硅稳压二极管稳压电路1ppt课件

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系安徽理工大学电气工程系主讲主讲 ：黄友锐：黄友锐第十九讲第十九讲16.2 16.2 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路16.2.1 16.2.1 硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的原理16.2.2 16.2.2 稳压电阻的计算稳压电阻的计算16.2.3 16.2.3 基准源基准源16.2.1 16.2.1 硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如图硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16.0216.02所示。所示。 它是利用稳压二它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳极管的反向击穿特性稳

2、压的，由于反向特性陡压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变只会引起较小的电压变化。化。图图16.02 16.02 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路(1) (1) 当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知根据电路图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO= 输入电压输入电压VIVI的增加，必然引起的增加，必然引起VOVO的增加，即的增加，即VZVZ增加，从而增加，从而使使IZIZ增加，增加，IRIR增加，使增加，使VRVR增加，从而使输出电压增加，从而使输出电压VOVO减小。这一减小。这一稳压过程可概括如下：稳压过程可

3、概括如下： 这里这里VO减小应理解为由于输入电压减小应理解为由于输入电压VI的增加，的增加，在稳压二极管的调节下，使在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而的增加没有那么大而已。已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。VIVOVZIZIRVRVO图图16.02 16.02 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路(2) (2) 当负载电流变化时如何稳压当负载电流变化时如何稳压 负载电流负载电流ILIL的增加，必然引起的增加，必然引起IRIR的增加，即的增加，即VRVR增加，从增加，从而使而使VZ=VOVZ=VO减小，减小，IZIZ减小。减小

4、。IZIZ的减小必然使的减小必然使IRIR减小，减小，VRVR减小，减小，从而使输出电压从而使输出电压VOVO增加。这一稳压过程可概括如下：增加。这一稳压过程可概括如下： ILIRVRVZ ILIRVRVZ（VOVO）IZIRVRVOIZIRVRVO16.2.216.2.2稳压电阻的计算稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻阻R R越大，稳压性能越好。越大，稳压性能越好。稳压电阻稳压电阻 R R 的作用的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，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，同时从而起到调节作用，同时R R也是限流电阻。也

5、是限流电阻。 显然显然R R 的数值越大，较小的数值越大，较小IZIZ的变化就可引起足够大的的变化就可引起足够大的VRVR变变化，就可达到足够的稳压效果。化，就可达到足够的稳压效果。 但但R 的数值越大，就需要较大的输入电压的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损值，损耗就要加大。耗就要加大。 稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻动态电阻有关，与稳压电阻R 的阻值大小有关。的阻值大小有关。稳压电阻的计算如下稳压电阻的计算如下 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极当输入电压最小，负载电流最大时，流过

6、稳压二极管的电流最小。此时管的电流最小。此时IZIZ不应小于不应小于IZminIZmin，由此可计算出稳，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。即压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即LmaxZminZIminmax=IIVVR 当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时压二极管的电流最大。此时IZIZ不应超过不应超过IZmaxIZmax，由，由此可计算出稳压电阻的最小值。即此可计算出稳压电阻的最小值。即LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR(1) (1) (2)(2) 稳压二

7、极管在使用时稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！否则会造成损坏！16.2.3 16.2.3 基准源基准源基准源基准源 一般是指击穿电压十分稳定，电压一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿了的稳压二极管。温度系数经过补偿了的稳压二极管。也称为参考源也称为参考源这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10-6/10-6/。 型号型号 稳定电压稳定电压(V) (

8、V) 工作电流工作电流(mA) (mA) 电压温电压温度系数度系数(10 -6/ ) (10 -6/ ) MC1403 2.5MC1403 2.51 1 1.2 1.2 1010100 . 100 . LM136/236/336 2.5 10 LM136/236/336 2.5 10 3030 5.0 5.0 10 30 . 10 30 . TL431 2.5TL431 2.536 0.436 0.4100 100 50 . 50 . LM3999 LM3999 6.956.955 5 10 10 5 . 5 . AD2710K/L 10.000AD2710K/L 10.0001mV 10 1

9、mV 10 2/1 . 2/1 . MAX676 4.096MAX676 4.0960.010.01 5 5 1 1 677 5.000 677 5.0000.010.01 5 5 1 1 678 10.000 678 10.0000.010.01 5 5 1 .1 .典型的基准源典型的基准源16.3 线性串联型稳压电源线性串联型稳压电源 稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目

10、前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。压电源的缺点是损耗较大，效率低。16.3.1 线性串联型稳压电路的工作原理线性串联型稳压电路的工作原理16.3.2 稳压电路的保护环节稳压电路的保护环节16.3.3 三端集成稳压器三端集成稳压器16.3.1 16.3.1 线性串联型稳压电路的工作原理线性串联型稳压电路的工作原理(1) (1) 线性串联型稳压电源的构成线性串联型稳压电源的构成线性串联稳压电源的工作原理可用图线性串联稳压电源的工

11、作原理可用图16.0316.03来说明。来说明。 显然，显然，VO =VI-VR，当，当VI增加时，增加时，R 受控制而增受控制而增加，使加，使VR增加，从而在一增加，从而在一定程度上抵消了定程度上抵消了VI增加对增加对输出电压的影响。若负载电输出电压的影响。若负载电流流IL增加，增加，R受控制而减小，受控制而减小，使使VR减小，从而在一定程减小，从而在一定程度上抵消了因度上抵消了因IL增加，使增加，使VI减小，对输出电压减小减小，对输出电压减小的影响。的影响。 图图16.03 16.03 串联稳压电串联稳压电源源 图图16.03 16.03 串联稳压电源串联稳压电源 示意图示意图 在实际电路

12、中，可变电阻在实际电路中，可变电阻R R是用一个三极管来替代的，控是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCEVCE，VCEVCE相当于相当于VR VR 。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图 16.04 16.04 所示。它由调所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。 图图16.04 16.04 串联型稳压电路方框图

13、串联型稳压电路方框图(2) (2) 线性串联型稳压电源的工作原理线性串联型稳压电源的工作原理 根据图根据图16.0416.04分分两种情况来加以讨论。两种情况来加以讨论。1 1输入电压变化，输入电压变化，负载电流保持不变负载电流保持不变 输入电压输入电压VIVI的增加，必然会使输出电压的增加，必然会使输出电压VOVO有所增加，输有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号出电压经过取样电路取出一部分信号VfVf与基准源电压与基准源电压VREFVREF比比较，获得误差信号较，获得误差信号VV。误差信号经放大后，用。误差信号经放大后，用VO1VO1去控制调去控制调整管的管压降整管的管压降VCEVC

14、E增加，从而抵消输入电压增加的影响。增加，从而抵消输入电压增加的影响。 VIVOVfVO1VCEVO（动画16-2） 2 2负载电流变化，输入电压保持不变负载电流变化，输入电压保持不变 负载电流负载电流ILIL的增加，必然会使输入电压的增加，必然会使输入电压VIVI有所减小，有所减小，输出电压输出电压VOVO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号VfVf与基准源电压与基准源电压VREFVREF比较，获得的误差信号使比较，获得的误差信号使VO1VO1增加，从而增加，从而使调整管的管压降使调整管的管压降VCEVCE下降，从而抵消因下降，从而抵消因ILIL增

15、加，使输入电增加，使输入电压减小的影响。压减小的影响。 ILVIVOVfVO1VCEVOILVIVOVfVO1VCEVO3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算根据图根据图16.0416.04可知可知VfVREFREF2321O1O)+(1=VRRRRVV调节调节R2显然可以改变输出电压。显然可以改变输出电压。（动画16-1） 16.3.2 稳压电路的保护环节 串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将

16、因过损耗发热而损坏，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。 保护的方法保护的方法反馈保护型反馈保护型温度保护型温度保护型截流型截流型限流型限流型 利用集成电路制造工艺，在调整利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作管旁制作PNPN结温度传感器。当温度超结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。与反馈保护型相同。截流型截流型限流型限流型 当发生短路时，通过保当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而护电路使调整管截止，从

17、而限制了短路电流，使之接近限制了短路电流，使之接近为零。截流特性见图为零。截流特性见图16.0516.05。 是当发生短路时，通过电是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性见出电流得以限制。限流特性见图图16.0616.06。 图图16.05 16.05 截流型特性截流型特性 图图16.06 16.06 限流型特性限流型特性16.3.3 16.3.3 三端集成稳压器三端集成稳压器(1)(1)概述概述 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的成稳压器。早期

18、的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。它的电路符号见图称为三端集成稳压器。它的电路符号见图16.0716.07，外形如图外形如图16.0816.08所示。所示。图图16.07 16.07 集成稳压器符号集成稳压器符号 要特别注意，不同要特别注意，不同型号，不同封装的集成型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查的位置是不同的，要查手册确定。手册确定。图图16.08 16.08 外形图外形图 照片2. 外形及外形及引脚功能引脚功能W7800系列稳压器外形系列稳

19、压器外形1 输入端输入端3 公共端公共端2 输出端输出端W7900系列稳压器外形系列稳压器外形1 公共端公共端3 输入端输入端2 输出端输出端塑料封装塑料封装TO-220 (2) (2) 线性三端集成稳压器的分类线性三端集成稳压器的分类三端集成稳压器有如下几种：三端集成稳压器有如下几种：1. 1. 固定正输出集成稳压器，国标型号为固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78-/CW78M-/CW78L-CW78-/CW78M-/CW78L-2. 2. 固定负输出集成稳压器，国标型号为固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79-/CW79M-/CW79L-CW79-/CW79M-/CW79L-3. 3

20、. 可调正输出集成稳压器，国标型号为可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117-/CW117MCW117L-CW117-/CW117MCW117L- CW217-/CW217M-/CW217L-CW317-/CW317M-/CW317L- CW217-/CW217M-/CW217L-CW317-/CW317M-/CW317L-4. 4. 可调负输出集成稳压器，国标型号为可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137-/CW137MCW137-/CW137M CW137L-CW237-/CW237M-CW237L-CW337-/CW337MCW337L- CW137L-CW237-/CW237M-C

21、W237L-CW337-/CW337MCW337L-5. 5. 三端低压差集成稳压器三端低压差集成稳压器6. 6. 大电流三端集成稳压器大电流三端集成稳压器 以上以上1-1-为军品级；为军品级；2-2-为工业品级；为工业品级；3-3-为民品级。为民品级。 军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55-55150150； 工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25-25150150； 民品级多为塑料封装，工作温度范围民品级多为塑料封装，工作温度范围00125125。(3) (3) 应用电路应用电路 三端固定

22、输出集成稳压器的三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图典型应用电路如图16.0916.09所示。所示。 可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是是1.25 V1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。)1 (25. 1+=1PPaP1REFREFORRRIRRVVV 16.09 16.09应用电路应用电路( (固定固定) )三端可调输出集成稳压器的三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图典型应用电路如图16.1016.10所示。所示。 图图16.1016.10应用电路应用电路( (

23、可调可调) )同时输出正、负电压的电路同时输出正、负电压的电路同时输出正、负电压电路同时输出正、负电压电路W7815CiUI+ _Uo123+ _CiW791512CoCo3Uo提高输出电压的电路提高输出电压的电路CoW78XXCiUI+_+_Uo123UXXUZRDZUXX: 为为W78XX固定输出电压固定输出电压Uo=UXX+UZ（4 4利用三端集成稳压器组成恒流源利用三端集成稳压器组成恒流源 图图16.1116.11稳压器做恒流源稳压器做恒流源图图16.1216.12可调稳压器做恒流源电路可调稳压器做恒流源电路 (a) (a)小电流恒流源小电流恒流源 (b) (b)大电流恒流源大电流恒流

24、源 三端集成稳压器可三端集成稳压器可做恒流源使用做恒流源使用, ,电路见电路见图图16.1116.11和和16.1216.12。16.4 开关型稳压电源 为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%90%以上，造价低，体以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。于

25、小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。16.4.1 开关型稳压电路的工作原理16.4.2 集成开关型稳压器16.4.1 开关型稳压电路的工作原理 开关型稳压电源的原理可用图开关型稳压电源的原理可用图16.1316.13的电路加以说明。的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。器和基准源等部分构成。 图图16.13 16.13 开关型稳压电源原理图开关型稳压电源原理图 三角波发生器通过比较器产生一个方波，去控制三角波发生器通过比较器产生一个方波，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当

26、调整调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中电流提供一个泄放通路。续管截止时，必须给电感中电流提供一个泄放通路。续流二极管流二极管D D即可起到这个作用，有利于保护调整管。即可起到这个作用，有利于保护调整管。 根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为tonton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间反之输出为低电平，对应调整管的截止时间tofftoff。 输出波形中电位水平高于高输出波形中电位水平高于高电平最小值的

27、部分，对方波而言，电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分。相当方波存在的部分。 输出波形中电位水平低于低输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分。相当方波不存在的部分。 为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVOFVO增加，增加，比较放大器的输出比较放大器的输出VfVf减小，比较器方波输出的减小，比较器方波输出的tofftoff增加，调增加，调整管导通时间减小，输出电压下

28、降。起到了稳压作用。整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。 各点波形见图各点波形见图16.1416.14。由于调整管发射极输出为方波，。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流有滤波电感的存在，使输出电流iLiL为锯齿波，趋于平滑。输为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。出则为带纹波的直流电压。 图图16.14 16.14 开关电源波形图开关电源波形图qVTtVtVVTtVTtvTtvTVTttIonIonCESIoffDE0EO)(1+)(1d1d1=11 可以通过改变比较器输出方波的宽度可以通过改变比较器输出方波的宽度占空比来控制输出电压值。这种控制方占空

29、比来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制式称为脉冲宽度调制(PWM)(PWM)。 q q 称 为 占称 为 占空 比 方 波 高空 比 方 波 高电 平 的 时 间电 平 的 时 间占 整 个 周 期占 整 个 周 期的百分比。的百分比。在输入电压一定时，输出在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比。电压与占空比成正比。 忽略电感的直流电阻，输出电压忽略电感的直流电阻，输出电压VOVO即为即为vEvE的平的平均分量。于是有均分量。于是有1调整管工作在开关状态，功耗大大降低，调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；电源效率大为提高；2调整管在开关状态下工作，为得到直流输调整

30、管在开关状态下工作，为得到直流输 出，必须在输出端加滤波器；出，必须在输出端加滤波器；3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；压值；4在许多场合可以省去电源变压器；在许多场合可以省去电源变压器；5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。的体积可大大减小。由以上分析可以得出如下结论：由以上分析可以得出如下结论：16.4.2 集成开关型稳压器(简介）典型的开关电源控制器和开关电源见下表典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号型号 电源范围电源范围/V /V 最大输出电流最大输出电流 /A /A 内部参考源内

31、部参考源 /V /V 输出级形式输出级形式 TL494 7TL494 740 0.2 5 40 0.2 5 推挽或单端推挽或单端 SG3524 8SG3524 835 0.1 5 35 0.1 5 推挽推挽 SG3525 8SG3525 835 0.5 5 35 0.5 5 推挽推挽 LM2575 3.5LM2575 3.535 1 1.23 35 1 1.23 _ _ 表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。实际上就是一个脉冲宽度调制实际上就是一个脉冲宽度调制PWMPWM控制器，控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。经常也用于其它脉宽调制场合。 集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器括调整管在内的集成开关稳压器; ;另一类称为开关电另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。源控制器，它不包括调整管。(1)(1)开关稳压电源概述开关稳压电源概述 利用集成开关电源控制器可以方便地构成开关电源。利用集成开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图结构框图如图16.15所示。所示。 (2)开关稳压电源控制器SG