第七章 直流稳压电源(最后用这个PPT)-模拟电子技术_第10章_直流稳压电源(2)

1、电子技术电子技术第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源模拟电路部分模拟电路部分第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源10.1 小功率整流滤波电路小功率整流滤波电路10.2 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路regulated power supply 电源变压器电源变压器: 将交流电网电压将交流电网电压v1变为合适的交流变为合适的交流电压电压v2。 整流电路整流电路: 将交流电压将交流电压v2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压v3。概述概述 滤波电路滤波电路: 将脉动直流电压将脉动直流电压v3转转变为平滑的直流变为平滑的直流电压电压v4。 稳稳压电路压电路: 清除电网波动及负载变化的影响清

2、除电网波动及负载变化的影响,保持保持输出电压输出电压vo的稳定。的稳定。v2v3v4vo整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路v1负负载载整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整流电路的任务：整流电路的任务：把交流电压转变为脉动的直流把交流电压转变为脉动的直流电压。电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。桥式和倍压整流等。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零

3、，反向电阻为无穷大。10.1.1 单相整流电路单相整流电路10.1小功率整流滤波电路小功率整流滤波电路1 单相半波整流单相半波整流(half wave rectifier )电路的电路的工作原理工作原理v2 0 时，二极管时，二极管导通。导通。iLv1v2aTbDRLvL忽略二极管正忽略二极管正向压降：向压降： vL=v2v1v2aTbDRLvLiL=0v20 时时D1,D3导通导通D2,D4截止截止电流通路电流通路:A D1RLD3Bv20 时时D2,D4导通导通D1,D3截止截止电流通路电流通路:B D2RLD4A输出是脉动的直流电压！输出是脉动的直流电压！桥式整流电路输出波形及二极管上电

4、压波形桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形vD4,vD2vD3,vD1v2D4D2D1D3RLvLABv2t 0t0tvL0 2 3 4 5桥式整流电路的主要参数桥式整流电路的主要参数 1. 整流输出电压平均值（整流输出电压平均值（VL） 0290d1V.tvVLL 负载上的负载上的(平均平均)电流电流IL:LLRV.I290 一、负载上的直流电压与脉动系数一、负载上的直流电压与脉动系数整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值VL和输出电压的脉动系数和输出电压的脉动系数S是是衡量整流电路性能的两个主要指标衡量整流电路性能的两个主要指标。2. 脉动系数脉动系数和纹波系数和纹波系数6703222

5、324221.VVVVSomo 用傅氏级数对桥式整流的输出用傅氏级数对桥式整流的输出 vL 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttVvL 438. 019 . 012222 LLLLVVVVVK 平均电流平均电流(ID)与反向峰值电压与反向峰值电压(VRM)是选择整流管的是选择整流管的主要依据。主要依据。LLDRV.II245021 22VVRM 二极管截止时两端承受的最大反向电压：二极管截止时两端承受的最大反向电压：二、二极管平均电流与反向峰值电压二、二极管平均电流与反向峰值电压在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因在桥式整流电路中，每个二极管只

6、有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流此，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均是负载平均电流的一半。电流的一半。例：例：在桥式整流电路中，已知变压器副边电压在桥式整流电路中，已知变压器副边电压有效值有效值V2=30V，负载电阻，负载电阻RL=100，求：，求：（1）输出电压与输出电流平均值各是多少？）输出电压与输出电流平均值各是多少？解解:输出电压平均值输出电压平均值V27309 . 09 . 02 VVo输出电流平均值输出电流平均值A27. 010027 LoLRVI二极管的最大整流平均电流二极管的最大整流平均电流ID应满足应满足A149. 021 . 1%1022 LLL

7、DIIII二极管的最高反向电压二极管的最高反向电压VRM应满足应满足V7 .463021 . 121 . 12 VVRM（2）当电网电压波动范围为）当电网电压波动范围为10%，二极管，二极管的最大整流平均电流的最大整流平均电流ID与最高反向工作电压与最高反向工作电压VRM至少应选取多少？至少应选取多少？解解:（3）若整流桥中的二极管）若整流桥中的二极管D1开路或短路，分别开路或短路，分别产生什么现象？产生什么现象？若若D1开路，则电路仅能实现半波整流；开路，则电路仅能实现半波整流；若若D1短路，则在短路，则在v2的负半周将变压器的副边电压的负半周将变压器的副边电压全部加在全部加在D2上，上，D

8、2将因电流过大而烧坏，且将因电流过大而烧坏，且D2烧烧坏后，可能会烧坏变压器。坏后，可能会烧坏变压器。v1v2TD4D2D1D3RLvL滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波平滑平滑直流电压直流电压原理：原理：利用储能元件利用储能元件电容电容两端的电压两端的电压(或通过或通过电感电感中的电流中的电流)不能突变的特性不能突变的特性, 滤掉整流电路输滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的

9、。到平滑输出电压波形的目的。10.1.2 滤波电路滤波电路1 电容滤波电路电容滤波电路以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。一、滤波原理一、滤波原理桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路av1v2v1bD4D2D1D3RLvLSC+（1）RL未接入时未接入时(忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)vLt设设t1时刻接时刻接通电容通电容t1整流电路为整流电路为电容充电电容充电充电结束充电结束av1v2v1bD4D2D1D3RLvLSC+v2t0 2 3 4 5没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形（2） RL接入（且接入（且RLC

10、较大）时较大）时 (忽略整流电路内阻忽略整流电路内阻)VLt电容通过电容通过RL放电，放电，在整流电路电压小在整流电路电压小于电容电压时，二于电容电压时，二极管截止，整流电极管截止，整流电路不为电容充电，路不为电容充电，vL会逐渐下降。会逐渐下降。av1v2v1bD4D2D1D3RLvLSC+v2t0 2 3 4 5vLt只有整流电路输出只有整流电路输出电压大于电压大于vL时，二时，二极管才有电流极管才有电流iD 。因此二极管电流是因此二极管电流是脉冲波。脉冲波。二极管的电二极管的电流流 iDav1v2v1bD4D2D1D3RLvLSC+iD可见，采用电容滤可见，采用电容滤波时，整流管的导波时

11、，整流管的导通角较小。通角较小。v2t0 2 3 4 5vLt电容充电时，电容电容充电时，电容电压小于电压小于v2。RLC越小，输出电越小，输出电压越低。压越低。（3）RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内阻)av1v2v1bD4D2D1D3RLvLSC+v2t0 2 3 4 5一般取一般取2)53(TCRLd (T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算:VL=1.2V2。(2) 流过二极管瞬时电流很大。流过二极管瞬时电流很大。RLC 越大越大 VL越高越高 负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD

12、的峰值电流越大的峰值电流越大故一般选管时，取故一般选管时，取LLLDFRVII21)32(2)32( 二、电容滤波电路的特点二、电容滤波电路的特点(1) 输出电压输出电压 VL与放电时间常数与放电时间常数 RLC 有关。有关。RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 VL(平均值平均值)愈大愈大输出波形随负载电阻输出波形随负载电阻 RL 或或 C 的变化而改变的变化而改变, VL 和和S 也随之改变。也随之改变。如如: RL 愈小愈小( IL 越大越大), VL下降多下降多, S 增大。增大。结论：结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小

13、且负载变动不大的场合。较小且负载变动不大的场合。(3) 输出特性输出特性(外特性外特性)vL电容电容滤波滤波纯电阻负载纯电阻负载0.9V20IL22V2 电感滤波电感滤波电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。就构成了电感滤波电路。电感滤波电路电感滤波电路v2v1RLLvL一、滤波原理一、滤波原理对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。上。对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。 因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电

14、压。在输出端得到比较平滑的直流电压。VL=0.9V2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：约为：v2v1RLLvL二、电感滤波的特点二、电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小较小)的场的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。干扰。v2v1RLLvL例例单相桥式整流、电容滤波电路如前图所示。已知单相桥式整流、电容滤波电路如前图所示。已知220V交流电源频率交流电源频率f=50

15、Hz，要求直流电压，要求直流电压VL=30V，负载电流，负载电流IL=50mA。求变压器副边电。求变压器副边电压压v2的有效值，选择整流二极管及滤波电容器。的有效值，选择整流二极管及滤波电容器。解：解： （1）变压器副边电压的有效值）变压器副边电压的有效值取取VL=1.2V2VV252 . 1302 （2）选择整流二极管）选择整流二极管mAIILDF5022 VVVRM3522 （3）选择滤波电容）选择滤波电容k6 . 0 LLLIVRsTCRL04. 024 FRsCL 6 .6604. 0 VVVCM5 .381 . 122 考虑电网波动考虑电网波动10%，电容器承受的最高电压为，电容器承

16、受的最高电压为选则标称值为选则标称值为68F/50V的电解电容的电解电容二倍压整流电路二倍压整流电路v2的正半周时：的正半周时：D1导通，导通，D2截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C1的电压充到：的电压充到：22Vv2的负半周时：的负半周时：D2导通，导通，D1截止，理截止，理想情况下，电容想情况下，电容C2的电压充到：的电压充到：22V负载上的电压：负载上的电压：222VvL 倍压整流电路的工作原理倍压整流电路的工作原理+v1v2+D1C2C1D2VO+10.2.1 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标一、稳压系数一、稳压系数 稳压系数稳压系数反映电网电压波动时对稳压电路

17、的影响。反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。输入电压的相对变化量之比。IIooVVVV 10.2 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路对于任何稳压电路均可以用稳压系数对于任何稳压电路均可以用稳压系数和输出电阻和输出电阻Ro来描述其稳定性：来描述其稳定性：稳压系数较小的稳压电路，它的纹波电压一般也较小稳压系数较小的稳压电路，它的纹波电压一般也较小二、输出电阻二、输出电阻Ro输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变

18、化量与输出定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。电路的内阻。0 IVoooIVR 三、温度系数三、温度系数 ST00OI TVTTVS稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路(小功率设备小功率设备)以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。电路最简单，电路最简单，但是带负载能但是带负载能力差，一般只力差，一般只提供基准电压，提供基准电压，不作为电源使不作为电源使用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较

19、多，但因学时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。 利用稳压二极管的利用稳压二极管的反向击穿特性。反向击穿特性。 由于反向特性陡直，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只较大的电流变化，只会引起较小的电压变会引起较小的电压变化。化。1. 稳压原理稳压原理硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路Zener voltage regulator 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路VoIZDZRILVIRL VRIRIIZIZmax VZ IZVZV0VoIZDZRILVIRL VRIR当因电网电压升高而使当因电网电压升高而使VI时，时， 会引起下列变化：会引起下列变化：VIVOIZ IR

20、VRVO当因负载电阻减小而使当因负载电阻减小而使IL时，时， 会引起下列变化：会引起下列变化：IL IR VRVOIZIRRIOVVV VRVO串联式直流稳压电路的基本形式串联式直流稳压电路的基本形式TVORL+VZVIIRIZIL实际上是射极输出实际上是射极输出器，器，Vo=VZVBE 。但带负载的能力比但带负载的能力比稳压管强。稳压管强。串联式稳压电路串联式稳压电路该电路与一般共集电极放大电路的区别：其工作电该电路与一般共集电极放大电路的区别：其工作电压源压源VI不稳定，不稳定，“输入信号输入信号”为稳定电压为稳定电压VZ，并要，并要求输出电压求输出电压VO在在VI变化或负载电阻变化或负载

21、电阻RL变化时基本不变化时基本不变。变。负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（化量扩大（1+ ）倍。）倍。BELiii )1( TVORL+VZVIIRIZIL稳压原理稳压原理VI VO VEVBEIBVO要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降，即态，因此其管压降应大于饱和管压降，即CESOIVVV TVORL+VZVIIRIZIL串联式直流稳压电路的基本形式串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：两个主要缺点：(1) 稳压效果不好。稳压效果不好。 Vo=

22、VZ VBE(2) 输出电压不可调。输出电压不可调。改进的方法：改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。馈的放大环节。串联反馈式稳压电路由基准电压、比较放大、串联反馈式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。取样电路和调整元件四部分组成。10.2.2 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路T+_VIVO比较放大比较放大基基 准准取取 样样VRFVO+_C2RL调整元件调整元件+C1调整元件调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。是单个功率管，复合管或用几个功率

23、管并联。比较放大器：比较放大器：可以是可以是单管放大电路单管放大电路，差动放大电路差动放大电路，集成运算放大器集成运算放大器。基准电压：基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压输出电压VO的一部分和基准电压相比较。的一部分和基准电压相比较。T+_VIVO比较放大比较放大基基 准准取取 样样VRFVO+_C2RL调整元件调整元件+C2T+_VIVO比较放大比较放大基基 准准取取 样样VRFVO+_C2RL调整元件调整元件+因调整管与负载接成射极输出器形式，因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为为深度串联电压负反馈，故称之

24、为串串联反馈式稳压电路。联反馈式稳压电路。基准电压基准电压比较放大比较放大调整调整取样取样+LR 1R2RAIVOVTbceRVRZDFVBV串联反馈式稳压电路工作原理串联反馈式稳压电路工作原理1.电电路路结结构构1输入电压变化时输入电压变化时实质实质：电压串联负反馈电压串联负反馈2负载电流变化时负载电流变化时2.工作原理工作原理VI VO VfVBVOIL VO VfVBVO+LR 1R2RAIVOVTbceRVRZDfVBVLIRVRRV)+(1=21O调节调节Rw可以改变输出电压可以改变输出电压根据根据“虚短虚短”VfVRoVo212=VFVRRRVf VRVoFVFVVf 3.输出电压

25、的调节范围输出电压的调节范围+LR 1R2RAIVOVTbceRVRZDfVBVwR4、串联反馈式稳压电路缺点、串联反馈式稳压电路缺点损耗损耗 (P=VCE IL) 大大电源的效率电源的效率 ( =Po/Pi=VoIL/ViIi) 较低较低为了提高效率，可采用开关型稳压电源。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:例：如图，典型的串联型稳压电源的电路图。若已如图，典型的串联型稳压电源的电路图。若已知知VZ=16V，三极管，三极管T饱和时饱和时VCES=2V，试求：，试求：（1）输出电压的范围；（）输出电压的范围；（2

26、）整流滤波后的电压）整流滤波后的电压VI和和变压器次级电压变压器次级电压V2；（；（3）调整管的管压降范围。）调整管的管压降范围。Rv2v1+R1C1Vz=16VR2C2330100100300+VO+VIT解解 （1）当电位器）当电位器RW的滑动端调到上端时的滑动端调到上端时VVRRRVZWO2016)3 . 01 . 01 . 01()1(211 ZVRRRRV)+(1=21O VVRv2v1+R1C1Vz=16VR2C2330100100300+VO+VITZfVV 当电位器当电位器RW的滑动端调到下端时的滑动端调到下端时VVRRRVZWO8016)1 . 03 . 01 . 01()1

27、(212 Rv2v1+R1C1Vz=16VR2C2330100100300+VO+VIT输出电压的范围：输出电压的范围：2080VRv2v1+R1C1Vz=16VR2C2330100100300+VO+VITVVVVCESoI82280max 根据桥式整流电容滤波的输入和输出关系，要求满根据桥式整流电容滤波的输入和输出关系，要求满足足VI1.2V2VVVI3 .682 . 1822 . 12 (2) 求求VI和和V2Rv2v1+R1C1Vz=16VR2C2330100100300+VO+VIT调整管的压降变化范围在调整管的压降变化范围在2V62V之间之间(3) 求求T的管压降范围的管压降范围V

28、VVVOICE62min2 VVVVOICE2max1 随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。成稳压器。本节主要介绍常用的本节主要介绍常用的W7800系列系列三端集成稳压三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅

29、片封装在普该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。环节。10.2.3 三端集成稳压器三端集成稳压器1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共端3端端: 输出端输出端W7800系列稳压器外形系列稳压器外形1231端端: 公共端公共端2端端: 输入端输入端3端端: 输出端输出端W7900系列稳压器外形系列稳压器外形123注：注：型号后型号后XX两位数字代表输出电压值两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有:5V、 6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V七个档次。七个档次。三端集成三端集成稳压器稳压器固定式固定式可调式可调式正稳压正稳压W78XX负稳压负稳