模擬電子技術(shù)：第十章 直流穩(wěn)壓電源

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1、第十章 直流穩(wěn)壓電源一、教學(xué)要求知 識(shí) 點(diǎn)教 學(xué) 要 求學(xué)時(shí)掌握 理解 了解 直流穩(wěn)壓電源的組成 單相橋式整流電路的工作原理及其主要性能指標(biāo) 濾波電路的工作原理及其主要參數(shù) 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo) 串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路的組成及工作原理 高精度基準(zhǔn)電源 集成三端穩(wěn)壓器 高效率低壓差線性集成穩(wěn)壓器 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路 二、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章的重點(diǎn)是：橋式整流電容濾波電路和串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路的工作原理及相關(guān)分析計(jì)算，三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用。本章的難點(diǎn)是：高精度的基準(zhǔn)源、高效率低壓差線性集成穩(wěn)壓器的工作原理。三、教學(xué)內(nèi)容10.1 直流穩(wěn)壓電源的組成1采用直流穩(wěn)壓電源的意義電子設(shè)備中需要直流電源，它們可以采用干

2、電池、蓄電池或其它直流能源供電。但是這些電源成本高、容量有限。在有交流電網(wǎng)的地方，一般采用將交流電變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。2直流穩(wěn)壓電源的組成（l）電源變壓器 將電網(wǎng)供給的交流電壓變換為符合整流電路需要的交流電壓；（2）整流電路 將變壓器次級(jí)交流電壓變換為單向脈動(dòng)的直流電壓；（3）濾波電路 將脈動(dòng)的直流電壓變換為平滑的直流電壓；（4）穩(wěn)壓電路 使直流輸出電壓穩(wěn)定。10.2 整流及濾波1整流電路的分類（1）按輸入交流電源類型可分單相整流和三相整流等。（2）按輸出功率可分為小功率和大功率。小功率直流電源通常采用單相整流，而對(duì)于較大功率的直流電源，通常采用三相整流。（3）按整流元件的類型可分為可控

3、整流和不可控整流電路。在可控整流電路中，通過(guò)改變整流元件的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制輸出電壓的大??；在不可控整流電路中，整流元件的導(dǎo)通時(shí)間是不可控的，當(dāng)整流電路的輸入電壓和負(fù)載一定時(shí)，輸出電壓一定。 2整流電路的基本工作原理整流電路利用整流二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電變成單向脈動(dòng)電，輸出電壓中包含有一定的直流分量。3單相整流電路及其主要性能指標(biāo)設(shè)為變壓器副邊電壓有效值，為負(fù)載電阻，為電路輸出電壓的直流分量，為二極管承受的最高反向電壓，為流過(guò)二極管的電流平均值。單相整流電路及其主要性能指標(biāo)如表10.1。表10.1 單相整流電路及其主要性能指標(biāo)名稱電路性能指標(biāo)特點(diǎn)半波整流電路簡(jiǎn)單，輸出電壓紋波大，變壓器利用率

4、低。全波整流輸出電壓紋波小，變壓器的利用率低，二極管承受的反向電壓高。橋式整流電路復(fù)雜，輸出電壓紋波小，變壓器的利用率高。二極管承受的反向電壓比全波整流電路低。4濾波電路(1)濾波電路的作用 濾波電路是利用電容、電感在電路中的儲(chǔ)能作用及其對(duì)不同頻率有不同電抗的特性來(lái)組成低通濾波電路，以減小輸出電壓中的紋波。(2) 電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路如圖10.1 所示，本電路的外特如圖10.2 所示。(3) 電容濾波電路的特點(diǎn) 輸出電壓的平均值大于變壓器副邊電壓的有效值。當(dāng)(為交流電壓的周期)時(shí)，輸出電壓平均值 輸出直流電壓的大小受負(fù)載變化的影響較大，適合于負(fù)載不變或輸出電流不大的場(chǎng)合。濾波電

5、容越大，濾波效果越好。流過(guò)二極管的沖擊電流較大，選擇二極管的電流參數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)留有23倍的裕量。(4) 其它形式的濾波電路 除電容濾波電路外，還有電感濾波、RC型濾波、LC型濾波等電路。10.3 穩(wěn)壓電路1穩(wěn)壓電路的功能維持輸出直流電壓穩(wěn)定，使其不隨電源電壓和負(fù)載電流的變化而變化。2穩(wěn)壓電路的主要技術(shù)指標(biāo)（1）穩(wěn)壓系數(shù) （2）輸出電阻（3）輸出電壓的溫度系數(shù)3串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路（1）電路組成串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路如圖10.3所示。它由基準(zhǔn)環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)、比較放大環(huán)節(jié)和調(diào)整環(huán)節(jié)組成。實(shí)際上，串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源就是一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 圖10.3 串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路的組成（2） 輸出電壓及其調(diào)節(jié)范圍

6、（3）電路的主要特點(diǎn) 電壓穩(wěn)定度高、紋波電壓小、響應(yīng)速度快。 輸出電壓可調(diào)，輸出電流范圍較大，輸出電阻小。 調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，管壓降較大（通常在35V之間） ，電路的功率變換效率較低，約30%50%。（4）線性集成穩(wěn)壓器線性集成穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理與圖 10.3所示電路類似。表10.2列出了幾種常用的線性集成穩(wěn)壓器及其特點(diǎn)。表10.2 幾種常用的線性集成穩(wěn)壓器及其特點(diǎn)名稱主要特點(diǎn)三端集成穩(wěn)壓器輸出電壓可調(diào)LM317，LM117輸出正電壓調(diào)整管工作在線性狀態(tài)，管壓降較大，效率低。LM337，LM137輸出負(fù)電壓輸出電壓固定LM78輸出正電壓LM 79輸出負(fù)電壓低壓差線性集成穩(wěn)壓器1.調(diào)

7、整管工作于臨界飽和狀態(tài)。2.管壓降最小。3.電路的效率很高。4高精度基準(zhǔn)電壓源該類基準(zhǔn)電壓源具有精度高、噪聲低、溫漂系數(shù)小、長(zhǎng)期穩(wěn)定度好等特點(diǎn)，但輸出電流比較小，一般只有幾毫安到幾十毫安。廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（A/D、D/A）及大多數(shù)傳感器等電路之中。5開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路當(dāng)穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管在控制脈沖作用下，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間，可使輸出電壓穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源稱為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。調(diào)整管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的控制方式有兩種，一種是固定開(kāi)關(guān)頻率，控制脈沖寬度（PWM脈沖寬度調(diào)制）；一種是固定脈沖寬度，控制開(kāi)關(guān)頻率（PFM脈沖頻率調(diào)制）。無(wú)論是那一種控制方式，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源仍然是一個(gè)負(fù)

8、反饋控制系統(tǒng)。 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路有以下幾個(gè)主要特點(diǎn) 調(diào)整管在控制脈沖的作用下工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗低，電源的功率轉(zhuǎn)換效率高，約60%80%，甚至可高達(dá)90%以上。 由于控制脈沖的頻率高，一般在幾十千赫茲以上，所以濾波電感、電容的數(shù)值較小。故大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有工頻電源變壓器，體積小，重量輕。 電路的其它性能指標(biāo)略低于線性電源。四、典型例題整流濾波電路 例10-1 例10-2 例10-3 穩(wěn)壓電路 例10-4 例10-5 例10-6 例10-7 集成穩(wěn)壓電路 例10-8 例10-9【例10-1】在某一具有電容濾波的橋式整流電路中，設(shè)交流電源的頻率為1000HZ，整流二極管正向壓降為0.7V，變壓器的內(nèi)

9、阻為2。要求直流輸出電流IO=100mA，輸出直流電壓UO=12V，試計(jì)算： （1）估算變壓器副邊電壓有效值U2。 （2）選擇整流二極管的參數(shù)值。 （3）選擇濾波電容器的電容值。【相關(guān)知識(shí)】 電容濾波的橋式整流電路?！窘忸}思路】 （1）根據(jù)估算變壓器副邊電壓有效值U2。 （2）根據(jù)電路中流過(guò)二極管的電流及二極管承受的最高反壓電壓選擇整流二極管。 （3）根據(jù)及電容器的耐壓選擇濾波電容器?！窘忸}過(guò)程】 (1) 由可得。 (2) 流過(guò)二極管的電流 二極管承受的反壓為 選2CP33型二極管，其參數(shù)為URM25V，IDM500mA。 (3) 由，可得 取，那么 選C22F，耐壓25V的電解電容?！纠?0

10、-2】倍壓整流電路如圖所示，假設(shè)圖中負(fù)載電阻很大，可視為開(kāi)路，變壓器副邊電壓的有效值U2=100V。試求： （1）各個(gè)電容器上的直流電壓； （2）負(fù)載電阻兩端的電壓； （3）每個(gè)二極管所承受的反向電壓。【相關(guān)知識(shí)】 倍壓整流電路?！窘忸}思路】 分別討論電壓u2正、負(fù)半周時(shí)各電容上所充電壓的最大值，并由此確定負(fù)載兩端電壓和每個(gè)二極管所承受的反向電壓。【解題過(guò)程】 （1）當(dāng)電壓u2正半周期，及極性上正下負(fù)時(shí)，電源通過(guò)二極管D1對(duì)電容C1充電，C1兩端的電壓；當(dāng)電壓u2負(fù)半周期，及極性上負(fù)下正時(shí)，電源經(jīng)電容C1通過(guò)二極管D2對(duì)C2充電，C2兩端的電壓；當(dāng)電壓u2再次處于正半周期，上正下負(fù)，電源經(jīng)C2

11、通過(guò)D3、C3和C1對(duì)C3充電，C3兩端的電壓（2）負(fù)載電阻兩端的電壓（3）每個(gè)二極管所承受的反壓【例10-3】直流穩(wěn)壓電源電路如圖所示，輸出電壓和輸出電流的數(shù)值如圖所示，試分析電路是否有錯(cuò)誤？如有錯(cuò)誤，請(qǐng)加以改正 ?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】 整流、濾波和穩(wěn)壓電路?！窘忸}思路】 從整流、濾波和穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)、輸入輸出關(guān)系、元器件參數(shù)等方面考慮電路的正確性。【解題過(guò)程】 圖示電路有兩處錯(cuò)誤： （1）是整流濾波電路的濾波電容（0.33F）太小。 濾波電容的選取應(yīng)滿足的關(guān)系，當(dāng)T20ms時(shí) 則濾波電容選取濾波電容C大于2000F。 （2）變壓器副邊電壓U2（有效值）15V太小。 選擇變壓器副邊電壓U2的大小時(shí)，

12、不僅要考慮輸出直流電壓UO的大小，也要考慮調(diào)整管工作在放大區(qū)（壓降約為3V）之要求。因而LM7824的輸入直流電壓UI至少應(yīng)為27V。另外考慮到輸入端濾波電容（以2000F為例）兩端電壓近似為鋸齒波電壓，其峰峰值 因此，要求濾波后的電壓平均值不低于27+5/229.5V，也就是說(shuō)，變壓器副邊電壓有效值應(yīng)為 若要考慮電網(wǎng)電壓10%波動(dòng)時(shí)，變壓器次級(jí)電壓有效值應(yīng)為【例10-4】 要求硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電壓為10V，負(fù)載電阻可由變到，輸入直流電壓有32V、24V和15V可供選擇。試選擇擬采用的輸入電壓值以及電路的元器件參數(shù)?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。【解題思路】 （1）根據(jù)電路的輸出電壓及

13、輸出最大電流選擇穩(wěn)壓管。 （2）由選擇輸入電壓。 （3）由確定限流電阻?！窘忸}過(guò)程】 （1）選擇穩(wěn)壓管 根據(jù)題意，輸出電壓為10V，應(yīng)選擇為10V的穩(wěn)壓管。本題中。要求穩(wěn)壓管的電流變化范圍應(yīng)大于負(fù)載電流的變化范圍。為了穩(wěn)壓性能好些，一般取現(xiàn)可取 查半導(dǎo)體器件手冊(cè)，可選2CW74型硅穩(wěn)壓管，其在10V左右，最大穩(wěn)定電流為23mA，最小穩(wěn)定電流可按5mA計(jì)，動(dòng)態(tài)電阻，穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)。為了改進(jìn)性能，還可選用和的溫度系數(shù)更小的管子。 （2）確定輸入電壓 為了提高穩(wěn)定性，可取高一些的值，一般取。今選用題中給出的32V輸入電壓。 （3）確定限流電阻 設(shè)允許偏離規(guī)定值，則，則由公式可得可選的限流電阻。這時(shí)

14、在規(guī)定的32V輸入電壓下流經(jīng)它的電流為I=（3210）/1.514.7mA功耗約為PR=323mW 當(dāng)達(dá)時(shí)，功耗將達(dá)423mW。 因此為安全計(jì)，可選用功耗為1W、阻值為的電阻。【例10-5】串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖所示。已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，負(fù)載。 (1) 標(biāo)出運(yùn)算放大器A的同相和反相輸入端。 (2) 試求輸出電壓的調(diào)整范圍。 (3) 為了使調(diào)整管的，試求輸入電壓的值?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路?！窘忸}思路】 (1) 運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端的連接要保證電路引入電壓負(fù)反饋。 (2) 根據(jù)確定輸出電壓的調(diào)整范圍。 (3) 由，并考慮到電網(wǎng)電壓有波動(dòng)，確定輸入電壓的值。【解題過(guò)程】 (1) 由于串

15、聯(lián)型穩(wěn)壓電路實(shí)際上是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，取樣網(wǎng)絡(luò)（反饋網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)接到運(yùn)放的反相輸入端，基準(zhǔn)電壓應(yīng)接到運(yùn)放的同相輸入端。所以，運(yùn)放A的上端為反相輸入端（），下端為同相端（+）。 (2) 根據(jù)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理，由圖可知式中，為可變電阻滑動(dòng)觸頭以下部分的電阻，。當(dāng)時(shí)，最小當(dāng)時(shí)，最大因此，輸出電壓的可調(diào)范圍為。（3）由于 當(dāng)時(shí)，為保證，輸入電壓若考慮到電網(wǎng)電壓有波動(dòng)時(shí)，也能保證，那么，實(shí)際應(yīng)用中，輸入電壓應(yīng)取。【常見(jiàn)的錯(cuò)誤】 容易忽視電網(wǎng)電壓有波動(dòng)。【例10-6】圖為運(yùn)算放大器組成的穩(wěn)壓電路，圖中輸入直流電壓UI=30V，調(diào)整管T的b=25，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益為100dB、輸出

16、電阻為100、輸入電阻為2M，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5.4V，穩(wěn)壓電路的輸出電壓近似等于9V。在穩(wěn)壓電路工作正常的情況下，試問(wèn)： （1）調(diào)整管T的功耗PT和運(yùn)算放大器的輸出電流等于多少？ （2）從電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路詳細(xì)分析計(jì)算的角度看，該穩(wěn)壓電路的輸出電壓能否真正等于9V，無(wú)一點(diǎn)誤差，如不能，輸出電壓的精確值等于多少？ （3）在調(diào)整管的集電極和基極之間加一只5.1k的電阻R4（如圖中虛線所示），再求運(yùn)算放大器的輸出電流； （4）說(shuō)明引入電阻R4的優(yōu)點(diǎn)?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，負(fù)反饋?！窘忸}思路】 （1）調(diào)整管的功耗，運(yùn)算放大器的輸出電流。 （2）根據(jù)，可得輸出電壓的精確值。 （3）運(yùn)算放

17、大器的輸出電流。 （4）考慮引入電阻R4后，對(duì)運(yùn)放的輸出電流、功耗的影響，以及對(duì)穩(wěn)壓電路輸出電壓調(diào)整能力的影響等問(wèn)題進(jìn)行討論?！窘忸}過(guò)程】 （1）調(diào)整管功耗運(yùn)算放大器的輸出電流IAO即為調(diào)整管的基極電流IB（2）由于本電路中運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)是有限值，所以UO只能近似等于9V。按負(fù)反饋電路增益計(jì)算方法可得閉環(huán)增益（3）增加電阻R4后，流過(guò)R4的電流為運(yùn)放的輸出電流為（4）R4接入后減小了運(yùn)放A的輸出電流，從而降低運(yùn)放的功率損耗。但是運(yùn)放A對(duì)調(diào)整管的基極電流的控制作用則有所削弱?！纠?0-7】某串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路如圖所示，圖中輸入直流電壓UI=24V，調(diào)整管T1和誤差放大管T2的UBE均等與0.

18、7V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ等于5.3V，負(fù)載電流等于100mA。試問(wèn)： （1）輸出電壓UO的最大值和最小值各等于多少伏？ （2）當(dāng)C1的電容量足夠大時(shí)，變壓器副邊電壓U2等于多少伏？ （3）當(dāng)電位器RW的滑動(dòng)端處于什么位置（上端或下端）時(shí)，調(diào)整管T1的功耗最大？調(diào)整管T1的極限參數(shù)PCM至少應(yīng)選多大（應(yīng)考慮電網(wǎng)有10%的波動(dòng)）？【相關(guān)知識(shí)】 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路。【解題思路】 （1）由，可求得輸出電壓的最大值和最小值。 （2）由關(guān)系，確定變壓器副邊電壓的大小。 （3）調(diào)整管T1的極限參數(shù)。【解題過(guò)程】 （1）圖中，晶體管T2的基極電位故 輸出電壓的最大值與最小值分別為（2） （3）T1的最大功耗

19、出現(xiàn)在RW的最上端考慮電源10波動(dòng)時(shí)，【例10-8】圖示電路為W117組成的輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源。 已知W117的輸出電壓UREF1.25 V，輸出電流IO允許的范圍為10 mA1.5 A，輸入端和輸出端之間的電壓U12允許的范圍為340 V，調(diào)整端3的電流可忽略不計(jì)?；卮鹣铝袉?wèn)題： （1）R1的上限值為多少？ （2）輸出電壓UO的最小值為多少？ （3）若R1100 ，要想使輸出電壓的最大值為30 V，則R2應(yīng)為多少？ （4）輸出電壓的最大值能夠達(dá)到50 V嗎？簡(jiǎn)述理由。【相關(guān)知識(shí)】 W117的基本用法及參數(shù)的選擇方法。【解題思路】 （1）為使W117正常工作，任何情況下都必須保證IO10

20、mA。負(fù)載開(kāi)路時(shí)IO最小，此時(shí)R1的取值必須保證IO10 mA。 （2）當(dāng)R2調(diào)節(jié)到最小時(shí)，輸出電壓達(dá)到最小值。 （3）根據(jù)UO 與R1、R2之間的關(guān)系求解R2的值。 （4）輸出電壓變化范圍受到U12變化范圍的限制?！窘忸}過(guò)程】 （1）考慮到電路可能開(kāi)路， （2）輸出電壓的最小值UOmin=UREF1.25 V。 （3）輸出電壓 代入數(shù)據(jù)可得 （4）輸出電壓的最大值不能夠達(dá)到50 V。因?yàn)殡娐份敵鲭妷旱淖钚≈禐?.25 V，若調(diào)到最大值為50 V，W117的U12的變化范圍為（501.25）V超過(guò)其允許的參數(shù)（403）V，說(shuō)明將在輸出電壓較低時(shí)1、2間電壓將超過(guò)其耐壓值。【方法總結(jié)】 W117

21、是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，1、2相當(dāng)于調(diào)整管的集電極和發(fā)射極。IO為10 mA1.5 A，說(shuō)明W117輸出電流大于10 mA才能穩(wěn)壓，小于1.5 A才不至于損壞；U12為340 V，說(shuō)明U12大于3 V調(diào)整管才工作在放大區(qū)，U12大于40 V，調(diào)整管將被擊穿。【例10-9】圖中畫(huà)出了兩個(gè)用三端集成穩(wěn)壓器組成的電路，已知靜態(tài)電流IQ=2mA。 （1）寫出圖（a）中電流IO的表達(dá)式，并算出其具體數(shù)值； （2）寫出圖（b）中電壓UO的表達(dá)式，并算出當(dāng)R2=0.51k時(shí)的具體數(shù)值； （3）說(shuō)明這兩個(gè)電路分別具有什么功能？ 圖(a) 圖(b)【相關(guān)知識(shí)】 三端集成穩(wěn)壓器?！窘忸}思路】 (4) 寫出圖(a)電路輸出電流與穩(wěn)壓器輸出電壓的表達(dá)式。 (5)寫出圖(b)電路輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的表達(dá)式。 (6)由表達(dá)式分析各電路的功能?！窘忸}過(guò)程】 （1） （2） （3）圖（a）所示電路具有恒流特性，圖（b）所示的電路具有恒壓特性。