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1、第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源 引言引言 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用10.1 10.1 整流电路整流电路10.2 10.2 滤波电路滤波电路10.3 10.3 稳压管稳压电路稳压管稳压电路10.4 10.4 线性串联型稳压电路线性串联型稳压电路10.5 10.5 串联串联开关型稳压电路开关型稳压电路本章主要内容本章主要内容第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源 交流电变换为直流电的过程引言引言 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用10.1 整流电路整流电路10.1.1 单相半波整流电路单相半波整流电路10.1.2 单相桥式整流电路单相桥
2、式整流电路10.1.3 倍压整流电路倍压整流电路10.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路1.1.电路构成及工作原理电路构成及工作原理 整流电路如图。设变压器付边电压：2、 输出电压的平均值 即 的直流分量 的傅氏分解为：其中的直流分量即为或10.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路3、输出电流的平均值10.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路4、 输出电压的脉动系数定义为整流输出电压的最低次谐波峰值 与输出电压的平均值 之比。可见半波整流输出的基波峰值为输出平均值的1.57倍，脉动较大。10.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路5、 二极管的平均电流因二极管的电流波形与负载电流相同选
3、择时，应使为二极管的最大整流电流。6、二极管的最大反向电压选择时:为最大反向工作电压。10.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路1. 电路组成及工作原理10.1.2 10.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路2 波形分析 u2O10.1.210.1.2单相桥式整流电路单相桥式整流电路3、 输出电压和电流10.1.2 10.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路二极管选择时的余量考虑同半波整流4、 脉动系数由于：v210.1.2 10.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路可见半波整流输出的最低次谐波峰值为输出平均值0.67倍，脉动较小。5. 桥式整流电路实现正、负电源桥式整流电路实现
4、正、负电源6、三相整流v210.1.2 10.1.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路10.1.3 倍压整流电路倍压整流电路 在将交流电变为直流电的同时，在一定的变压器二次电压之下，取出高出它若干倍的直流电压的电路。 基本原理是：利用二极管的单向导电性和对 电流的导引作用，将较低的直流电压分别存在多个电容器上，然后将它们按照相同的极性串联起来，得到较高的直流输出电压。故倍压整流电路的主要组成元件是二极管和电容器。 10.1.3 倍压整流电路倍压整流电路1. 1. 二倍压整流电路二倍压整流电路 时， 导通，理想情况下， 将充电至时， 导通， 将充电至负载上的电压为C2电容上的电压，理想情况下为1
5、0.1.3 倍压整流电路倍压整流电路2. 2. 多倍压整流电路多倍压整流电路 依据上述原理，若将多个电容串接起来，并安排相应的二 极管分别给其充电，就可得到多倍的直流输出电压。常见的几种滤波电路如图所示10.2 滤波电路滤波电路（a）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（倒L型）（c） RC 型滤波电路滤波电路滤波电路: :滤除整流输出电压中的纹波（高次谐波）。一般为滤除整流输出电压中的纹波（高次谐波）。一般为电抗元件组成的低通滤波。电抗元件组成的低通滤波。u2tOiOtOuotO10.2.1 电容滤波电容滤波u2tOiOtOuotO波形如图。二极管的导通角小于1800 输出电压波形输出电压波形
6、t234u2tO输入电压输入电压C放电放电C充电充电D截止截止D导通导通O234uouc10.2.1 电容滤波电容滤波与不含滤波电容的电路相比较，二极管流过电流的时间比不加C时要短。1）当 开路时，电容将被充电到 的最大电压 且保持不变。此时： 2）当 时，即不接电容时:3）一般取 ， 为交流电源周期 若为全波整流： 若为半波整流：10.2.1 电容滤波电容滤波输出电压输出电压波形波形t2 34u2tO输入电输入电压压C放放电电C充充电电D截截止止D导导通通O234uouc 由于加C 滤波后，D 流过电流的时间缩短，且C 越大，D导通的时间越短。在负载要求电流一定的情况下，对二极管的冲击越大，
7、故选用二极管时要考虑之。通常选择通过二极管平均电流为负载电流的1/2： 10.2.1 电容滤波电容滤波电容滤波时，整流二极管的选择电容滤波时，整流二极管的选择输出电压输出电压波形波形t23 4u2tO输入电输入电压压C放放电电C充充电电D截截止止D导导通通O2 3 4uouc开路时，对全波而言:当对半波而言：10.2.1 电容滤波电容滤波O23tOtuCu2iDiD1iD3iD2iD4IDMuCu2整流二极管的最大反向电压：整流二极管的最大反向电压： 外特性：随负载变化较大。故：电容滤波电路适用于负载电流比较小或负载基本不变的场合。 UoioO0.9U2C小小C大大变压器付边电流的有效值：无电
8、容滤波时：无电容滤波时： 有电容滤波时：有电容滤波时： 10.2.1 电容滤波电容滤波 1. 滤波 2. 型滤波: 型10.2.2 其他形式的滤波其他形式的滤波型10.1 整流电路整流电路 1. 单相半波整流电路单相半波整流电路 2. 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 3. 倍压整流电路倍压整流电路10.1 滤波电路滤波电路 1. 电容滤波 2.其他形式的滤波其他形式的滤波(LC 滤波, 型滤波) 整流滤波电路整流滤波电路-小结小结10.3.1 10.3.1 稳压电路的功能和性能指标稳压电路的功能和性能指标 10.3.2 10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路10.3 10.3 稳压管稳压
9、电稳压管稳压电路路1. 1. 功能功能 使直流输出电压基本上不随交流电网电压的波动和交流电网电压的波动和负载的变化负载的变化而变化，一般级联在滤波电路之后。2. 2. 性能指标性能指标 稳压电路的输出是其输入电压，负载电流和环境温度的函数。输出电压输出电压变化量 10.3.1 稳压电路的功能和性能指标稳压电路的功能和性能指标 稳压系数：负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量和输入电压相对变化量的比值。输出电阻：稳压电路输入电压一定时，输出电压和输出电流的比值。10.3.1 稳压电路的功能和性能指标稳压电路的功能和性能指标 其他指标：电压调整率，电流调整率1. 1. 稳压管稳压电路的工作原理稳压
10、管稳压电路的工作原理10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路1) 不变，负载电阻 ， 时 ， ， 稳压原理如下： 使 维持不变（ ），使得 保持不变。2) 不变，电网电压升高，而使 抵消 的增加，使 保持不变。 10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路稳压电路的等效电路及性能指标： 10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路通常：输出电阻：2. 2. 电路参数的选择电路参数的选择 1）稳压电路输入电压的选择2）稳压管的选择稳压管电压：稳压管电流：当负载变化时，稳压管的电流也要变化，且其变化量与负载电流变化量相当，选择时要满足：10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路稳压管的最大稳定电流：
11、3）限流电阻的选择 R 的选择应使电网波动或负载变化时，能始终使DZ 工作在稳压区，即 。a）当电网电压最高 ，而负载电流又最小 流过稳压管的电流 最大，此时应使 由此可确定R 的最小值。10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路b）当电网电压最低 ,而负载电流又最大时 最小, 此时 , 由此可决定R的最大值：则： 上述电路的缺点：1）输出电压由稳压管的型号决定，不可随意调节。2）电网或负载变化太大时，电路将不能适应。10.3.2 稳压管稳压电路10.3.1 10.3.1 稳压电路的功能和性能指标稳压电路的功能和性能指标 10.3.2 10.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 1. 稳压管稳
12、压电路的工作原理稳压管稳压电路的工作原理 2. 2. 电路参数的选择电路参数的选择10.3 10.3 稳压管稳压电稳压管稳压电路路-小结小结举例：举例：图示稳压电路中，已知稳压管的稳定电压图示稳压电路中，已知稳压管的稳定电压U UZ Z为为6V6V，最小稳定电，最小稳定电流流I IZminZmin为为5mA5mA，最大稳定电流，最大稳定电流I IZmaxZmax为为40mA40mA；输入电压；输入电压U UI I为为15V15V，波动范，波动范围为围为1010；限流电阻；限流电阻R R为为200200。（1 1）电路是否能空载？为什么？）电路是否能空载？为什么？（2 2）求保证求保证输出电压稳
13、定的输出电压稳定的负载电流范围？负载电流范围？ 解解（1）由于空载时稳压管流过最大电流：）由于空载时稳压管流过最大电流：（2）根据：）根据：负载电流的最大值：负载电流的最大值：根据：根据：负载电流的最小值：负载电流的最小值：所以，负载电流的范围为所以，负载电流的范围为12.532.5mA。所以电路不能空载。所以电路不能空载。串联型：调整管和负载串联 线性串联型：调整管工作在线性放大区 非线性串联型：调整管工作在开关状态，又称开关型并联型：调整管和负载并联10.4 线性串联型稳压电路线性串联型稳压电路 反馈式稳压电路：反馈式稳压电路：10.4.1 10.4.1 线性串联型串联型稳压电路的组成及稳
14、压原理线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路10.4.3 10.4.3 集成稳压器集成稳压器1. 1. 线性串联型稳压电路的组成线性串联型稳压电路的组成 调整管的输入是基准电压和采样电压的差，根据该差值对输出电压进行调整，同时向负载提供电流. 比较环节可以是分立元件电路，差动放大电路或集成运放。 10.4.1 线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理2. 2. 具有放大环节的串联型稳压电路具有放大环节的串联型稳压电路 IUL)(R或或 FU OU V1 1）稳压
15、电路原理：）稳压电路原理：10.4.1 线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理2 2）输出电压的可调范围）输出电压的可调范围稳态时稳态时10.4.1 线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理3 3）调整管的选择）调整管的选择由于：由于：选择条件：选择条件：10.4.1 线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理线性串联型串联型稳压电路的组成及稳压原理 稳压电路中的基准电压直接影响稳压电路的性能。要求基准电压源的输出电阻小，温度稳定性好。常用一种能隙基准电压源电路，如图，主要由微电流源和温度补偿电路组成。1 1稳压电
16、路中的基准电压稳压电路中的基准电压微电流源微电流源温度补偿电路温度补偿电路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路由于： 由微电流源电路提供，其值为：代入上式，得： 合理地选择 和 的值即可用具有正温度系数的电压 补偿具有负温度系数的电压补偿具有负温度系数的电压 ，使参考电压稳定。，使参考电压稳定。 10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+合理选择电阻参数，使后两项对温
17、度的变化互相抵消，使得基准电压的温度系数为零，其值为：其中 为硅的禁带宽度，Vg0为硅材料在0K时禁带宽度(能带间隙)的电压值。故上述电路称为能隙基准电压源电路。10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路UIRE2T1T2IC1UREFIO+IC2RC2RC1T3+集成稳压器内部含有各种保护电路，如过流保护、断路保护、调整管安全工作区保护等。由于串联型稳压电路的调整管是核心器件，流过它的电流近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调整时，管压降也将产生相应的变化，所以各种保护电路主要是围绕调整管的保护进行的。基准环节基准环节比较放比较放大环节
18、大环节调整环节调整环节取样环节取样环节+R+AUBUREFUIRLTDZRWR2R1UF+UO10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路2. 2. 稳压电路中的保护电路稳压电路中的保护电路 对保护电路的要求是：稳压电路正常时，保护电路不工作。一旦发生过载或短路，保护电路立即动作，限制输出电流的大小或使输出电流下降为0，以保护调整管。过电流保护电路过电流保护电路过电流保护能够在稳压器输出电流超过额定值时，限制调整管的电流在某一数值之内或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧毁。在过流时，使调整管发射极电流限制在某一数值某一数值的电路，称为
19、限流型过流保护电路；限流型过流保护电路；在过流时，使调整管发射极电流迅速减小迅速减小的电路，称为截流型过流保护电路。截流型过流保护电路。10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路基准环节基准环节比较放比较放大环节大环节调整环节调整环节取样环节取样环节+R+AUBUREFUIRLTDZRWR2R1UF+UO如图为限流型过流保护电路，T1为调整管，T2 和R 构成保护电路，R为取样电阻，其上电流近似等于输出电流I0。(1) 当IO较小时，电路正常， , T2截止，电路正常工作。(2) 当Io增大, ， T2导通。负载的一部分电流被IB2分流分流，限制了IC1的增
20、大。保护电路保护电路R+-UORL+T1IB1T2IC2URUBIO比较放大环节比较放大环节I+UI10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路a) a) 限流型过流保护电路限流型过流保护电路正常正常工作区工作区OUOIOIOmax过流区过流区限流型过流保护电路的限流型过流保护电路的外特性如图外特性如图 保护电路保护电路R+-UORL+T1IB1T2IC2URUBIO比较放大环节比较放大环节I+UI10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路若在保护电路工作期间，调整管能够工作在接近截止状 态，就能降低调整管对功率的要求，这种
21、电路称为“截流型”保护电路，如图。 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路b) b) 截流型保护电路截流型保护电路保护电路由R1、R2、R和T1 构成电路正常工作时， ， 截止保护电路对稳压电路没有影响。当 时， ， 导通，产生 ，使上图中当 , 一直进行到 进入饱和，T 进入截止。此时 为0 ， 减小到某一 ，特性如图，形成折返式限流特性折返式限流特性。10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路10.4.3 集成稳压器电路 集成串联型稳压电路有三个引出端，分别为输入端、输出端和公共端，故称为三端集成稳压
22、器，如图。321按输出电压是否可调分为按输出电压是否可调分为 固定式三端稳压器 可调式三端稳压器集成串联型稳压电路主要由以下三部分组成集成串联型稳压电路主要由以下三部分组成 (1) 串联反馈型线性稳压电路 (2) 高精度基准电压电路 (3) 过流、过热保护等电路1 1 固定式集成三端稳压器固定式集成三端稳压器 a. W78（输出正电压）系列 b. W79（输出负电压）系列 其中： 输出电压的标称值输出电压种类：5V、6V、9V、12V、15V和24V等输出电流：1.5 A，0.5A和0.1A三种W78123W79 123稳压器电路符号如图78系列：1：输入端，2：公共端，3：输出端79系列：1
23、：公共端，2：输入端，3：输出端10.4.3 集成稳压器电路基准电压电路基准电压电路启动电路启动电路过热保护过热保护调整电路调整电路取取样样电电路路比较放大比较放大恒流源恒流源减流保护减流保护2 2可调式三端稳压器可调式三端稳压器 三端可调式集成稳压电源的三个端子分别为：输入端、输出端和调整端。主要型号10.4.3 集成稳压器电路UI+UOC10.33F0.1F100FW78 +132C3C2UI+UOC10.33F0.1F100FW79+132C3C279系列 78系列各电容器的作用C1 防止自激振荡C2 减小高频干扰C3 减小输出纹波和低 频干扰3. 3. 固定式三端稳压器的应用电路固定式
24、三端稳压器的应用电路a. 输出单一电压的电路输出单一电压的电路10.4.3 集成稳压器电路+UOC10.33F0.1F100FW78132C3C2+UOC10.33F0.1F100FW79132C3C2+1000FCb. b. 输出正、负电压的稳压电路输出正、负电压的稳压电路10.4.3 集成稳压器电路UI+UOC1W78+132C2R2R1+IQc . c . 提高输出电压的电路提高输出电压的电路 忽略公共端电流IQ10.4.3 集成稳压器电路d. d. 扩大输出电流的电扩大输出电流的电路路 UI+UOC1W78+132C2R1T由于：图中：若 =10， R1=0.5 , |UBE|=0.3
25、V, 则：10.4.3 集成稳压器电路则：4. 可调式三端稳压器应用举例：可调式三端稳压器应用举例：W317W317的应用电路如图的应用电路如图输出端输出端2 2和调整端和调整端1 1之间的之间的电压稳定，为电压稳定，为1.25V1.25V，加电，加电阻调压电路后：阻调压电路后：10.4.3 集成稳压器电路4.4.可调式三端稳压器应用举例：输出正、负可调电压的应用可调式三端稳压器应用举例：输出正、负可调电压的应用电路如图。电路如图。10.4.3 集成稳压器电路10.4 线性串联型稳压电路线性串联型稳压电路-小结小结10.4.1 10.4.1 线性串联型稳压电路的组成及稳压原理线性串联型稳压电路
26、的组成及稳压原理10.4.2 10.4.2 集成稳压器中的基准电压和保护电路集成稳压器中的基准电压和保护电路10.4.3 10.4.3 集成稳压器电路集成稳压器电路10.5 串联串联开关型稳压电路开关型稳压电路10.5.1 10.5.1 问题的提出问题的提出 前述电路中，调整管工作在线性放大区，并与负载串联通过负载电流。由于输入电压和负载电流的波动，调整管两端的电压 不能太小，一般有38V，因此调整管的集电极损耗（ ）相当大，使用时常需配置散热装置。 为此，可使调整管工作在饱和/截止两种开关状态，饱和时 很小，截止时， 也很小，使调整管的管耗减小，效率提高，形成开关式稳压电源。10.5.2 串
27、联型开关稳压电路工作原理串联型开关稳压电路工作原理 图中 为滤波输出 ，T 为串联调整管，T 的 是比较器的输出，用 控制T 的通断，将 变成矩形波 ，经LC滤波输出平滑的电压。10.5 串联串联开关型稳压电路开关型稳压电路当 时， 为高，T 导通。 经T 加到D 的两端，若忽略T 的饱和压降，则 此时D 反向截止，负载中有电流 ，电感L 储有能量，同时C 充电，输出电流增加，电压略有上升，如图。10.5.2 串联型开关稳压电路工作原理串联型开关稳压电路工作原理 当 时， 为低电平，T截止，L产生感应电势 （方向如图），使D导通， 通过D向负载放电，使 中继续有电流（D为续流二极管），此时 电
28、流逐渐下降，电压也有降落。可见，尽管调整管处于开关工作状态，但由于D的续流作用和L、C的滤波作用，输出电压是比较平稳的. 1）设输出为某一希望值 ，则 ， ， 的占空比为50%2）当 ， ， 使输出电压下降到3）当 下降时， 也下降， ， ， 的占空比 ，使输出电压上升到 电路闭环时，能够自动地调整输出电压。10.5.2 串联型开关稳压电路工作原理串联型开关稳压电路工作原理 总之，当 或 变化使 变化时，可自动调整脉冲波形的占空比，使输出电压维持恒定。 为了提高开关式稳压电源的效率，调整管T应选择饱和压降 及穿透电流 小的功率三极管，且为减小损耗，要求开关转换时间 尽可能小，二极管D的选择也要
29、考虑导通、截止和转换三部分的损耗，故应选择正向压降小，反向电流小及有储存时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管。滤波电容使用高频电解电容。10.5.2 串联型开关稳压电路工作原理串联型开关稳压电路工作原理 总之，当 或 变化使 变化时，可自动调整脉冲波形的占空比，使输出电压维持恒定。 为了提高开关式稳压电源的效率，调整管T应选择饱和压降 及穿透电流 小的功率三极管，且为减小损耗，要求开关转换时间 尽可能小。二极管D的选择也要考虑导通、截止和转换三部分的损耗，故应选择正向压降小，反向电流小及3 .并联型开关稳压电路工作原理并联型开关稳压电路工作原理 图中 为滤波输出 ，T 为并联调整管。10.
30、5.2 串联型开关稳压电路工作原理串联型开关稳压电路工作原理第十章第十章 直流稳压电源直流稳压电源- -小结小结 引言引言 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用10.1 10.1 整流电路整流电路10.2 10.2 滤波电路滤波电路10.3 10.3 稳压管稳压电路稳压管稳压电路10.4 10.4 线性串联型稳压电路线性串联型稳压电路10.5 10.5 串联串联开关型稳压电路开关型稳压电路本 章 要 点1整流的概念2基本整流电路及其分析3滤波、稳压环节及元器件参数选择4串联反馈式稳压电路作业10.1，10.3, 10.5，10.7，10.8，10.9， 10.11 ，10.13
