電子技術(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答：第5章 直流穩(wěn)壓電源

113第5章 直流穩(wěn)壓電源第5章 直流穩(wěn)壓電源5.1 如果要求某一單相橋式整流電路的輸出直流電壓Uo為36V，直流電流Io為1.5A，試選用合適的二極管。分析 二極管中流過的電流平均值ID和二極管承受的最高反向電壓UDRM是選用二極管的主要技術(shù)參數(shù)。解 流過整流二極管的平均電流為：（A）變壓器副邊電壓有效值為：（V）整流二極管承受的最高反向電壓為：（V）因此，可選用4只型號為2CZ11A的整流二極管，其最大整流電流為1 A，最高反向工作電壓為100V。5.2 設(shè)一半波整流電路和一橋式整流電路的輸出電壓平均值和所帶負(fù)載大小完全相同，均不加濾波，試問兩個整流電路中整流二極管的電流平均值和最高反向電壓是否相同？分析 整流二極管的電流平均值直接與輸出電流平均值有關(guān)，而最高反向電壓直接與整流變壓器副邊電壓有關(guān)。解 （1）半波整流電路流過整流二極管的平均電流為，橋式整流電路流過整流二極管的平均電流為，由于兩個整流電路的輸出電壓平均值和所帶負(fù)載大小完全相同，故它們的輸出電流平均值大小也相同，所以，兩個整流電路中整流二極管的電流平均值不同。（2）兩個整流電路中整流二極管的最高反向電壓相同，均為整流變壓器副邊電壓有效值的倍，即。5.3 欲得到輸出直流電壓V，直流電流mA的電源，問應(yīng)采用哪種整流電路？畫出電路圖，并計算電源變壓器的容量（計算U2和I2），選定相應(yīng)的整流二極管（計算二極管的平均電流ID和承受的最高反向電壓URM）。分析 在各種單相整流電路中，半波整流電路的輸出電壓相對較低，且脈動大；兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個整流二極管承受的最高反向電壓相對較大，所以這兩種電路應(yīng)用較少。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，電壓脈動較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時因整流變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高，因此單相橋式整流電路在半導(dǎo)體整流電路的應(yīng)用最為廣泛。解 應(yīng)采用橋式整流電路，如圖5.4所示。圖5.4 單相橋式整流電路變壓器副邊電流有效值為：（mA）變壓器副邊電壓有效值為：（V）變壓器的容量為：（VA）流過整流二極管的平均電流為：（mA）整流二極管承受的最高反向電壓為：（V）5.4 在如圖5.5所示的電路中，已知k，直流電壓表V2的讀數(shù)為110V，二極管的正向壓降忽略不計，求：（1）直流電流表A的讀數(shù)。（2）整流電流的最大值。（3）交流電壓表V1的讀數(shù)。圖5.5 習(xí)題5.4的圖分析 直流電壓表V2的讀數(shù)即為輸出直流電壓Uo，直流電流表A的讀數(shù)即為輸出直流電流Io，交流電壓表V1的讀數(shù)即為變壓器副邊電壓有效值U2，而整流電流的最大值可由其與輸出直流電流Io的關(guān)系求出。解 （1）直流電壓表V2的讀數(shù)即為輸出直流電壓Uo，直流電流表A的讀數(shù)即為輸出直流電流Io，所以：（mA）（2）因為整流電流的平均值（即輸出直流電流Io）為：所以，整流電流的最大值為：（mA）（3）交流電壓表V1的讀數(shù)即為變壓器副邊電壓有效值，為：（V）5.5 如圖5.6所示電路為單相全波整流電路。已知V，。（1）求負(fù)載電阻RL上的電壓平均值Uo與電流平均值Io，并在圖中標(biāo)出uo、io的實際方向。（2）如果VD2脫焊，Uo、Io各為多少？（3）如果VD2接反，會出現(xiàn)什么情況？（4）如果在輸出端并接一濾波電解電容，試將它按正確極性畫在電路圖上，此時輸出電壓Uo約為多少？分析 當(dāng)u2極性為上正下負(fù)時，二極管VD1因承受反向電壓而截止，VD2因承受正向電壓而導(dǎo)通，此時有電流由下而上流過負(fù)載，在負(fù)載兩端產(chǎn)生的輸出電壓極性為上負(fù)下正；當(dāng)u2極性為上負(fù)下正時，二極管VD2因承受反向電壓而截止，VD1因承受正向電壓而導(dǎo)通，此時也有電流由下而上流過負(fù)載，在負(fù)載兩端產(chǎn)生的輸出電壓極性也是上負(fù)下正。解 （1）由于是單相全波整流，所以負(fù)載電阻RL上的電壓平均值Uo與電流平均值Io各為：（V）（mA）uo、io的實際方向如圖5.7所示。（2）如果VD2脫焊，則只有當(dāng)u2極性為上負(fù)下正時，VD1因承受正向電壓而導(dǎo)通，u2極性為上正下負(fù)時，二極管VD1因承受反向電壓而截止，所以VD2脫焊時由VD1構(gòu)成半波整流電路， Uo、Io各為：（V）（mA）（3）如果VD2接反，則當(dāng)u2極性為上正下負(fù)時電路不通，VD1和VD2均因承受反向電壓而截止，u2極性為上負(fù)下正時VD1和VD2均因承受正向電壓而導(dǎo)通，由變壓器兩個副繞組以及VD1和VD2構(gòu)成的回路中會有很大的電流通過，會燒壞變壓器和VD1、VD2。（4）如果在輸出端并接一濾波電解電容，其極性應(yīng)為上負(fù)下正，如圖5.7所示，此時輸出電壓Uo約為：（V） 圖5.6 習(xí)題5.5的圖 圖5.7 習(xí)題5.5解答用圖5.6 在如圖5.8所示電路中，變壓器副邊電壓最大值U2M大于電池電壓UGB，試畫出uo及io的波形。分析 本題電路是單相橋式整流電路，不過負(fù)載不是電阻，而是理想直流電壓源和電阻串聯(lián)的組合，分析依據(jù)仍然是看哪個二極管承受正向電壓，決定其是否導(dǎo)通。解 當(dāng)u2的極性為上正下負(fù)且時，二極管VD1、VD3因承受正向電壓而導(dǎo)通，VD2、VD4因承受反向電壓而截止，忽略二極管的正向壓降，則輸出電壓uo等于變壓器副邊電壓u2，即，輸出電流。當(dāng)u2的極性為上正下負(fù)且，以及u2的極性為上負(fù)下正時，4個二極管均因承受反向電壓而截止，忽略二極管的反向電流，則輸出電流，輸出電壓。根據(jù)以上分析，可畫出u2、uo及io的波形，如圖5.9所示。 圖5.8 習(xí)題5.6的圖 圖5.9 習(xí)題5.6解答用圖5.7 在如圖5.10所示橋式整流電容濾波電路中，V，F(xiàn)，試問：（1）正常時Uo為多大？（2）如果測得Uo為：V；V；V；V。電路分別處于何種狀態(tài)？（3）如果電路中有一個二極管出現(xiàn)下列情況：開路；短路；接反。電路分別處于何種狀態(tài)？是否會給電路帶來什么危害？圖5.10 習(xí)題5.7的圖分析 單相橋式整流電容濾波電路正常工作時，負(fù)載電阻RL開路時，濾波電容C開路時。單相半波整流電容濾波電路正常工作時，負(fù)載電阻RL開路時，濾波電容C開路時。解 （1）正常時Uo的值為：（V）（2），這時電路中的濾波電容開路；，這時電路中的負(fù)載電阻RL開路；，這時電路中有13個二極管和濾波電容同時開路，成為半波整流電路；，這時電路處于正常工作狀態(tài)。（3）當(dāng)有一個二極管開路時，電路成為半波整流電容濾波電路。當(dāng)有一個二極管短路或有一個二極管接反時，則會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，會燒壞整流變壓器和某些二極管。5.8 電容濾波和電感濾波電路的特性有什么區(qū)別？各適用于什么場合？解 電容濾波電路成本低，輸出電壓平均值較高，但輸出電壓在負(fù)載變化時波動較大，二極管導(dǎo)通時間短，電流峰值大，容易損壞二極管，適用于負(fù)載電流較小且負(fù)載變化不大的場合。電感濾波電路輸出電壓較低，峰值電流很小，輸出特性較平坦，負(fù)載改變時，對輸出電壓的影響也較小，但制作復(fù)雜、體積大、笨重，制作成本高，存在電磁干擾，適用于負(fù)載電壓較低、電流較大以及負(fù)載變化較大的場合。5.9 單相橋式整流、電容濾波電路，已知交流電源頻率Hz，要求輸出直流電壓為V，輸出直流電流為mA，試選擇二極管及濾波電容。分析 選擇二極管需計算二極管的平均電流ID和承受的最高反向電壓URM，選擇濾波電容需計算電容C的值及其耐壓值。解 流過整流二極管的平均電流為：（mA）變壓器副邊電壓有效值為：（V）整流二極管承受的最高反向電壓為：（V）負(fù)載電阻RL為：（）取：（s）則電容C的值為：（F）其耐壓應(yīng)大于變壓器副邊電壓u2的最大值V。5.10 根據(jù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的特點，試分析這兩種電路各適用于什么場合？解 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但受穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流的限制，負(fù)載電流不能太大，輸出電壓不可調(diào)且穩(wěn)定性不夠理想，適用于要求不高且輸出功率較小的場合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路采用電壓負(fù)反饋來使輸出電壓得到穩(wěn)定，輸出電壓穩(wěn)定性高且連續(xù)可調(diào)，脈動較小，調(diào)整方便，適用于要求較高且輸出功率較大的場合。5.11 如圖5.11所示橋式整流電路，設(shè)V，試分別畫出下列情況下輸出電壓uAB的波形。（1）S1、S2、S3打開，S4閉合。（2）S1、S2閉合，S3、S4打開。（3）S1、S4閉合，S2、S3打開。（4）S1、S2、S4閉合，S3打開。（5）S1、S2、S3、S4全部閉合。圖5.11 習(xí)題5.11的圖分析 在各種不同的情況下，電路的結(jié)構(gòu)和完成的功能不同。需仔細(xì)分析不同情況下的電路結(jié)構(gòu)，才能了解電路所完成的功能，從而畫出輸出電壓uAB的波形。解 （1）S1、S2、S3打開而S4閉合時電路為半波整流電路，且只有在u2的極性為上負(fù)下正即時，才有電流由A至B流過負(fù)載電阻RL，輸出電壓uAB的波形如圖5.12（a）所示。（2）S1、S2閉合而S3、S4打開時電路為橋式整流電容濾波電路，由于負(fù)載電阻RL開路，所以輸出電壓uAB的波形如圖5.12（b）所示。（3）S1、S4閉合而S2、S3打開時電路為橋式整流電路，輸出電壓uAB的波形如圖5.12（c）所示。（4）S1、S2、S4閉合，S3打開時電路為橋式整流電容濾波電路，輸出電壓uAB的波形如圖5.12（d）所示。（5）S1、S2、S3、S4全部閉合時u2經(jīng)橋式整流、電容濾波、穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后輸出，輸出電壓uAB的波形如圖5.12（e）所示。 （a） （b） （c） （d）（e）圖5.12 習(xí)題5.11解答用圖5.12 電路如圖5.13所示，已知V，k，電位器k，問：（1）輸出電壓Uo的最大值、最小值各為多少？（2）要求輸出電壓可在6V到12V之間調(diào)節(jié)，問R1、R2、RP之間應(yīng)滿足什么條件？分析 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓為，式中，時輸出電壓Uo最大，時輸出電壓Uo最小。解 （1）輸出電壓Uo的最大值和最小值分別為：（V）（V）（2）要求輸出電壓可在6V到12V之間調(diào)節(jié)，即有：聯(lián)立以上兩式求解，得：圖5.13 習(xí)題5.12的圖5.13 試設(shè)計一臺直流穩(wěn)壓電源，其輸入為220 V、50 Hz交流電源，輸出直流電壓為+12 V，最大輸出電流為500mA，試采用橋式整流電路和三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成，并加有電容濾波電路（設(shè)三端穩(wěn)壓器的壓差為5V），要求：（1）畫出電路圖。（2）確定電源變壓器的變比，整流二極管、濾波電容器的參數(shù)，三端穩(wěn)壓器的型號。分析 單相橋式整流電容濾波電路輸出電壓平均值，每個二極管承受的最高反向電壓，通過每個二極管的電流平均值。解 （1）由于采用橋式整流、電容濾波和三端集成穩(wěn)壓器來構(gòu)成該臺直流穩(wěn)壓電源，所以電路圖如圖5.14所示，圖中電容F，F(xiàn)。圖5.14 習(xí)題5.13解答用圖（2）由于輸出直流電壓為+12 V，所以三端集成穩(wěn)壓器選用W7812型。由于三端穩(wěn)壓器的壓差為5V，所以橋式整流并經(jīng)電容濾波的電壓為：（V）變壓器副邊電壓有效值為：（V）變壓器的變比為：（V）流過整流二極管的平均電流為：（mA）整流二極管承受的最高反向電壓為：（V）負(fù)載電阻RL為：（）?。海╯）則電容C的值為：（F）取F，連接如圖5.14中所示。其耐壓應(yīng)大于變壓器副邊電壓u2的最大值V。5.14 如圖5.15所示電路是由W78穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電路，為種高輸入電壓畫法，試分析其工作原理。圖5.15 習(xí)題5.14的圖分析 三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓應(yīng)等于輸出電壓Uo加上穩(wěn)壓器的壓差，若輸入電壓超過這個值，就要在輸入端想辦法提高輸入電壓。解 如圖5.15所示電路中由電阻R、穩(wěn)壓管VDZ和晶體管組成了最簡單的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，它是在并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上加上射極輸出器構(gòu)成的。由電路的構(gòu)成可知，較高的輸入電壓Ui經(jīng)過該串聯(lián)型穩(wěn)壓電路后，降壓變?yōu)檫m合集成穩(wěn)壓器的工作的電壓，所以如圖5.15所示電路能提高輸入電壓。5.15 如圖5.16所示電路是W78穩(wěn)壓器外接功率管擴(kuò)大輸出電流的穩(wěn)壓電路，具有外接過流保護(hù)環(huán)節(jié)，用于保護(hù)功率管V1，試分析其工作原理。圖5.16 習(xí)題5.15的圖分析 如圖5.16所示電路中的功率管V1用于擴(kuò)大輸出電流，它的功率消耗非?？捎^，若不加以保護(hù)，勢必會損壞功率管。保護(hù)原理是，一旦發(fā)生過流，過流保護(hù)環(huán)節(jié)立即工作，使輸出電流下降到較低的數(shù)值。解 如圖5.16所示電路中的過流保護(hù)環(huán)節(jié)由晶體管V2和檢測電阻R2組成，并利用R2兩端的電壓來控制V1基極與發(fā)射極之間的電壓UBE1，從而控制V1的基極電流IB1，達(dá)到控制V1的集電極電流IC1的目的。電路正常工作時，流過R2的電流較小，晶體管V2截止，保護(hù)電路不工作。當(dāng)發(fā)生過流時，流過R2的電流較大，晶體管V2導(dǎo)通并迅速達(dá)到飽和，使UBE1減小，IB1減小，IC1減小，達(dá)到了保護(hù)V1的目的。5.16 試說明開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點、組成以及各部分的作用。在下列各種情況下，應(yīng)分別采用線性穩(wěn)壓電路還是開關(guān)型穩(wěn)壓電路？（1）希望穩(wěn)壓電路的效率比較高。（2）希望輸出電壓的紋波和噪聲盡量小。（3）希望穩(wěn)壓電路的重量輕、體積小。（4）希望穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)盡量簡單，使用的元件少，調(diào)試方便。解 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點是調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因而具有效率高、體積小、重量輕以及對電網(wǎng)電壓要求不高等優(yōu)點，被廣泛用于計算機(jī)、電視機(jī)、通信及空間技術(shù)等領(lǐng)域，主要缺點是控制電路比較復(fù)雜，輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。串聯(lián)式開關(guān)型穩(wěn)壓電路主要由開關(guān)調(diào)整管、濾波電路、脈沖調(diào)制電路、比較放大器、基準(zhǔn)電源和采樣電路等部分組成?；鶞?zhǔn)電源產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并將二者的差值放大后送至脈沖調(diào)制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化，此脈沖信號作為開關(guān)調(diào)整管的輸入信號，使調(diào)整管導(dǎo)通和截止時間的比例也隨之發(fā)生變化，從而使濾波以后輸出電壓的平均值基本保持不變。綜上所述，若希望穩(wěn)壓電路的重量輕、體積小、效率比較高時，應(yīng)采用開關(guān)型穩(wěn)壓電路；若希望穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)盡量簡單、使用的元件少、調(diào)試方便、輸出電壓的紋波和噪聲盡量小時，應(yīng)采用線性穩(wěn)壓電路。5.4 習(xí)題與考研試題精選5-1 在如圖5.17所示整流電路中，已知變壓器副邊電壓有效值V。（1）標(biāo)出輸出電壓Uo1、Uo2的極性。（2）畫出輸出電壓Uo1、Uo2的波形。（3）求出輸出電壓Uo1、Uo2的大小。5-2 在如圖5.18所示整流電路中，電路參數(shù)如圖所示，試求：（1）負(fù)載電阻RL1和RL2上整流電壓的平均值，并標(biāo)出極性。（2）二極管VD1、VD2和VD3中的電流平均值以及各管承受的最高反向電壓。5-3 試設(shè)計一個橋式整流電容濾波電路，其輸入交流電源電壓V、頻率Hz，輸出直流電壓V，負(fù)載電阻。要求：（1）計算二極管的電流平均值以及承受的最高反向電壓。（2）計算濾波電容器的容量及其耐壓值。（3）確定電源變壓器的變比及其容量。 圖5.17 習(xí)題5-1的圖 圖5.18 習(xí)題5-2的圖5-4 在如圖5.19所示電路中，已知V，V，k，k，試求：（1）S1打開S2閉合時的Ui和IZ。（2）S1和都S2閉合時的Ui和IZ。圖5.19 習(xí)題5-4的圖5-5 串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路如圖5.20所示，已知V，V，k，V1的最低管壓降V。試求：（1）輸出電壓Uo的范圍。（2）變壓器副邊的電壓有效值U2。圖5.20 習(xí)題5-5的圖5-6 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖5.21所示，已知V，V，k，k，k。試求：（1）輸出電壓Uo的范圍。（2）V，時調(diào)整管V的管耗以及運算放大器的輸出電流。圖5.21 習(xí)題5-6的圖5-7 在如圖5.22所示電路中，已知V，k，k，F(xiàn)，試求輸出電壓Uo的范圍。圖5.22 習(xí)題5-7的圖5-8 在如圖5.23所示電路中，已知，k，k，k，k，試求輸出電壓Uo的范圍。圖5.23 習(xí)題5-8的圖5-9 如圖5.24所示電路是由三端集成穩(wěn)壓器W7805組成的恒流源電路，已知W7805芯片2、3兩端之間的電壓為5V，3端電流mA，電阻，試求RL上的輸出電流Io和輸出電壓Uo。圖5.24 習(xí)題5-9的圖5-10 在如圖5.25所示電路中，已知穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)壓值V，穩(wěn)定電流mA，最大穩(wěn)定電流mA，變壓器副邊電壓有效值V，電網(wǎng)電壓波動10%，最大負(fù)載電流A，k，試求：（1）限流電阻R的取值范圍。（2）輸出電壓Uo的調(diào)整范圍。（3）三端穩(wěn)壓器的最大功耗。圖5.25 習(xí)題5-10的圖