與 變 壓 器 副 邊 電 壓 有關 ， 因 此 也 要 相 應 地 變 化 。在 整 流 濾 波 電 路 的 后 面

30、再 加 上 穩(wěn) 壓 電 路 ， 以 提 供 更 加 穩(wěn) 定 的 直 流 電 源 。下 面 對 這 幾 種 穩(wěn) 壓 電 路 作 以 簡 單 介 紹 。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源9.3.1穩(wěn) 壓 管 穩(wěn) 壓 電 路 這 種 穩(wěn) 壓 電 路 的 穩(wěn) 壓 原 理 主 要 是 利 用 穩(wěn) 壓 管 的 反 向 擊 穿 特 性 。 在 反 向 擊 穿 區(qū) ， 較大 的 電 流 變 化 I,只 會 引 起 較 小 的 電 壓 變 化 U； 根 據(jù) 伏 安 特 性 ， 若 工 作 電 流 太小 ， 例 如 在 零 電 流 附 近 ， 則 電 壓 隨 電 流 的 變 化 很 大 ， 即 穩(wěn) 壓 性 能 不

31、 好 ； 工 作 電 流太 大 ， 則 由 可 能 超 過 管 子 的 額 定 功 耗 ， 造 成 損 壞 。 故 穩(wěn) 壓 管 應 工 作 在 規(guī) 定 的 電 流范 圍 內(nèi) 。 1、 硅 穩(wěn) 壓 管 穩(wěn) 壓 電 路 及 穩(wěn) 壓 過 程 :U I為 整 流 濾 波 后 所 得 的 直 流 電 壓 。 為 保 證 工 作 在 反 向 擊 穿 區(qū) ， 二 極 管 VDZ反 接 。電 阻 R用 來 在 電 網(wǎng) 電 壓 波 動 或 負 載 電 流 變 化 時 ， 調(diào) 節(jié) R本 身 壓 降 來 保 持 輸 出 電 壓基 本 不 變 。 穩(wěn) 壓 過 程 如 下 :(電 網(wǎng) 電 壓 波 動 時 ） 穩(wěn) 壓 電

32、 路 電 路 原 理 如 圖 9.17所 示 。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源圖 9.17 穩(wěn) 壓 電 路 電 路 原 理 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源2、 內(nèi) 阻 和 穩(wěn) 壓 系 數(shù) 的 估 算 ：(1)內(nèi) 阻 RO： 直 流 輸 入 電 壓 UI不 變 時 ， 輸 出 端 的 U與 I之 比 。 其 交 流 等 效 電路 如 圖 9.18所 示 . ,由 于 一 般 情 況 下 能 夠 滿 足 故 上 式 可 化 簡 為由 此 可 知 ， 則 穩(wěn) 壓 電 路 的 內(nèi) 阻 也 越 小 ， 當 負 載 變 化 時 ， 穩(wěn) 壓 電 路 的 穩(wěn) 壓 性能 越 好 。 (2)穩(wěn) 壓 系 數(shù)

33、不 變 時 ， 穩(wěn) 壓 電 路 的 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 的 相 對 變 化 量 之 比 。 / /OO ZOUR r RI Zr R O ZR rZr ORrSLR 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源其 交 流 等 效 電 路 如 圖 9.19所 示 。 越 小 , 越 大 ,則 越 小 ,穩(wěn) 壓 電 路 的 穩(wěn) 壓性 能 越 好 。 圖 9.19交 流 等 效 電 路(3)限 流 電 阻 的 選 擇 ：限 流 電 阻 R的 阻 值 必 須 選 擇 適 當 ， 才 能 保 證 穩(wěn) 壓 電 路 在 電 網(wǎng) 電 壓 或 負 載 變 化 時 ，很 好 地 實 現(xiàn) 穩(wěn) 壓 作 用 ， 見

34、 圖 9.20所 示 。(a)R太 大 ,則 I R很 小 , 當 IR增 大 時 ,穩(wěn) 壓 管 的 電 流 可 能 減 小 到 臨 界 值 以 下 ， 失 去 穩(wěn)壓 作 用 。 所 以 ， 當 電 網(wǎng) 電 壓 最 高 和 負 載 電 流 最 小 時 , 的 值 最 大 ,此 時 不 應 超 過允 許 的 最 大 值 ,即 Zr R rSZIIm min maxax Z L ZU U I IR Immax minax ZZ LU UR I I 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源(b) R太 小 ,則 IR很 大 ,當 RL很 大 或 開 路 時 , IR都 流 向 穩(wěn) 壓 管 ,可 能 超 過

35、其 允 許 定額 而 造 成 損 壞 。 所 以 ， 當 電 網(wǎng) 電 壓 最 低 和 負 載 電 流 最 大 時 , 的 值 最 小 。 即 ：ZIIm max minin Z L ZU U I IR Immin maxin ZZ LU UR I I 圖 9.20 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源例 9.1： 在 如 圖 所 示 的 硅 穩(wěn) 壓 管 穩(wěn) 壓 電 路 中 ,設 穩(wěn) 壓 管 的 給 定 當 由 變 到 時 , 的 變 化 量 為 0.35V。 試 選 擇 限 流 電 阻 R； 估 算 在 上 述 條 件 下 的 輸 出 電 阻 和 穩(wěn) 壓 系 數(shù) 。 解 : 由 給 定 條 件 知

36、 6ZU V max 40ZI mA Im 15axU VIm 12inU V max 600LR min 300LR ZI maxZI minZI ZUmin max 6 0.01 10600ZL LUI A mAR max min 6 0.02 20300ZL LUI A mAR Immax min 15 6 1800.04 0.01ax ZZ LU UR I I Immin max 12 6 2400.005 0.02in ZZ LU UR I I 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源可 取 電 阻 上 消 耗 的 功 率 可 選 200,1W的 碳 膜 電 阻 (RT-1W-200)。 再

37、 由 給 定 條 件 可 求 得則 輸 出 電 阻 為 ： 估 算 穩(wěn) 壓 系 數(shù) 時 ,取 當 輸 出 電 壓 不 需 要 調(diào) 節(jié) ,負 載 電 流 比 較 小 的 情 況 下 ,硅 穩(wěn) 壓 管 穩(wěn) 壓 電 路 的 效 果 較 好 ,所 以 在 小 型 的 電 子 設 備 中 經(jīng) 常 采 用 這 種 電 路 。 缺 點 ： (1)輸 出 電 壓 由 穩(wěn) 壓 管 的 型 號 決 定 ,不 可 隨 意 調(diào) 節(jié) ;(2)電 網(wǎng) 電 壓 和 負 載 電 流的 變 化 范 圍 較 大 時 ,電 路 將 不 能 適 應 。為 了 改 進 以 上 缺 點 ,可 以 采 用 線 性 穩(wěn) 壓 電 路 ， 在

38、線 性 穩(wěn) 壓 電 路 中 我 們 以 串 聯(lián) 型 直流 穩(wěn) 壓 電 路 為 例 為 大 家 做 詳 細 的 說 明 。 200R 0.35 100.04 0.005ZZ ZUr I 10O ZR r 1 (15 12) 13.52IU V V 10 13.5 0.11 11%200 6Z Ir Or US R U 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 串 聯(lián) 型 直 流 穩(wěn) 壓 電 路 性 能 指 標 一 般 用 技 術 指 標 衡 量 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 路 的 性 能 。 技 術 指 標 分 為 兩 種 ： 一 種 是 特 性 指標 ， 包 括 允 許 的 輸 入 電 壓 、 輸 出 電

39、 壓 、 輸 出 電 流 及 輸 出 電 壓 調(diào) 節(jié) 范 圍 等 ； 另 一 種 是質(zhì) 量 指 標 ， 用 來 衡 量 輸 出 直 流 穩(wěn) 壓 程 度 ， 包 括 穩(wěn) 壓 系 數(shù) 、 電 壓 調(diào) 整 率 、 電 流 調(diào) 整 率 、輸 出 電 阻 、 溫 度 系 數(shù) 及 波 紋 電 壓 等 。 這 些 質(zhì) 量 指 標 的 含 義 如 下 ： 穩(wěn) 壓 電 路 的 質(zhì) 量 指 標 由 于 輸 出 直 流 電 壓 隨 輸 入 直 流 電 壓 （ 即 整 流 濾 波 電 路 的 輸 出 電 壓 ， 其 數(shù) 值 可 近似 認 為 與 交 流 電 源 電 壓 成 正 比 ） 、 輸 出 電 流 和 環(huán) 境

40、溫 度 的 變 動 而 變 動 ， 即 輸 出 電壓 ， 因 而 輸 出 電 壓 變 化 量 的 一 般 式 可 表 示 為 ：系 數(shù) KU是 輸 入 調(diào) 整 因 數(shù) ， 反 映 了 輸 入 電 壓 波 動 對 輸 出 電 壓 的 影 響 ， 實 用 上 常 用 輸入 電 壓 變 化 時 引 起 輸 出 電 壓 的 相 對 變 化 來 表 示 ， 稱 為 電 壓 調(diào) 整 率 ， 即 : 有 時 也 以 輸 出 電 壓 和 輸 入 電 壓 的 相 對 變 化 之 比 來 表 征 穩(wěn) 壓 性 能 ， 稱 為 穩(wěn) 壓 系 數(shù) ， 其定 義 可 寫 為 00%100/ TIII OO OUU UU O

41、 V I o O TV K V R I S T 00%100/ TII OOU OUUUK 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源穩(wěn) 壓 電 源 的 內(nèi) 阻 ro反 映 負 載 電 流 變 化 對 的 影 響 :有 時 也 用 電 流 調(diào) 整 率 表 示 :它 反 映 了 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 克 服 負 載 變 化 影 響 的 能 力 。當 輸 入 電 壓 和 負 載 電 流 均 不 變 時 ， 輸 出 電 壓 的 變 化 量 與 環(huán) 境 溫 度 變 化 量 之 比 ,反 映 了直 流 穩(wěn) 壓 電 源 克 服 溫 度 影 響 的 能 力 : 紋 波 抑 制 比 為 輸 入 紋 波 電 壓 峰 值

42、 UIP與 輸 出 紋 波 電 壓 峰 值 UOP之 比 。 反 映 輸 入 電 壓 UI中 含 100 Hz 交 流 分 量 峰 值 或 紋 波 電 壓 有 效 值 經(jīng) 穩(wěn) 壓 后 的 減 小 程 度 。 穩(wěn) 壓 系 數(shù) 較 小穩(wěn) 壓 電 路 ， 它 的 輸 出 紋 波 電 壓 一 般 也 較 小 IS00Iooo UToUr I OI OV IO 0O 0100% %I TVVS V 00 IooT UIoUS T dBUUS POP PIPR lg20 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源串 聯(lián) 反 饋 式 穩(wěn) 壓 電 路 (1)組 成 和 工 作 原 理 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 路 組 成

43、 框 圖 如 圖 9.21(a)所 示 ， 包 括 四 個 組 成 部 分 ： 基 準 電 壓 ； 比較 放 大 ； 輸 出 電 壓 取 樣 電 路 ； 調(diào) 整 元 件 。 9.21(b)所 示 為 串 聯(lián) 反 饋 式 穩(wěn) 壓 電 路 的 原理 電 路 圖 。 9.21串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 路 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源基 準 電 壓 ： 基 準 電 壓 由 穩(wěn) 壓 管 VDZ提 供 ,接 到 放 大 電 路 的 同 相 輸 入 端 。 采 樣 電 壓 與基 準 電 壓 進 行 比 較 后 ,再 將 二 者 的 差 值 進 行 放 大 。 電 阻 R的 作 用 是 保 證 VDZ有 一

44、 個合 適 的 工 作 電 流 。比 較 放 大 電 路 A： 它 的 作 用 時 將 穩(wěn) 壓 電 路 輸 出 電 壓 的 變 化 量 進 行 放 大 ,然 后 再 送 到調(diào) 整 管 的 基 極 。 如 果 放 大 電 路 的 放 大 倍 數(shù) 比 較 大 ,則 只 要 輸 出 電 壓 產(chǎn) 生 一 點 微 小的 變 化 ,即 能 引 起 調(diào) 整 管 的 基 極 電 壓 發(fā) 生 較 大 的 變 化 。輸 出 取 樣 電 路 ： 由 電 阻 R1、 R2、 R3組 成 。 當 輸 出 電 壓 發(fā) 生 變 化 時 ,采 樣 電 阻 取 其變 化 量 的 一 部 分 送 到 放 大 電 路 的 反 相

45、輸 入 端 。調(diào) 整 元 件 ： 當 輸 出 電 壓 Uo由 于 電 網(wǎng) 電 壓 或 負 載 電 流 等 的 變 化 而 發(fā) 生 波 動 時 ,其 變化 量 經(jīng) 采 樣 、 比 較 、 放 大 后 送 到 調(diào) 整 管 的 基 極 ,使 調(diào) 整 管 的 集 射 電 壓 發(fā) 生 相 應的 變 化 。 最 終 調(diào) 整 輸 出 電 壓 使 之 基 本 保 持 穩(wěn) 定 。VT為 調(diào) 整 管 :它 工 作 在 線 性 放 大 區(qū) ， 故 又 稱 為 線 性 穩(wěn) 壓 電 路 。 R3和 穩(wěn) 壓 管 VD組 成 基 準 電 壓 源 ， 為 集 成 運 放 A的 同 相 輸 入 端 提 供 基 準 電 壓 ；

46、R1、 R2和 Rp組 成 取 樣 電路 ， 它 將 穩(wěn) 壓 電 路 的 輸 出 電 壓 分 壓 后 送 到 集 成 運 放 A的 反 相 輸 入 端 ； 集 成 運 放 A構成 比 較 放 大 電 路 ， 用 來 對 取 樣 電 壓 與 基 準 電 壓 的 差 值 進 行 放 大 。 從 反 饋 放 大 器 角度 看 ， 該 電 路 屬 電 壓 串 聯(lián) 負 反 饋 電 路 。 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源穩(wěn) 壓 過 程 ： 輸 出 電 壓 可 以 通 過 改 變 采 樣 電 阻 中 電 位 器 的 滑 動 端 位 置 在 一 定 范 圍 內(nèi) 調(diào) 節(jié) 。 即 ：反 之 ,若 R2滑 動 端

47、 向 下 移 動 ,則 Uo增 大 。假 設 放 大 電 路 A是 理 想 運 放 ,且 工 作 在 線 性 區(qū) ,則 U+=U-=UZ=UF,而 且 兩 個 輸 入 端 不取 電 流 ,則 或 當 R2的 滑 動 端 調(diào) 至 最 上 端 時 , Uo達 到 最 小 值 ,此 時 當 R2的 滑 動 端 調(diào) 至 最 下 端 時 , Uo達 到 最 大 值 ,此 時 2 31 2 3Z F oR RU U UR R R 1 2 32 3 ZR R RUo UR R 2 0R 2 2R R1 2 3min 2 3o ZR R RU UR R 2 2R R 2 0R1 2 3max 3o ZR R

48、RU UR 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源例 9.2:設 如 圖 9.22所 示 串 聯(lián) 型 直 流 穩(wěn) 壓 電 路 中 ,穩(wěn) 壓 管 為 2CW14,其 穩(wěn) 定 電 壓 為UZ 7V， 采 樣 電 阻 R1=3K ， R2=2K , R3=3K ,試 估 算 輸 出 電 壓 的 調(diào) 節(jié) 范 圍 。解 ： 因 此 ,穩(wěn) 壓 電 路 輸 出 電 壓 的 調(diào) 節(jié) 范 圍 是 (11.2 18.7V) VURR RRRU ZO 2.11732 32332 321min 1 2 3max 3 3 2 3 7 18.73o ZR R RU U VR 圖 9.22 串 聯(lián) 型 直 流 穩(wěn) 壓 電 路 第

49、 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源調(diào) 整 管 的 選 擇調(diào) 整 管 不 僅 需 要 根 據(jù) 外 界 條 件 的 變 化 ， 隨 時 調(diào) 整 本 身 的 管 壓 降 ， 以 保 持 輸 出 電 壓 穩(wěn)壓 ， 還 要 提 供 負 載 所 要 求 的 全 部 電 流 ， 因 此 調(diào) 整 管 的 功 耗 比 較 大 ， 通 常 采 樣 大 功 率的 三 極 管 。 為 了 保 證 調(diào) 整 管 的 安 全 ， 在 選 擇 三 極 管 的 型 號 時 ， 應 對 三 極 管 的 主 要 參數(shù) 進 行 初 步 的 估 算 。a.集 電 極 最 大 允 許 電 流 ICM假 設 流 過 采 樣 電 阻 的 電 流

50、 為 IR， 則 b.集 電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 的 最 大 允 許 反 向 擊 穿 電 壓 U(BR)CEO正 常 工 作 時 調(diào) 整 管 上 的 壓 降 約 為 幾 伏 。 負 載 短 路 時 U I全 部 加 在 調(diào) 整 管 兩 端 。 在 電 容濾 波 電 路 中 ， UI可 能 接 近 于 變 壓 器 副 邊 電 壓 峰 值 再 考 慮 電 網(wǎng) 可 能 有的 波 動 ,因 此 ， 根 據(jù) 調(diào) 整 管 可 能 承 受 的 最 大 反 向 電 壓 ， 應 選 擇 三 極 管 的 參 數(shù) 為 是 空 載 時 整 流 濾 波 電 路 的 最 大 輸 出 電 壓 。c.集 電 極 最

51、大 允 許 耗 散 功 率 PCM調(diào) 整 管 的 功 耗 為故 ， 為 保 證 調(diào) 整 管 工 作 在 放 大 狀 態(tài) ， UCE通 常 為 (3 8)V。故 , 若 為 橋 式 整 流 、 電 容 濾 波 電 路 ,并 考 慮 到 電 網(wǎng) 電 壓 可 能 有 maxCM L RI I I 22U 10%( ) Im 21.1 2BR CEO axU U U ImaxU ( ) C CE C I O CP U I U U I Im min max( )CM ax O CP U U I max (3 8)I OU U V 10% 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源的 波 動 ， 要 求 變 壓 器

52、 副 邊 電 壓 為 ：(4)穩(wěn) 壓 電 路 的 過 載 保 護使 用 穩(wěn) 壓 電 路 時 ,如 果 輸 出 端 過 載 甚 至 短 路 ， 將 使 通 過 調(diào) 整 管 的 電 流 急 劇 增 大 ,故在 實 用 的 穩(wěn) 壓 電 路 中 通 常 加 有 必 要 的 保 護 電 路 ,以 免 調(diào) 整 管 造 成 損 壞 。b.溫 度 保 護 型 ： 利 用 集 成 電 路 制 造 工 藝 ， 在 調(diào) 整 管 旁 制 作 PN結 溫 度 傳 感 器 。 當 溫度 超 標 時 ， 啟 動 保 護 電 路 工 作 ， 工 作 原 理 與 反 饋 保 護 型 相 同 。限 流 型 保 護 電 路 如 圖

53、 9.23所 示 。 2 1.1 1.2IUU 圖 9.23 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源當 發(fā) 生 短 路 時 ， 通 過 保 護 電 路 使 調(diào) 整 管 截 止 ， 從 而 限 制 了 短 路 電 流 ， 使 之 接 近 為零 。 截 流 特 性 如 圖 9.24所 示 。截 流 型 保 護 電 路 如 圖 9.25所 示 。 它 是 當 發(fā) 生 短 路 時 ， 通 過 電 路 中 取 樣 電 阻 的 反 饋 作 用 ， 輸 出 電 流 得 以 限 制 。 限 流特 性 如 圖 9.26所 示 。 圖 9.26 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源9.4 集 成 三 端 穩(wěn) 壓 器 三 端

54、 式 穩(wěn) 壓 器 只 有 三 個 引 出 端 子 ， 具 有 應 用 時 外 接 元 件 少 、 使 用 方 便 、 性 能穩(wěn) 定 、 價 格 低 廉 等 優(yōu) 點 ， 因 而 得 到 廣 泛 應 用 。 三 端 式 穩(wěn) 壓 器 有 兩 種 ， 一 種 輸出 電 壓 是 固 定 的 ， 稱 為 固 定 輸 出 三 端 穩(wěn) 壓 器 ； 另 一 種 輸 出 電 壓 是 可 調(diào) 的 ， 稱為 可 調(diào) 輸 出 三 端 穩(wěn) 壓 器 。 它 們 的 基 本 組 成 及 工 作 原 理 都 相 同 ， 均 采 用 串 聯(lián) 型穩(wěn) 壓 電 路 。三 端 固 定 輸 出 集 成 穩(wěn) 壓 器 通 用 產(chǎn) 品 有 CW

55、7800系 列 (正 電 源 )和 CW7900系 列 (負 電源 )。圖 9.27所 示 為 CW7800和 CW7900系 列 塑 料 封 裝 和 金 屬 封 裝 三 端 集 成 穩(wěn) 壓 器 的 外形 及 管 腳 排 列 。 圖 9.27 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源1、 基 本 應 用 電 路圖 9.28所 示 為 7800系 列 集 成 穩(wěn) 壓 器 的 基 本 應 用 電 路 。 由 于 輸 出 電 壓 決 定 于 集 成穩(wěn) 壓 器 ， 所 以 圖 9.28輸 出 電 壓 為 12V， 最 大 輸 出 電 流 為 1.5A。2、 提 高 輸 出 電 壓 的 電 路 提 高 輸 出

56、電 壓 的 電 路 如 圖 9.29所 示 。 實 際 需 要 的 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 ， 如 果 超 過 集 成穩(wěn) 壓 器 的 輸 出 電 壓 數(shù) 值 時 ， 可 外 接 一 些 元 件 提 高 輸 出 電 壓 ， 圖 9.29所 示 電 路 能 使 輸 出 電 壓 高 于 固 定 電 壓 ， 圖 中 的 UXX為 CW78系 列 穩(wěn) 壓 器 的 固 定 輸 出 電 壓 數(shù) 值 ，顯 然 有 ： UO=UXX+UZ ；圖 9.28 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源也 可 采 用 圖 9.30所 示 的 電 路 提 高 輸 出 電 壓 。 圖 中 R1、 R 2為 外 接 電 阻 ， R1

57、兩 端 的 電壓 為 三 端 集 成 穩(wěn) 壓 器 的 額 定 輸 出 電 壓 UXX， R1上 流 過 的 電 流 為 IR1= UXX R1， 三 端集 成 穩(wěn) 壓 器 的 靜 態(tài) 電 流 為 IQ， 則 有 ： IR2=IR1+IQ ；圖 9.29 圖 9.30 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源3、 輸 出 正 、 負 電 壓 的 電 路 圖 9.31所 示 為 采 用 CW7815和 CW7915三 端 穩(wěn) 壓 器 各 一 塊 組 成 的 具 有 同 時 輸出 +15V -15V電 壓 的 穩(wěn) 壓 電 路 。恒 流 源 電 路集 成 穩(wěn) 壓 器 輸 出 端 串 入 阻 值 合 適 的 電 阻 ， 就 可 構 成 輸 出 恒 定 電 流 的 電 源 ， 如 圖 9.32所 示 。 圖 9.31圖 9.32 第 9章 直 流 穩(wěn) 壓 電 源IQ為 穩(wěn) 壓 器 靜 態(tài) 工 作 電 流 ， 由 于 它 受 UI及 溫 度 變 化 的 影 響 ， 所 以 只 有 U23/RIQ時 ， 輸 出 電 流 IQ才 比 較 穩(wěn) 定 。