模擬電子技術(shù)：第十章 直流穩(wěn)壓電源

第十章 直流穩(wěn)壓電源一、教學(xué)要求知 識 點教 學(xué) 要 求學(xué)時掌握 理解 了解 直流穩(wěn)壓電源的組成 單相橋式整流電路的工作原理及其主要性能指標(biāo) 濾波電路的工作原理及其主要參數(shù) 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo) 串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路的組成及工作原理 高精度基準(zhǔn)電源 集成三端穩(wěn)壓器 高效率低壓差線性集成穩(wěn)壓器 開關(guān)型穩(wěn)壓電路 二、重點和難點本章的重點是：橋式整流電容濾波電路和串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路的工作原理及相關(guān)分析計算，三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用。本章的難點是：高精度的基準(zhǔn)源、高效率低壓差線性集成穩(wěn)壓器的工作原理。三、教學(xué)內(nèi)容10.1 直流穩(wěn)壓電源的組成1采用直流穩(wěn)壓電源的意義電子設(shè)備中需要直流電源，它們可以采用干電池、蓄電池或其它直流能源供電。但是這些電源成本高、容量有限。在有交流電網(wǎng)的地方，一般采用將交流電變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。2直流穩(wěn)壓電源的組成（l）電源變壓器 將電網(wǎng)供給的交流電壓變換為符合整流電路需要的交流電壓；（2）整流電路 將變壓器次級交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；（3）濾波電路 將脈動的直流電壓變換為平滑的直流電壓；（4）穩(wěn)壓電路 使直流輸出電壓穩(wěn)定。10.2 整流及濾波1整流電路的分類（1）按輸入交流電源類型可分單相整流和三相整流等。（2）按輸出功率可分為小功率和大功率。小功率直流電源通常采用單相整流，而對于較大功率的直流電源，通常采用三相整流。（3）按整流元件的類型可分為可控整流和不可控整流電路。在可控整流電路中，通過改變整流元件的導(dǎo)通時間來控制輸出電壓的大??；在不可控整流電路中，整流元件的導(dǎo)通時間是不可控的，當(dāng)整流電路的輸入電壓和負(fù)載一定時，輸出電壓一定。 2整流電路的基本工作原理整流電路利用整流二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮兂蓡蜗蛎}動電，輸出電壓中包含有一定的直流分量。3單相整流電路及其主要性能指標(biāo)設(shè)為變壓器副邊電壓有效值，為負(fù)載電阻，為電路輸出電壓的直流分量，為二極管承受的最高反向電壓，為流過二極管的電流平均值。單相整流電路及其主要性能指標(biāo)如表10.1。表10.1 單相整流電路及其主要性能指標(biāo)名稱電路性能指標(biāo)特點半波整流電路簡單，輸出電壓紋波大，變壓器利用率低。全波整流輸出電壓紋波小，變壓器的利用率低，二極管承受的反向電壓高。橋式整流電路復(fù)雜，輸出電壓紋波小，變壓器的利用率高。二極管承受的反向電壓比全波整流電路低。4濾波電路(1)濾波電路的作用 濾波電路是利用電容、電感在電路中的儲能作用及其對不同頻率有不同電抗的特性來組成低通濾波電路，以減小輸出電壓中的紋波。(2) 電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路如圖10.1 所示，本電路的外特如圖10.2 所示。(3) 電容濾波電路的特點 輸出電壓的平均值大于變壓器副邊電壓的有效值。當(dāng)(為交流電壓的周期)時，輸出電壓平均值 輸出直流電壓的大小受負(fù)載變化的影響較大，適合于負(fù)載不變或輸出電流不大的場合。濾波電容越大，濾波效果越好。流過二極管的沖擊電流較大，選擇二極管的電流參數(shù)時應(yīng)當(dāng)留有23倍的裕量。(4) 其它形式的濾波電路 除電容濾波電路外，還有電感濾波、RC型濾波、LC型濾波等電路。10.3 穩(wěn)壓電路1穩(wěn)壓電路的功能維持輸出直流電壓穩(wěn)定，使其不隨電源電壓和負(fù)載電流的變化而變化。2穩(wěn)壓電路的主要技術(shù)指標(biāo)（1）穩(wěn)壓系數(shù) （2）輸出電阻（3）輸出電壓的溫度系數(shù)3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路（1）電路組成串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路如圖10.3所示。它由基準(zhǔn)環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)、比較放大環(huán)節(jié)和調(diào)整環(huán)節(jié)組成。實際上，串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源就是一個電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 圖10.3 串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路的組成（2） 輸出電壓及其調(diào)節(jié)范圍 （3）電路的主要特點 電壓穩(wěn)定度高、紋波電壓小、響應(yīng)速度快。 輸出電壓可調(diào)，輸出電流范圍較大，輸出電阻小。 調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，管壓降較大（通常在35V之間） ，電路的功率變換效率較低，約30%50%。（4）線性集成穩(wěn)壓器線性集成穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理與圖 10.3所示電路類似。表10.2列出了幾種常用的線性集成穩(wěn)壓器及其特點。表10.2 幾種常用的線性集成穩(wěn)壓器及其特點名稱主要特點三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓可調(diào)LM317，LM117輸出正電壓調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，管壓降較大，效率低。LM337，LM137輸出負(fù)電壓輸出電壓固定LM78輸出正電壓LM 79輸出負(fù)電壓低壓差線性集成穩(wěn)壓器1.調(diào)整管工作于臨界飽和狀態(tài)。2.管壓降最小。3.電路的效率很高。4高精度基準(zhǔn)電壓源該類基準(zhǔn)電壓源具有精度高、噪聲低、溫漂系數(shù)小、長期穩(wěn)定度好等特點，但輸出電流比較小，一般只有幾毫安到幾十毫安。廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（A/D、D/A）及大多數(shù)傳感器等電路之中。5開關(guān)型穩(wěn)壓電路當(dāng)穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管在控制脈沖作用下，工作于開關(guān)狀態(tài)，通過適當(dāng)調(diào)整開通和關(guān)斷的時間，可使輸出電壓穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源稱為開關(guān)穩(wěn)壓電源。調(diào)整管開通和關(guān)斷時間的控制方式有兩種，一種是固定開關(guān)頻率，控制脈沖寬度（PWM脈沖寬度調(diào)制）；一種是固定脈沖寬度，控制開關(guān)頻率（PFM脈沖頻率調(diào)制）。無論是那一種控制方式，開關(guān)穩(wěn)壓電源仍然是一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 開關(guān)型穩(wěn)壓電路有以下幾個主要特點 調(diào)整管在控制脈沖的作用下工作于開關(guān)狀態(tài)，功耗低，電源的功率轉(zhuǎn)換效率高，約60%80%，甚至可高達(dá)90%以上。 由于控制脈沖的頻率高，一般在幾十千赫茲以上，所以濾波電感、電容的數(shù)值較小。故大多數(shù)開關(guān)電源沒有工頻電源變壓器，體積小，重量輕。 電路的其它性能指標(biāo)略低于線性電源。四、典型例題整流濾波電路 例10-1 例10-2 例10-3 穩(wěn)壓電路 例10-4 例10-5 例10-6 例10-7 集成穩(wěn)壓電路 例10-8 例10-9【例10-1】在某一具有電容濾波的橋式整流電路中，設(shè)交流電源的頻率為1000HZ，整流二極管正向壓降為0.7V，變壓器的內(nèi)阻為2。要求直流輸出電流IO=100mA，輸出直流電壓UO=12V，試計算： （1）估算變壓器副邊電壓有效值U2。 （2）選擇整流二極管的參數(shù)值。 （3）選擇濾波電容器的電容值?！鞠嚓P(guān)知識】 電容濾波的橋式整流電路。【解題思路】 （1）根據(jù)估算變壓器副邊電壓有效值U2。 （2）根據(jù)電路中流過二極管的電流及二極管承受的最高反壓電壓選擇整流二極管。 （3）根據(jù)及電容器的耐壓選擇濾波電容器?！窘忸}過程】 (1) 由可得。 (2) 流過二極管的電流 二極管承受的反壓為 選2CP33型二極管，其參數(shù)為URM25V，IDM500mA。 (3) 由，可得 取，那么 選C22F，耐壓25V的電解電容?！纠?0-2】倍壓整流電路如圖所示，假設(shè)圖中負(fù)載電阻很大，可視為開路，變壓器副邊電壓的有效值U2=100V。試求： （1）各個電容器上的直流電壓； （2）負(fù)載電阻兩端的電壓； （3）每個二極管所承受的反向電壓。【相關(guān)知識】 倍壓整流電路?！窘忸}思路】 分別討論電壓u2正、負(fù)半周時各電容上所充電壓的最大值，并由此確定負(fù)載兩端電壓和每個二極管所承受的反向電壓?！窘忸}過程】 （1）當(dāng)電壓u2正半周期，及極性上正下負(fù)時，電源通過二極管D1對電容C1充電，C1兩端的電壓；當(dāng)電壓u2負(fù)半周期，及極性上負(fù)下正時，電源經(jīng)電容C1通過二極管D2對C2充電，C2兩端的電壓；當(dāng)電壓u2再次處于正半周期，上正下負(fù)，電源經(jīng)C2通過D3、C3和C1對C3充電，C3兩端的電壓（2）負(fù)載電阻兩端的電壓（3）每個二極管所承受的反壓【例10-3】直流穩(wěn)壓電源電路如圖所示，輸出電壓和輸出電流的數(shù)值如圖所示，試分析電路是否有錯誤？如有錯誤，請加以改正 。【相關(guān)知識】 整流、濾波和穩(wěn)壓電路。【解題思路】 從整流、濾波和穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)、輸入輸出關(guān)系、元器件參數(shù)等方面考慮電路的正確性?！窘忸}過程】 圖示電路有兩處錯誤： （1）是整流濾波電路的濾波電容（0.33F）太小。 濾波電容的選取應(yīng)滿足的關(guān)系，當(dāng)T20ms時 則濾波電容選取濾波電容C大于2000F。 （2）變壓器副邊電壓U2（有效值）15V太小。 選擇變壓器副邊電壓U2的大小時，不僅要考慮輸出直流電壓UO的大小，也要考慮調(diào)整管工作在放大區(qū)（壓降約為3V）之要求。因而LM7824的輸入直流電壓UI至少應(yīng)為27V。另外考慮到輸入端濾波電容（以2000F為例）兩端電壓近似為鋸齒波電壓，其峰峰值 因此，要求濾波后的電壓平均值不低于27+5/229.5V，也就是說，變壓器副邊電壓有效值應(yīng)為 若要考慮電網(wǎng)電壓10%波動時，變壓器次級電壓有效值應(yīng)為【例10-4】 要求硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電壓為10V，負(fù)載電阻可由變到，輸入直流電壓有32V、24V和15V可供選擇。試選擇擬采用的輸入電壓值以及電路的元器件參數(shù)?！鞠嚓P(guān)知識】 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路?！窘忸}思路】 （1）根據(jù)電路的輸出電壓及輸出最大電流選擇穩(wěn)壓管。 （2）由選擇輸入電壓。 （3）由確定限流電阻?！窘忸}過程】 （1）選擇穩(wěn)壓管 根據(jù)題意，輸出電壓為10V，應(yīng)選擇為10V的穩(wěn)壓管。本題中。要求穩(wěn)壓管的電流變化范圍應(yīng)大于負(fù)載電流的變化范圍。為了穩(wěn)壓性能好些，一般取現(xiàn)可取 查半導(dǎo)體器件手冊，可選2CW74型硅穩(wěn)壓管，其在10V左右，最大穩(wěn)定電流為23mA，最小穩(wěn)定電流可按5mA計，動態(tài)電阻，穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)。為了改進(jìn)性能，還可選用和的溫度系數(shù)更小的管子。 （2）確定輸入電壓 為了提高穩(wěn)定性，可取高一些的值，一般取。今選用題中給出的32V輸入電壓。 （3）確定限流電阻 設(shè)允許偏離規(guī)定值，則，則由公式可得可選的限流電阻。這時在規(guī)定的32V輸入電壓下流經(jīng)它的電流為I=（3210）/1.514.7mA功耗約為PR=323mW 當(dāng)達(dá)時，功耗將達(dá)423mW。 因此為安全計，可選用功耗為1W、阻值為的電阻?！纠?0-5】串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖所示。已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，負(fù)載。 (1) 標(biāo)出運(yùn)算放大器A的同相和反相輸入端。 (2) 試求輸出電壓的調(diào)整范圍。 (3) 為了使調(diào)整管的，試求輸入電壓的值。【相關(guān)知識】 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。【解題思路】 (1) 運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端的連接要保證電路引入電壓負(fù)反饋。 (2) 根據(jù)確定輸出電壓的調(diào)整范圍。 (3) 由，并考慮到電網(wǎng)電壓有波動，確定輸入電壓的值。【解題過程】 (1) 由于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路實際上是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。為了實現(xiàn)負(fù)反饋，取樣網(wǎng)絡(luò)（反饋網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)接到運(yùn)放的反相輸入端，基準(zhǔn)電壓應(yīng)接到運(yùn)放的同相輸入端。所以，運(yùn)放A的上端為反相輸入端（），下端為同相端（+）。 (2) 根據(jù)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理，由圖可知式中，為可變電阻滑動觸頭以下部分的電阻，。當(dāng)時，最小當(dāng)時，最大因此，輸出電壓的可調(diào)范圍為。（3）由于 當(dāng)時，為保證，輸入電壓若考慮到電網(wǎng)電壓有波動時，也能保證，那么，實際應(yīng)用中，輸入電壓應(yīng)取?！境Ｒ姷腻e誤】 容易忽視電網(wǎng)電壓有波動。【例10-6】圖為運(yùn)算放大器組成的穩(wěn)壓電路，圖中輸入直流電壓UI=30V，調(diào)整管T的b=25，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為100dB、輸出電阻為100、輸入電阻為2M，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5.4V，穩(wěn)壓電路的輸出電壓近似等于9V。在穩(wěn)壓電路工作正常的情況下，試問： （1）調(diào)整管T的功耗PT和運(yùn)算放大器的輸出電流等于多少？ （2）從電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路詳細(xì)分析計算的角度看，該穩(wěn)壓電路的輸出電壓能否真正等于9V，無一點誤差，如不能，輸出電壓的精確值等于多少？ （3）在調(diào)整管的集電極和基極之間加一只5.1k的電阻R4（如圖中虛線所示），再求運(yùn)算放大器的輸出電流； （4）說明引入電阻R4的優(yōu)點?！鞠嚓P(guān)知識】 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，負(fù)反饋?！窘忸}思路】 （1）調(diào)整管的功耗，運(yùn)算放大器的輸出電流。 （2）根據(jù)，可得輸出電壓的精確值。 （3）運(yùn)算放大器的輸出電流。 （4）考慮引入電阻R4后，對運(yùn)放的輸出電流、功耗的影響，以及對穩(wěn)壓電路輸出電壓調(diào)整能力的影響等問題進(jìn)行討論。【解題過程】 （1）調(diào)整管功耗運(yùn)算放大器的輸出電流IAO即為調(diào)整管的基極電流IB（2）由于本電路中運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)是有限值，所以UO只能近似等于9V。按負(fù)反饋電路增益計算方法可得閉環(huán)增益（3）增加電阻R4后，流過R4的電流為運(yùn)放的輸出電流為（4）R4接入后減小了運(yùn)放A的輸出電流，從而降低運(yùn)放的功率損耗。但是運(yùn)放A對調(diào)整管的基極電流的控制作用則有所削弱?！纠?0-7】某串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路如圖所示，圖中輸入直流電壓UI=24V，調(diào)整管T1和誤差放大管T2的UBE均等與0.7V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ等于5.3V，負(fù)載電流等于100mA。試問： （1）輸出電壓UO的最大值和最小值各等于多少伏？ （2）當(dāng)C1的電容量足夠大時，變壓器副邊電壓U2等于多少伏？ （3）當(dāng)電位器RW的滑動端處于什么位置（上端或下端）時，調(diào)整管T1的功耗最大？調(diào)整管T1的極限參數(shù)PCM至少應(yīng)選多大（應(yīng)考慮電網(wǎng)有10%的波動）？【相關(guān)知識】 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路?！窘忸}思路】 （1）由，可求得輸出電壓的最大值和最小值。 （2）由關(guān)系，確定變壓器副邊電壓的大小。 （3）調(diào)整管T1的極限參數(shù)。【解題過程】 （1）圖中，晶體管T2的基極電位故 輸出電壓的最大值與最小值分別為（2） （3）T1的最大功耗出現(xiàn)在RW的最上端考慮電源10波動時，【例10-8】圖示電路為W117組成的輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源。 已知W117的輸出電壓UREF1.25 V，輸出電流IO允許的范圍為10 mA1.5 A，輸入端和輸出端之間的電壓U12允許的范圍為340 V，調(diào)整端3的電流可忽略不計。回答下列問題： （1）R1的上限值為多少？ （2）輸出電壓UO的最小值為多少？ （3）若R1100 ，要想使輸出電壓的最大值為30 V，則R2應(yīng)為多少？ （4）輸出電壓的最大值能夠達(dá)到50 V嗎？簡述理由?！鞠嚓P(guān)知識】 W117的基本用法及參數(shù)的選擇方法?！窘忸}思路】 （1）為使W117正常工作，任何情況下都必須保證IO10 mA。負(fù)載開路時IO最小，此時R1的取值必須保證IO10 mA。 （2）當(dāng)R2調(diào)節(jié)到最小時，輸出電壓達(dá)到最小值。 （3）根據(jù)UO 與R1、R2之間的關(guān)系求解R2的值。 （4）輸出電壓變化范圍受到U12變化范圍的限制?！窘忸}過程】 （1）考慮到電路可能開路， （2）輸出電壓的最小值UOmin=UREF1.25 V。 （3）輸出電壓 代入數(shù)據(jù)可得 （4）輸出電壓的最大值不能夠達(dá)到50 V。因為電路輸出電壓的最小值為1.25 V，若調(diào)到最大值為50 V，W117的U12的變化范圍為（501.25）V超過其允許的參數(shù)（403）V，說明將在輸出電壓較低時1、2間電壓將超過其耐壓值?！痉椒偨Y(jié)】 W117是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，1、2相當(dāng)于調(diào)整管的集電極和發(fā)射極。IO為10 mA1.5 A，說明W117輸出電流大于10 mA才能穩(wěn)壓，小于1.5 A才不至于損壞；U12為340 V，說明U12大于3 V調(diào)整管才工作在放大區(qū)，U12大于40 V，調(diào)整管將被擊穿?！纠?0-9】圖中畫出了兩個用三端集成穩(wěn)壓器組成的電路，已知靜態(tài)電流IQ=2mA。 （1）寫出圖（a）中電流IO的表達(dá)式，并算出其具體數(shù)值； （2）寫出圖（b）中電壓UO的表達(dá)式，并算出當(dāng)R2=0.51k時的具體數(shù)值； （3）說明這兩個電路分別具有什么功能？ 圖(a) 圖(b)【相關(guān)知識】 三端集成穩(wěn)壓器?！窘忸}思路】 (4) 寫出圖(a)電路輸出電流與穩(wěn)壓器輸出電壓的表達(dá)式。 (5)寫出圖(b)電路輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的表達(dá)式。 (6)由表達(dá)式分析各電路的功能。【解題過程】 （1） （2） （3）圖（a）所示電路具有恒流特性，圖（b）所示的電路具有恒壓特性。