41知识资料第二章模拟电子技术第11节直流稳压电源

千里之行，始于足下朽木易折，金石可镂Word-可编辑2.11直流稳压电源大纲要求：控制桥式整流及滤波电路的工作原理、电路计算；串联型稳压电路工作原理，参数挑选，电压调节范围，三端稳压块的应用

了解滤波电路的外特性；硅稳压管稳压电路中限流电阻的挑选

了解倍压整流电路的原理；集成稳压电路工作原理及提高输出电压和扩流电路的工作原理一．直流稳压电源的组成能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了更高的要求。直流稳压电源的结构及各部分波形如图1所示。图1直流稳压电源组成及各部分波形图图1直流稳压电源组成及各部分波形图由图1可见，直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。（1）电源变压器：电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。（2）整流电路：整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。将交流电压变换为单向脉动电压。（3）滤波电路：滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，普通由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。减小整流电压的脉动程度。（4）稳压电路：在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。16.1整流及电容滤波电路16.1.1．整流电路电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种，倍压整流电路用于其它交流信号的整流，例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号举行整流。一．单相桥式整流电路1.电路结构（未接滤波电容器的桥式整流电路）2.工作原理（1）正半周时，和导通，截止，，电流从电阻的上端流入，下端流出。负载电阻上得到正弦波的正半周电压。图2单相桥式整流电路图图3单相桥式整流电路简化电路图（2）负半周时，导通，和截止，，电流从电阻的上端流入，下端流出。负载电阻上得到正弦波的负半周电压。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单向桥式整流电路的波形如图4所示。图4单相桥式整流电路波形图3.主要性能指标整流输出电压平均值二级管平均电流3）二级管最大反向压二．桥式整流电容滤波电路1.电路结构整流电路的后面加接滤波电路，再负载电阻上并联了一个滤波电容C，滤去交流成分。电路如图5所示。图5带电容滤波的单相桥式整流电路图2.工作原理设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零升高时，D1、D3导通，C被充电，同时电流经D1、D3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时光常数近似为零，因此u0=uc≈u2，在u2达到最大值时，uc也达到最大值，然后u2下降，此时，uc>u2，D1、D3截止，电容C向负载电阻RL放电，因为放电时光常数τ=RLC普通较大，电容电压uc按指数逻辑缓慢下降，当下降到|u2|>uc时，D2、D4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。其波形如图6所示。图6带电容滤波的单相桥式整流电路波形图当负载电阻很小，即很大时，电容滤波的效果不好；当负载电阻很大，即很小时，尽管C较小，仍很大，电容滤波的效果很好。所以电容滤波相宜输出电流较小的场合。3.电路参数的计算。由上式不难看出，输出电压的平均值与电容器的放电时光常数有关，越大，电容器放电速度越慢，则输出电压所包含的纹波成分越小，越大，为获得平滑的输出电压，普通取放电时光常数式中：为交流电的周期。当RL=∞时：当R1为有限值时：通常取U0=1.2U2RC越大U0越大为获得良好滤镜效果，普通取：（T为输入交流电压的周期）在整流电路放电时光常数满意时，可用下式对输出电压的平均值举行估算4．外特性：整流电路中，输出直流电压随负载电流的变化关系曲线如图7所示。图7单相桥式整流电容电路外特性曲线【例1】在如图所示单相桥式电容滤波整流电路中，要求输出电压平均值UO(AV)=15V，负载电流平均值IL(AV)=100mA，UO(AV)≈1.2U2。试问：(1)滤波电容的大小；(2)考虑到电网电压的波动范围为±10％，滤波电容的耐压值。解：(1)按照UO(AV)≈1.2U2，可知C的取值满意RLC=(3~5)T/2的条件。电容的容量为(2)变压器副边电压的有效值为电容的耐压值为实际可选取容量为300μF、耐压为25V的电容做本电路的滤波电容。三．倍压整流电路在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路普通按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。工作原理倍压整流是利用二极管的整流和导引作用，将电压分离储藏到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压来。图2是一个2倍压整流电路。图72倍压整流电路图其工作原理如下：u2正半周（上正下负）时，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，将电容C1上的电压充到临近u2的峰值√2U2，并基本保持不变。u2为负半周（上负下正）时，二极管D2导通，D1截止。此时，C1上的电压Uc1=√2U2与电源电压u2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压Uc2=√2U2。如此反复充电，C2上的电压就基本上是2√2U2了。它的值是变压器电级电压的二倍，所以叫做二倍压整流电路。实际电路中，电容C1和C2会通过负载放电，所以输出电压略低于2√2U2，并且有脉动。显然，负载电阻越大（负载电流越小），输出电压下降得越少，脉动也越小，所以倍压整流电路相宜于要求输出直流电压高、负载电流小的场合。16.2稳压电路引起稳压电路输出电压不稳定的因素：（1）输入电压的变化；（2）附在电流的变化；（3）温度的变化。16.2.1稳压管的特性_+_+二.伏安特性UUI0IZUZUZ图8稳压管的伏安特性曲线它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，因为反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。稳压管正常工作时加反向电压，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。使用时要加限流电阻。三．稳压原理1．稳压管稳压电路硅稳压二极管稳压电路的电路图如图9所示。图9稳压二极管稳压电路图2．稳压原理（1)当输入电压变化时如何稳压按照电路图可知输入电压VI的增强，必然引起V0的增强，即VZ增强，从而使IL增强，IR增强，使VR增强，从而使输出电压V0减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓这里V0减小应理解为，因为输入电压VI的增强，在稳压二极管的调节下，使V0的增强没有那么大而已。VO还是要增强一点的，这是一个有差调节系统。（2）当负载电流变化时如何稳压负载电流IO的增强，必然引起IR的增强，即VR增强，从而使VZ=V0减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VZ=V0增强。这一稳压过程可概括如下：IO↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑限流电阻的计算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R的阻值大小有关。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。3．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，由此计算出来稳压电阻的最大值，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，由此可计算出来稳压电阻的最小值。即稳压二极管在使用时，一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！16.2.2串联型稳压电路稳压电路用来在交流电源电压波动或负载变化时稳定直流输出电压。采用三极管作为调节管并与负载串联的稳压电路，称为串联型晶体管稳压电路；调节管并与负载并联的稳压电路，称为并联型晶体管稳压电路；当调节管工作在线性放大状态则称为线性稳压器。（1）串联型稳压电路的工作原理当输入电压UI增大（或负载电流IO减小）引起输出电压UO增强时，取样电压UF随之增大，UZ与UF的差值减小，经A放大后使调节管的基极电压UBI减小，集电极IC1减小，管压降UCE增大，输出电压UO减小，从而使稳压电路的输出电压升高趋势受到抑制，稳定了输出电压。同例，当输入电压UI减小（或负载电流IO增大）引起输出电压UO减小时，电路将产生与上述相反的稳压过程，维持电压基本不变。可见稳压的实质是UCE的自动调节使输出电压恒定。（2）输出电压的调节范围16.2.3集成三端稳压器一．概述将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器惟独三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图10-2.07所示，形状如图10-2.08所示。要异常注重，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册决定。图10集成稳压器符号及形状图三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图10所示,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图11所示。图11集成稳压器符号【例2】在图10.2.5（a）所示电路中，已知输出电压平均值UO（AV）＝15V，负载电流平均值IL（AV）＝100mA。（1）变压器副边电压有效值U2≈？（2）设电网电压波动范围为±10％。在挑选二极管的参数时，其最大整流平均电流IF和最高反向电压UR的下限值约为多少？图10.2.5解：（1）输出电压平均值，因此变压器副边电压有效值（2）考虑到电网电压波动范围为±10％，整流二极管的参数为【例3】电路如图P10.6所示，变压器副边电压有效值为2U2。（1）