第十九章 直流穩(wěn)壓電源 返回 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電工學(xué)教研室 19.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 19.5 集成穩(wěn)壓電源 19.3 濾波電路 19.2 整流電路 19.4 穩(wěn)壓電路 返回 目 錄 直流穩(wěn)壓電源的作用 從交流電源變換成平滑而穩(wěn)定的直流電。 直流穩(wěn)壓電源廣泛應(yīng)用于 1. 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 2. 國防軍事中 3. 科學(xué)實驗中 4. 日常生活中 返回 19.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 一 . 組成 直流穩(wěn)壓電源由 變壓器 、 整流電路 、 濾波電路 和 穩(wěn)壓電路 四 部分構(gòu)成。 變 壓 電 路 整 流 電 路 濾 波 電 路 穩(wěn) 壓 電 路1uto 交 流 電 網(wǎng) 電 壓 t2uo toFu 直 流 負(fù) 載to Ru tooU 返回 電源變壓器 : 將交流電網(wǎng)電壓 u1變?yōu)楹线m的交流 電壓 u2。 整流電路 : 將交流電壓 u2變?yōu)槊}動的直流電壓 uR。 濾波電路 : 將脈動直流電壓 uR轉(zhuǎn) 變?yōu)檩^平滑的直 流電壓 uF。 穩(wěn) 壓電路 : 清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響 ,保持 輸出直流電壓 U0的穩(wěn)定。 19.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 二 . 功能 返回 以下主要介紹小功率電源中常用的前三種電路。 19.2 單相整流電路 整流電路的任務(wù) 利用半導(dǎo)體單向?qū)щ娫呀涣麟妷恨D(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直 流電壓。 整流電路的種類 整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流；三相 半波、三相橋式全波整流等多種電路。 為分析簡單起見，我們 把二極管當(dāng)作 理想元件 處理 ， 即 二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大 。 返回 19.2.1 單相半波整流電路的工作原理 2u1u T D ouoii LR b a 電路組成 1uto t2uo toou 當(dāng) u20 時， 二極管導(dǎo)通。 如果 忽略二極管正向壓降 ， 則 ： uo=u2 導(dǎo)通 iD=io=uo/RL 返回 19.2.1 單相半波整流電路的工作原理 2u1u T D ouoii LR b a 電路組成 t2uo to ou1uto 當(dāng) u20 時， 二極管 D1、 D3 導(dǎo)通。 返回 2u1uT D 4 ou oiDi LR b a D 1 D 3 D 2to2u toou 單相橋式全波整流電路工作原理 當(dāng) u20, D1導(dǎo)通，D2截止； 輸出 uo為全波整流波形。 當(dāng) u20, D2導(dǎo)通，D1截止。 返回 2 o 2 2 2 0 122 s i n d 0 . 9 2 U U t t U U 單相全波整流電路輸出電壓波形 單相全波整流電路輸出電壓平均值 單相全波整流電路輸出電流平均值 2 o L 0.45 UI R 返回 D 2 o L 1 0 .4 5 2 UII R 單相全波整流電路 二極管上承受的最高反向 電壓： D R M 222UU 單相全波整流電路中二極管的平均電流和 輸出電流： 2u1u T D 1 ouoi Di LR b a D 2 2 返回 思考： 單相橋式全波整流 與 單相全波整流 異同 單相橋式 全波整流 單相全波 整流 變 壓器 二極管反向電壓 輸出電壓波形 整流元件數(shù)量 二極管平均電流 輸出電壓平均值 無中心 抽頭 4 全波 有中心抽頭 2 22U 222U O 1 2I O 1 2I 20.9U 20.9U 全波 ？ 實際中單相橋式整流應(yīng)用較多。 返回 單相橋式整流電路中的整流電橋可由四 個整流二極管組成，也可直接用集成的 整流 橋塊 代替。 整流橋塊 二極管橋 選擇整流元件的主要指標(biāo)： 1. 平均整流電流 2. 反向耐壓 返回 整流橋?qū)嵨?照片 返回 2u1uT D 4 ouLR D 1 D 3 D 2 2u1u T ouLR 返回 19.3 濾波電路 濾波的基本概念 : 交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直 流 ， 其中既有直流成分又有交流成份 。 濾波電路 就是利用儲能元件 電容 兩端的電壓 (或通過 電感 中 的電流 )不能突變的特性 , 將 電容 與負(fù)載 RL并聯(lián) (或 將 電感 與負(fù)載 RL串聯(lián) )， 濾掉整流電路輸出電壓中 的交流成份 ， 保留其直流成份 ， 達(dá)到平滑輸出電 壓波形的目的 。 這一過程稱為 濾波 。 返回 19.3.1 電容濾波電路 一、濾波電路 1. 單相半波整流電容濾波電路 2u1u T D ouoii LR b a C + 返回 2. 單相橋式整流電容濾波電路 2u1u T D 4 ouLR D 1 D 3 D 2 C 一、濾波電路 返回 半波整流濾波電路（ C=100UF）波形圖 整流二極管中 的電流 濾波輸出電壓 返回 半波整流濾波電路（ C=470UF）波形圖 整流二極管中的 沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 半波整流濾波電路（ C=1000UF）波形圖 二極管沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 半波整流濾波電路（ C=3300UF）波形圖 二極管沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 半波整流濾波電路（ C=6800UF）波形圖 二極管沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 全波整流濾波電路（ C=100UF）波形圖 輸出電壓 二極管沖擊電流 返回 全波整流濾波電路（ C=470UF）波形圖 二極管沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 全波整流濾波電路（ C=1000UF）波形圖 二極管沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 全波整流濾波電路（ C=3300UF）波形圖 濾波輸出電壓 整流二極管中 的沖擊電流 返回 全波整流濾波電路（ C=6800UF）波形圖 整流二極管中 的沖擊電流 濾波輸出電壓 返回 一般取 L ( 3 5 ) 2TRC (T為電源電壓的周期 ) 近似估算 : U0=1.2U2 (2) 流過二極管瞬時電流很大 RLC越大 U0越高 ,負(fù)載電流的平均值越大 整流管導(dǎo) 電時間越短 iD的峰值電流越大。 一般選管時，取 00 DF L 1( 2 3 ) ( 2 3 ) 22 IUI R 二、 電容濾波電路的特點(diǎn) (1) 輸出電壓 U0與時間常數(shù) RLC有關(guān) RLC愈大 電容器放電愈慢 U0(平均值 )愈大。 返回 輸出波形隨負(fù)載電阻 RL或 C的變化而改變 ,U0和 S也隨 之改變。 如 :RL愈小 (Io越大 ),Uo下降多 , S增大。 (3) 輸出特性 (外特性 ): 1.4U2 0.9U2 Uo 0 Io 電阻負(fù)載 有電容 濾波 電阻負(fù)載 無電容 濾波 返回 結(jié)論 （ 1） 并聯(lián)電容濾波后，輸出電壓直流成份（即輸出電壓 平均值）提高了；脈動成份降低了（即輸出波形平滑）。 通過以上半波、全波整流電容濾波電路 的波形圖和分析可以看出： （ 3） 輸出電壓隨輸出電流（負(fù)載電流）增大而下降較快， 輸出特性較軟。 （ 4）濾波電容愈大，濾波效果愈好，但整流二極管的導(dǎo) 通時間愈短，其中的電流沖擊也愈大。 （ 2） 電容放電時間常數(shù) RLC愈大，放電愈慢， 輸出電壓 愈 高，脈動愈小，濾波效果愈好。 電容濾波電路適用于輸出電壓較高 ,負(fù)載電流 較小且負(fù)載變動不大的場合。 返回 19.3.2 電感濾波 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感 L 就構(gòu)成了電感 濾波電路。 一、電感濾波電路結(jié)構(gòu) 2u1u T ou LR L 返回 二、電感濾波原理 對直流分量 (f=0): XL=0 ,L相當(dāng)于短路 ,電壓大部分降在 RL 上。 U0=0.9U2 當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為： 對諧波分量 : f 越高 ,XL越大 ,電壓大部分降在 XL上 。 因 此 ,在輸出端得到比較平滑的直流電壓 。 三、電感濾波的特點(diǎn) 整流管導(dǎo)電角較大 ,峰值電流很小 ,輸出特性比較平坦 , 適用于低電壓大電流 (RL較小 )的場合 。 缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重 , 體積大 ,易引起電磁干擾 。 返回 19.3.3 LC型 、 型 濾波 為了進(jìn)一步改善濾波特性 ， 可采取多級濾波的辦法 , 如 在電容濾波后再接一級 RC濾波電路 ， 或在電感濾波后面再接 一電容 。 從而構(gòu)成 LC型或 RC- 、 LC-型濾波電路 ， 其性能 及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似 。 L-C 型濾波 電路結(jié)構(gòu) 2u1u T ou LR + CL 返回 RC- 型濾波 電路結(jié)構(gòu) 2u1u T ou LR + + R1C 2C RC- 型濾波 電路特點(diǎn) R愈大， C2愈大，濾波效果愈好。但 R太大，將使直 流壓降增加。 主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很 小的場合。 返回 LC- 型濾波 電路結(jié)構(gòu) 2u1u T ou LR + + 1C 2C L LC- 型濾波 電路特點(diǎn) 濾波效果比 LC濾波器更好，但整流二極管中的沖 擊電流較大。 電感線圈體積大而笨重、成本高。 返回 19.4 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓電路 開關(guān)型 穩(wěn)壓電路 線性 穩(wěn)壓電路 常用穩(wěn)壓電路 (小功率設(shè)備 ) 在小功率設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電路有 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 、 線性穩(wěn)壓電路 和 開關(guān)型穩(wěn)壓電路 等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作 為電源使用。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高，目前用的也比較 多，但因?qū)W時有限，這里不做介紹。以下主要討論線性穩(wěn) 壓電路。 返回 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo) 1、穩(wěn)壓系數(shù) S 穩(wěn)壓系數(shù) S用來 反映電網(wǎng)電壓波動對穩(wěn)壓電路的影響 。 定義為當(dāng) 負(fù)載固定時 ， 輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比 。 0I 0I S UUUU 2、輸出電阻 Ro 輸出電阻 Ro用來 反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響 。 定義為當(dāng)輸 入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比 。 它實際上就是 電源戴維南等效電路的內(nèi)阻 。 穩(wěn)壓電路的主要作用 為負(fù)載提供不隨電源電壓波動和負(fù)載波動影響的穩(wěn) 定的輸出電壓。 o o o Ui UR I 常數(shù) 返回 19.4.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 一、電路結(jié)構(gòu) 2u1u T LRZIRI RU OUoICR ZDiU ZU 返回 二、工作原理 在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)，電流變化較大時，穩(wěn)壓管兩端電壓變化較小。 1. 電網(wǎng)電壓波動 1 2 o Z R R ou u U I I U U 2. 負(fù)載波動 L o R R o Z R oR I I U U I U U 通過調(diào)節(jié) R上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓 Uo的目的。 2u1u T LR ZIRI RU OU oI C R ZD iU ZU 返回 三、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，元件少。 缺點(diǎn)：穩(wěn)壓效果不太好，輸出電壓不可調(diào)。 四、穩(wěn)壓管選擇辦法 ZoUU OZ m a x m a x1 . 5 3II io23UU 五、限流電阻 R 的選擇原則 im a x Z Z m in Z m a x UU IIR 2. 返回 19.4.2 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由四個主要部分組成： 1、 基準(zhǔn)電壓環(huán)節(jié) 2、 比較放大環(huán)節(jié) 3、 取樣環(huán)節(jié) 4、 調(diào)整環(huán)節(jié) 一、電路結(jié)構(gòu)的一般形式 比 較 放 大 電 壓 調(diào) 整 電 壓 取 樣 基 準(zhǔn) 電 壓 LR1R2R oUiU R EFU fU PRT BU 返回 調(diào)整元件 T與負(fù)載串聯(lián) ， 通過全部負(fù)載電流 。 比較放 大器 可以是單管放大電路或集成運(yùn)算放大器 。 調(diào)整元件 可 以是單個功率管 ， 復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián) 。 基準(zhǔn)電壓 可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成 。 取樣電路 取出輸出電壓 UO的一 部分和基準(zhǔn)電壓相比較 。 因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式 ， 為深度串聯(lián)電 壓負(fù)反饋 ， 故稱之為 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 。 比 較 放 大 電 壓 調(diào) 整 電 壓 取 樣 基 準(zhǔn) 電 壓 LR1R2R oUiU REFUfU PRT BU 二、電路的組成 返回 一、一種實際的晶體管串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源 二 、穩(wěn)壓原理 Uo Uf UBE2=（ Uf -UZ） UC2 Uo 當(dāng) Ui增加或輸出電流減小使 Uo升高時： PR1R2R LRZD ZU fUCE1UCE 2U 1T 3R4R 2T oUP1P2iU 返回 三 、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍 22 1 2 P 1 2 P O Z B E 2 Z P 2 P 2 1 2 P O m a x Z B E 2 2 1 2 P O m in Z B E 2 P2 R R R R R R R U U U U R R R R R R R U U U R R R R U U U R 4、調(diào)整管 rce愈大越好 (rce小則 Ui引起的 Uo大 )。 四 、影響穩(wěn)壓特性的主要因素 1、比較放大部分的 AV和電壓反饋系數(shù) F 愈大越好； 2、基準(zhǔn)電壓愈穩(wěn)定越好； 3、放大部分的電源愈穩(wěn)定越好； 調(diào)節(jié) RP可改變 Uo達(dá)到 調(diào)壓的目的。 穩(wěn)壓實質(zhì)：通過負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定。 返回 在運(yùn)放理想條件下 (AV= ri= )： 1 P 1 o R R 2 P 2 +1( 1 ) + RRU U U R R F 五、選用增益高的集成運(yùn)放作為放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓 電源 PR 1R 2R LRRU fU CEUTR oUP1P2iU 返回 六、存在的缺點(diǎn) 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源外圍元件較多；另 外，調(diào)整管工作在線性放大區(qū) ,當(dāng)負(fù)載電流 較大時，其損耗 (P=UCEIo)大；電源的效率 為 ( =Po/Pi=UoIo/UiIi)較低。 為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。 返回 19.5 集成穩(wěn)壓電源 19.5.1 集成穩(wěn)壓電源簡介 三端集成穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi) ， 電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié) 。 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展 ,現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的 單片集成穩(wěn)壓電源 ， 具有體積小 ,可靠性高 ,使用靈活 , 價格低廉等優(yōu)點(diǎn) 。 最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入 ， 輸 出和公共引出端 ,故稱之為 三端集成穩(wěn)壓器 。 本節(jié)主要介紹常用的 7800、 7900系列 固定輸出式 三 端集成穩(wěn)壓器組件及其應(yīng)用 ， 其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管 穩(wěn)壓電路 。 根據(jù)輸出端電壓是否可調(diào)可分為 固定輸出式 和 可變輸 出式 兩類。 返回 分類 正穩(wěn)壓 7800系列 負(fù)穩(wěn)壓 37系列 正穩(wěn)壓 17系列 負(fù)穩(wěn)壓 7900系列 三端集成穩(wěn)壓器 固定式 可調(diào)式 注意： 7800/7900系列型號后兩位數(shù)字 XX 代表輸出電壓值。 返回 三端集成穩(wěn)壓器實物照片 返回 三端集成穩(wěn)壓器管腳排列 78系列輸出 正 電壓 79系列 輸出 負(fù) 電壓 1 3 2 78 1 3 2 797805 5V 7806 6V 7808 8V 7809 9V 7810 10V 7812 12V 7815 15V 7818 18V 7824 24V 7905 5V 7906 6V 7908 8V 7909 9V 7910 10V 7912 12V 7915 15V 7918 18V 7924 24V 輸 入 輸 出 公 共 端 輸 入 輸 出 公 共 端 返回 一、輸出為固定正電壓的電路 19.5.2 應(yīng)用電路 輸出為固定正壓時 7800系列穩(wěn)壓器的基本接線圖 如圖所示。 注意：輸入與輸出端之間的電壓差不得低于 3V！ 7 8 X XiU iC oC1 2 3 oU 0.1 1 F1F+ + - - 返回 二 、輸出正、負(fù)電壓的電路 7 8 X XiC oC1 2 3 oU1F + + - -iC oC 1 2 3 oU0 .3 3 F1F+ + - - 2uT 2u1u 79X X 0 .3 3 F 返回 UXX: 為 78XX固定輸出電壓 ，則 Uo=UXX+UZ 三 、提高輸出電壓的電路 7 8 X XiU iC oC 1 2 3 RXXU ZU ZD oU 返回 運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器使用 , 它的電源借助于穩(wěn)壓 器的輸入直流電壓。由于運(yùn)放的輸入阻抗很高 ,輸出阻抗很 低，可以克服穩(wěn)壓器輸出電流變化的影響。 四、 輸出電壓可調(diào)式電路 用三端穩(wěn)壓器也可以實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，下圖是用 7805 組成的 7 30V可調(diào)式穩(wěn)壓電源。 7805iU iC oC 1 2 3 2R oU0 .3 3 F1F33 V 110 K 返回 2 O X X 1 ( 1 ) R UU R (式中， UXX=5V) 穩(wěn)壓電路輸出 Uo可用下式表示 : 通過調(diào)節(jié)電位器滑動端可以得到不同的輸 出電壓。 返回 結(jié) 束 第 19 章 返回