模拟电子课件：第八章 直流稳压电源

1、目 录,10.3.2 硅稳压管稳压电路的特点,10.1 单相整流电路,10.1.1 单相半波整流电路,10.1.2 单相全波整流,10.1.3 桥式全波整流电路,10.2 滤波电路,10.2.1 电容滤波电路,10.2.2 电感滤波电路,10.2.3 其他滤波电路,10.3 硅稳压管稳压电路,10.3.1 硅稳压管电路及工作原理,10.4 串联型稳压电路,10.4.1 串联型稳压电路的组成和稳压原理,第10章 直流稳压电源,10.5.4 利用三端集成稳压器组成恒流源,10.4.2 输出电压的调节,10.4.3 分立元件组成的串联型稳压电路,10.4.4 稳压电路的保护措施,10.4.5 稳压电

2、路的质量指标,10.5 三端集成稳压电源,10.5.1 概述,10.5.2 线性三端集成稳压器的分类,10.5.3 应用电路,10.6 开关直流稳压电源,10.7 DC-DC变换器,10.7.1 工作原理,10.7.3 典型应用,10.7.2 电路原理,目 录,本章要点,1. 单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算,2. 具有放大环节的简单串联型稳压电源的工作原理和电压调整范围,开关电源的工作原理和使用方法,DC-DC变换器的使用方法及应用,3. 集成三端稳压电路的使用方法,本章难点,1. 滤波电路的工作原理,2. 开关稳压电源的工作原理,电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的

3、交流电压u2,整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3,滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4,稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定,直流稳压电源的组成和功能,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,二极管导通，uL=u2,二极管截止, uL=0,u2 0 时,u20时,10.1 单相整流电路,10.1.1 单相半波整流电路,主要参数,IL= UL /RL =0.45 u2 / RL,2）输出电流平均值Io,1）输出电压平均值UL,3）流过二极管的平均电流,ID = IL,4）二极管承受的最高反向电压,工作原理,变压器副边中心抽头，感

4、应出两个相等的电压u2,当u2正半周时， D1导通，D2截止,当u2负半周时， D2导通，D1截止,10.1.2 单相全波整流,全波整流电压波形,IL= UL /RL =0.9 u2 / RL,2.主要参数,2）输出电流平均值IL,1）输出电压平均值UL,3）流过二极管的平均电流,ID = IL/2,4）二极管承受的最高反向电压,1）组成：由四个二极管组成桥路,u2正半周时,D1 、D3导通， D2、D4截止,2）工作原理,10.3 单相整流电路,u2负半周时,D2、D4 导通， D1 、D3截止,输出电压平均值：UL=0.9u2,输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL,

5、流过二极管的平均电流：ID=IL/2,3）主要参数,脉动系数1,用傅氏级数对桥式整流的输出 uL 分解后可得,集成硅整流桥,10.2 滤波电路,滤波电路的结构特点: 电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联,交流 电压,脉动 直流电压,直流 电压,10.2.1 电容滤波电路,以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示,1. 工作原理,RL未接入时(忽略整流电路内阻,充电结束,没有电容时的输出波形,uc,RL接入（且RLC较大）时 (忽略整流电路内阻,无滤波电容 时的波形,加入滤波电容 时的波形,u2上升， u2大于电容 上的电压uc，u2对电容充电， uo= uc u2,u2下降，

6、 u2小于电容上的电压。 二极管承受反向电压而截止。 电容C通过RL放电， uc按指数 规律下降，时间常数 = RL C,只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波,二极管中的电流,RL接入（且RLC较大）时 (考虑整流电路内阻,电容充电时，电容电压滞后于u2,RLC越小，输出电压越低,近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL,b) 流过二极管瞬时电流很大,RLC 越大 Uo越高负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大,2. 电容滤波电路的特点,a) 输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关,RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(

7、平均值)愈大,c) 二极管承受的最高反向电压,3.输出特性,输出特性是用来表示电路输出电压和输出电流之间的关系曲线，它是一种外电路特性,例10-2】某电子设备要求直流电压 Uo=12V，直流电流 Io=60mA，电源用的是工频市电220V，50Hz，采用单相桥式整流电容滤波电路，试选择电路中的元件,解 (1) 电源变压器参数的计算,取UI=1.2Uo，则,10(V,变压器的变压比为,2) 整流二极管的选择,流过二极管的平均电流为,二极管承受的反向最大电压为,3) 选择滤波电容,取RLC=2T，得电容容量为,根据上面计算所得和参数，查表就可选择合适的电路元件,电路结构: 在桥式整流电路与负载间串

8、入一电感L,输出电压平均值: UL=0.9U2,对谐波分量: f 越高，XL 越大,电压大部分降在电感上。 因此，在输出端得到比较平滑的直流电压,对直流分量: XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上,10.2.2 电感滤波电路,为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用,LC滤波电路,RC型滤波电路,10.2.3 其它滤波电路,稳压电路的作用,10.3 硅稳压管稳压电路,稳压电源类型,以下主要讨论线性稳压电路,电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用,效率较高，目前用的也比较多,1. 稳压原理利用稳压管的反向击穿特性,由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引

9、起较小的电压变化,10.3.1 硅稳压管电路及工作原理,稳压原理,1) 当输入电压变化时,由图知,2)当负载电流变化时,稳压过程,2. 电路参数计算,1) 稳压管型号的确定,一般选用稳压管型号要看 UZ，IZM 和rZ 。一般选取,rZRo, Ro为所要求的输出电阻,2) 输入电压UI的确定,一般选取,3) 稳压电阻的计算,稳压电阻R的作用,稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好,将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻,显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的UR变化，就可达到足够的稳压效果,但R 的数值越大，就需要较大的输入电压

10、UI值，损耗就要加大,稳压电阻的计算如下,1)当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即,2)当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即,例10-3】为了保护稳压管，经常在图10-11所示电路中加一限流电阻。假设稳压电路的输入电压为15V，稳压管的输出电压为12V，稳压管的安全工作电流范围为550mA，负载电流为400，求限流电阻的取值范围,解 依题意可知流过负载电阻的电流为,因此流过限流电阻的总电流变化范围为,

11、而限流电阻两端的电压为3V，便可求得R的范围为,10.3.2 硅稳压管稳压电路的特点,这种稳压电路的输出电压是不能调节的，负载电流变化范围较小，输出电阻较大，约几个欧姆到几10欧姆，因此稳压性能较差。但其电路结构简单，负载短路时，稳压管不会损坏。因此仅适用于Uo固定和要求不高的场合,稳压管稳压电路的缺点： （1）带负载能力差 （2）输出电压不可调,改进： （1）提高带负载能力在输出端加一射极输出器,UO=UZ-0.7V,10.4 串联型稳压电源,10.4.1 串联型稳压电路的组成和稳压原理,改进： （2）使输出电压可调在射极输出器前加一带有负反馈的放大器。 调节反馈系数即可调节放大倍数,UO=

12、AUFUZ-0.7V,为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端,1.组成： 基准电压、调整管、取样电路、放大比较环节,2.工作原理,1）输入电压变化时,实质：电压负反馈,2）负载电流变化时,10.4.2 输出电压的调节,可见，调节R1或R2可以改变输出电压,用负反馈的理论计算,10.4.3 分立元件组成的串联式稳压电路,稳压原理,当 Ui 增加或输出电流减小使 Uo升高时,3) 输出电压的调节范围,因为,所以,将参数代入，可求出输出电压的调节范围,10.4 串联型稳压电源,10.4.4 稳压电路的保护措施,1限流型保护电路,限流型保护电路是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，使输出

13、电流得以限制,当Io 较小时在RS上产生的压降不能使TS导通,TS不起作用,当IoIOM (负载短路)时在 RS上产生的压降足以使TS导通,TS对IA分流，从而使IB，Io减小，保护了调整管T,2. 截流型,当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零,因为Rf较负载RL小得多,选取适当的R1，R2，当IoIoM时，uBESuoM，则保护管TS载止，电路正常工作,当IoIOM时，Io增加，uBESuOM，则保护管TS导通，这时立即引起下列反馈过程,随着这一过程的快速进行，使电路的输出电压和输出电流都迅速的减小，使它们的值都近似为零，从而实现了截流的作用，这种保护法的

14、优点是调整管的功耗很小,10.4.5 稳压电路的质量指标,稳压电路的枝术指标分为两大类：一类为特性指标，用来表示稳压电路规格，有输入电压、输出功率或输出直流电压和电流范围；另一类为质量指标，用来表示稳压性能，有以下几种指标,1. 稳压系数ST,该指标反映了电网电压波动对稳压电路输出电压稳定性的影响,2. 负载调整特性SI,该指标反映了负载变化对输出电压稳定性的影响,3. 输出电阻Ro,其含义与SI 相似。Ro 越小，负载变化对Uo 变化的影响越小，表示带负载能力越强。一般Ro1,4. 纹波抑制比 SR,该指标反映稳压电路输入电压UI 中含有100Hz交流分量峰值或纹波电压的有效值经稳压后的减小

15、程度。一般输出电压峰值UIP为几毫伏至几百毫伏。 SR越大，表示UOP越小,5. 输出电压的温度系数ST,该指标反映温度对输出电压稳定性的影响， ST越小表示温度对稳压电路的影响越小,10.5.1 概述,10.5 三端集成稳压器,调整管,过压保护,过热 保护,启动电路,取样电路,基准电压源,过流保护,放大比较环节,电路组成及工作原理,1. 启动电路,由R 4、D Z1、T 12、T 13、R 5、 R 6、R 7和R 18组成。上电后，R 4、D Z1先导通，使得T12和T13导通，随后T8和T9也导通，整个电路进入正常工作状态。这时R 1上压降增加，使T13截止状态，切断了输入回路与基准源之

16、间的联系,2. 基准电压源,由T1T7管和电阻R1R3组成的带隙基准电压源,根据前面对带隙基准电压源的分析可知,T7管的集电极电位,因此，有,整理可得,3. 放大比较环节,由T3和T4管组成的复合管构成，电流源T9作它的有源负载。T3和T4管既是基准电压电路的一部分，又是比较放大器的放大管。取样电压UF叠加在基准电压上。输出电压,4. 调整环节,由T16和T17组成的复合管，是整个电路的调整管。其集电极接整流滤波电路的输出，其发射极通过R 11接负载电阻R L，可以输出较大的电流,5. 保护电路,过流保护电路由R11和T15组成。 调整管安全区保护电路由R13，DZ2和T15组成。 过热保护电

17、路由DZ1、R7和T14组成。当芯片内部的温度超过允许的最大值时，R7的压降也增大，而U BE14却减小，使得T14管导通。其集电极电流IC14使得T16管的基极电流分流，从而限制了T16和T17管的电流，芯片功耗也会随之降低，起到过热保护的作用,类型(1)W7800系列 稳定正电压 W7805 输出+5V W7809 输出+9V W7812 输出+12V W7815 输出+15V (2) W7900系列 稳定负电压 W7905 输出-5V W7909 输出-9V W7912 输出-12V W7915 输出-15V,1端: 输入端 2端: 公共端 3端: 输出端,10.5.2 线性三端集成稳压

18、器的分类,3)三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117-/CW117M-/CW117L-CW217-/ CW217M-/CW217L-CW317-/CW317M-/CW317L- (4)三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137-/CW137M-/CW137L- CW237-/CW237M-CW237L-CW337-/CW337M-/CW337L- (5)三端低压差集成稳压器，CW1930，CW2930，CW3930三个小系列产品，可提供大于150mA的输出电流,上述线性三端集成稳压器国标型号数字后缀-表示输出电压的稳定值，稳压值前有M的表示输出电流中等，稳压值前有L30表示输出电流

19、最小，稳压值前没有英文字母的表示输出电流达到安培级为最大,1. 基本使用方法,20V,15V,注意：输入电压Ui一般应比输出电压端Uo高3V以上,10.5.3 应用电路,C1、C2的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的瞬态响应,2. 输出正负电压,3. 输出电压可调,由,可得,4.扩大输出电流,T 1是扩大输出电流的大功率BJT，T 2管是T1的保护管。 当输出电流较小，R 2上的压降也较小，T1、T2管都不导通。 IO= I,当输出电流大于三端稳压器的输出电流时，使R 2上的压降变大，T 1导通。 I O=I+IC1,电容C 1 ：防止自激。 电容C 2：减小电阻R 2上的电压波动。

20、 D1、 D2：保护二极管,W117的基本应用电路,10.6 集成开关式稳压电源,串联式稳压电路的优点：结构简单，稳压性能好，技术成熟，应用广泛。 缺点：它的调整管工作在线性放大状态，功耗大，输出效率低，只有2040；输出电压总是小于输入电压，两者极性也只能是相同的,为了提高效率，让调整管工作在开关（饱和、截止）状态开关式稳压电路,T开关管；LC滤波环节； D续流二极管， R1、R 2取样电阻； 误差放大器、电压比较器、三角波发生器和基准电源组成开关管的脉宽调制控制环节,1 .脉宽调制式开关稳压电路结构,当S为高电平时，T饱和。uEU I。电感L储存能量。二极管D反向截止,2 .工作原理,当S

21、为低电平时，T截止。iE0。L产生反电势，并通过RL、D构成的回路释放能量。由于反电势的存在，D处于导通状态。uE0,BJT的工作周期T为,占空比为,则输出电压的平均值为,即,稳压原理,10.7 DC-DC变换器,在电源电路中，出于对温升、效率以及其他因素的考虑，DC-DC变换器应用很多，DC-DC变换器又称直流-直流变换器。要实现DC-DC变换的方法很多，这里只简单介绍利用集成电路MC34063进行DC-DC变换的方法，利用该集成电路，再配制合适的外围电路，可以实现降压、升压及电压反转等功能，由于电路比较简单、成本也低、效率较高、温升较低，因此这些电路被广泛应用,MC34063具有以下特点。 (1) 能在340V的输入电压下工作。 (2) 带有短路电流限制功能。 (3) 低静态工作电流。 (4) 输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)。 (5) 输出电压可调。 (6) 工作振荡频率从100Hz100kHz。 (7) 可构成升压、降压或反向电源变换器,10.7 DC-DC变换器,由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流可达到1.5A，内部电路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制电路和开关晶体管。 参考电压源是具有温度补偿的基准源，振荡