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1、Ch7直流稳压电源直流稳压电源电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术第第7 7章章直流稳压电源直流稳压电源第第7章章 直流稳压电源直流稳压电源7.1 整流电路整流电路7.2 滤波电路滤波电路7.3 稳压电路稳压电路7.4 开关式稳压电路开关式稳压电路3-37.1整流电路整流电路3-47.1.1单相半波整流电路1.电路结构 单相半波整流电路如图7-1(a)所示。图中Tr为电源变压器，它将交流电网电压u1变成整流电路要求的交流电压u2，D是二极管，RL是要求直流供电的负载电阻。2.工作原理二极管D的偏置电压为u2，因此，在u2正半周，二极管D正偏而处于导通状态，忽略导通压降，负载电阻RL两端电压uo
2、=u2；在u2负半周，二极管D反偏而处于截止状态,负载电阻RL上无电压、无电流。u2、io、uo和uD的波形如图7-1(b)所示。3.参数计算参数计算 （1）整流电压平均值）整流电压平均值Uo =0.45U2 （2）整流电流平均值）整流电流平均值Io =Uo/RL （3）流过每管电流平均值）流过每管电流平均值 ID=IO（4）每管承受的最高反向电压）每管承受的最高反向电压UDRM=1.414U2（5）变压器副边电流有效值）变压器副边电流有效值 I2=1.57IO4.整流二极管的选择 按IOM ID 及URWM UDRM 条件通过查如表7-1那样的二极管型号、参数表进行选择。7.1.2 单相桥式
3、整流电路单相桥式整流电路 1.电路结构如图7-2(a)所示。其结构特征是：二极管D1、 D2共阴极接法的阴极接负载电阻RL两端电压uo的“+”端；二极管D3、 D4共阳极接法的阳极接负载电阻RL两端电压uo的“-”端；而从共阴极接法二极管的阳极与共阳接法二极管的共阴的相连处引出的两根导线连接变压器的二次侧电压u2的+、-端。图7-2(b)是它的简化画法。2.工作原理在u2 的正半周，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止，电流为i1，如图中实线所示。在u2 的负半周，二极管 D2、 D4 导通， D1、D3 截止，电流为i2，如图中虚线所示，通过负载电阻的i1和i2方向相同。u2、io、u
4、o和uD的波形如图7-2（c）所示。3.参数计算参数计算 （1）整流电压平均值）整流电压平均值Uo =0.9U2 （2）整流电流平均值）整流电流平均值Io =Uo/RL （3）流过每管电流平均值）流过每管电流平均值 ID=0.5IO（4）每管承受的最高反向电压）每管承受的最高反向电压UDRM=1.414U2（5）变压器副边电流有效值）变压器副边电流有效值 I2=1.11IO4.整流二极管的选择按IOMID及URWMUDRM条件，通过查如表7-1那样的二极管型号、参数表进行选择。5.桥式整流电路的优点优点是优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大
5、反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都电反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，在半导体整流电路中得到广泛的应用。市场上已因此，在半导体整流电路中得到广泛的应用。市场上已有整流桥堆出售，如有整流桥堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中等，其中QL62AL额定电流为额定电流为2A，最大反向电压，最大反向电压251000V。例例7-1单相桥式整流电路，已知交流电网电压为单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220V，负载电阻负载电阻RL=50，负载电压，负载电压Uo=10
6、0V，试求变压器的变比，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。和容量，并选择二极管。解：U2=Uo/0.9=100/0.9=111.1(V) Io=Uo/RL=100/50=2(A) I2=1.11Io=2.22(A)变压器的变比k和容量S分别为k=U1/U2=220/(100/0.9)=1.98S=I2U2=2.22100/0.9=247(VA)UDRM=1.414U2=1.414111.1=157.1(V) ID=0.5Io=0.52=1(A)选择二极管时应满足IOMID=1A及URWMUDRM=157.12V，查表7-1，可选用IOM=3A、URWM=200V的2CZ56D二极管四只。7
7、.2 滤波电路滤波电路电容滤波电路电容滤波电路1.单相半波整流、电容滤波电路(1)电路结构电路如图7-3(a)所示，在单相半波整流电路的负载电阻RL两端并联电容器C而构成。(2)工作原理如果负载RL断开，当u 2 uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC增加至u2峰值，然后因为电容无放电回路导致u2uC时二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC增加，uo=uC；在u2(1.52)ID及URWMUDRM条件通过查如表7-1那样的二极管型号、参数表进行选择。(5)滤波电容的选择滤波电容的选择主要是确定电容器的容量C及电容器的耐压值1)电容器的容量满足C(35
8、)T/2/RL2)电容器的耐压值1.414U22.单相桥式整流、电容滤波电路(1)电路结构单相桥式整流电路的负载电阻RL两端并联电容器C就是单相桥式整流、电容滤波电路，如图7-4(a)所示。(2)工作原理当u2uC时二极管截止，C经RL放电，放电时间常数d=RLC较大，uC按指数规律慢慢下降。uo= uC如图7-4(b)的ab段所示。同时u2按正弦上升。当u2uC时D1、D3导通，u2经D1、D3向负载RL提供电流，又向C充电,充电时间常数c=(RL/Rint)CRintC很小,uC升高如图7-4(b)bc段，bc段上的阴影部分为整流电路内阻Rint上的压降。uC随u2升高到1.414u2的附
9、近，然后u2又按正弦下降。当u2uC时二极管截止，C又经RL放电，uC下降，uC中的cd段。C如此周而复始地充放电，负载上得到近似锯齿波的电压uo=uC，使电压波动减小。u2、uo、uC，电流io和纹波电压ur波形如图7-4(b)。(3)参数计算1)二极管承受的最高反向电压UDRM=1.414U22)输出电压平均值Uo输出电压的平均值Uo与放电时间常数RLC有关。一般取RLC(35)T/2，(T是电源电压的周期)，输出电压平均值Uo近似估算为Uo=1.2U2 3)输出电流平均值Io=Uo/RL4)二极管电流平均值ID=0.5Io5)变压器副边电流有效值I2为 (4)整流二极管的选择按IOM (
10、1.52)ID及URWMUDRM通过查如表7-1那样的二极管型号、参数表进行选择。oDDIIII)25 . 1 ()43(257. 1)2.15(2（5）滤波电容的选择1）滤波电容的选择主要是确定电容器的容量C及电容器的耐压值电容器的容量C满足C(35)T/2/RL2）电容器的耐压值要1.414U2例例7-2单相桥式整流，电容滤波电路如图7-4所示。已知交流电源电压为220V，交流电源频率=50Hz，要求直流电压Uo=30V，负载电流Io =50mA。(1)试求电源变压器二次电压u2的有效值；(2)选择整流二极管；(3)滤波电容器。解：(1)由式Uo=1.2U2，则U2=Uo/1.2=30/1
11、.2V=25(V)(2)流经二极管的平均电流ID=0.5Io=0.550=25mA二极管承受的最大反向电压UDRM=1.414U2=1.41425=35(V)根据IOM(1.52)ID=(1.52)25=37.550(mA)及URWMUDRM=35V条件查如表7-1可选用四只2CZ51B整流二极管(其允许最大整流电流IOM=50mA，最高反向工作电压URWM=50V)。(3)负载电阻RL=Uo/Io=30/50=0.6k取RLC=2T=2(1/50)=0.04(s)。由此得滤波电容C=0.04(s)/RL=(0.04/600)F=66.7F电容器承受的最高电压=1.414U2=1.41425=
12、35V电容器的耐压值35V。因此，可选用标称值为100F/50V的电解电容器。3.电容滤波电路特点由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点:(1)二极管的导电角IOmax (负载最大电流)，调整管承受的最大电压UCEmax=UImax-UOmin，故要求U(BR)CEOUImax-UOmin。当调整管T通过的电流和承受的电压分别是最大值ICmax、UCEmax时，管子损耗最大，PTCmax=ICmaxUCEmax，即要求PCMICmax(UImax-Uomim），实际选用时，一般考虑一定的余量，同时还应按手册上的规定采取散热措施。三端集成稳压器三端集成稳压器最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公
13、共引出端，故称之为三端集成稳压器。三端集成稳压器按照它们的性能和不同用途，可以分成两大类，一类是固定输出正电压（或负电压）三端集成稳压器W7800（W7900）系列，另一类是可调输出正电压（或负电压）三端集成稳压器W317（W337）系列。前者的输出电压是固定不变的，后者可在外电路上对输出电压进行连续调节。本节主要讨论的是W7800（W7900）系列稳压器的使用。图7-11是W7800系列稳压器的外形与引脚。三个引脚的排列和功能，对不同型号的产品或不同厂家产品可能不相同，使用时要看说明书1.三端固定集成稳压器的分类三端固定集成稳压器的分为正电压输出的78系列，负电压输出的79系列。其中表示固定
14、电压输出的数值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79系列也与之对应，只不过是负电压输出。这类稳压器的最大输出电流为1.5A，塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)；金属壳封装(TO-3)外形，最大功耗为20W(加散热器)2.内部结构和电路符号内部由启动电路、基准电压、取样电路、比较(误差)放大电路、调整电路及保护电路组成。启动电路作用是给电路中的恒流源提供基极电流。保护电路分为减流式保护电路和过热式保护电路。前者作用主要是使调整管能在安全工作区以内工作，后者作用
15、是当过载或环境温度上升使芯片温度上升到某一极限时电路能够自动使输出电流下降，从而达到过热式保护的目的。内部结构和电路符号如图7-12所示。3.性能特点（7800、7900系列）（1)输出电流超过1.5A（加散热器）；（2)不需要外接元件；（3)内部有过热保护、过流保护；（5)调整管设有安全工作区保护；（6)输出电压容差为4%。4.主要参数（1)电压调整率SU SU为0.0050.02%（2)电流调整率SI SI为0.11.0%（3)输出电压UO 7800、7900系列输出电压（绝对值）有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V七种。（4)最大输出电流IOM W7800、W317系列的最
16、大输出电流为1.5A。（5)最小输入、输出电压差(UI -UO) min 要求输入电压UI与输出电压UO的差值应大于3V。一般取UI-UO为37V。（6)最大输入电压UIM厂家对每种型号的稳压器都规定了最大输入电压值，例如W7815的最大输入电压为35V。（7)最大功耗PM=(UIM-UO)IOM7800、7900系列稳压器，塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)；金属壳封装(TO-3)外形，最大功耗为20W(加散热器)。5.三端固定输出集成稳压器的应用（1）输出为固定电压电路如图电路如图7-137-13所示。图中所示。图中Ci用用来抵消输入端接线较长时的电来抵消输入端接线较长时
17、的电感效应，防止产生自激振荡，感效应，防止产生自激振荡，一般一般Ci=0.11F，如，如0.33F；Co为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善的波动。即用来改善负载的瞬态响应，一负载的瞬态响应，一般般Co=1F。(2)同时输出正、负电压的电路 同时输出正、负电压的电路如图7-14,图中U23=+15VU21=-15V(3)提高输出电压的电路 提高输出电压的电路如图7-15所示。图中UO=U23+UZ=UXX+UZ，其中UXX为W78XX固定输出电压。(4)输出电压可调的电路 输出电压可调的电路如图7-16所示。因为U-=U
18、+，所以211433RRURRRUROXXXXOXXOURRRRRUURRRRRRU)1 (12433121433可见，用可调电阻来调整R1与R2的比值，便可调节输出电压U2的大小。(5)扩大输出电流的电路扩大输出电流的电路如图7-17所示。二极管D以抵消T管UBE压降而设置。忽略IR，则扩大的输出电流为IL近似是原输出电流IO的倍。图7-17扩大输出电流的电路图7-18连接成恒流源电路(6)连接成恒流源电路 连接成恒流源的电路如图7-18所示。一般图I3很小，可忽略不计，则RUIXXL可见，它是与负载电阻RL无关的恒定电流。7.3.4恒压源由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源1.反相输入
19、恒压源反相输入恒压源如图7-19所示，输出电压为图7-19反相输入恒压源ZFO1URRU2.同相输入恒压源同相输入恒压源如图7-20所示，输出电压为 图7-20反相输入恒压源ZFO)1 (1URRU显然，不论是反相输入恒压源或者是同相输入恒压源，改变 RF 即可调节输出电压。7.4 开关式稳压电路开关式稳压电路开关式稳压电路的特点和分类开关式稳压电路的特点和分类开关式稳压电源将来自整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压，然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，因此开关稳压电源又称为DC/DC变换器（或称为直流/直流变换器）。按照调整管与负载的连接方式可将开关稳压电路分为串联型和并联
20、型。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制（即脉宽-频率调制）型；按照调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式；按照使用开关管类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸管型。本节主要介绍BJT和MOSFET为开关管的串联（降压）型、并联（升压）型和推挽自激式变换型开关稳压电源基本组成和工作原理。开关式稳压电路的组成和工作原理开关式稳压电路的组成和工作原理1.串联（降压）型开关稳压电路串联型开关稳压电路原理框图如图7-21。它和串联反馈式稳压电路相比，主电路增加了二极管D和LC组成的高频整流滤波电路以及产生固定频率的三角波电压(uT)发生器和比较器C组成的控制电
21、路。图中U1是整流滤波电路输出电压，uB是比较器输出电压，利用uB控制调整管T，将U1变成断续的矩形波电压uE（uD）。当uAuT时，uB为高电平，T饱和导通，输入电压U1经T加到二极管D两端，电压uE等于U1（忽略T的饱和压降），此时二极管D承受反向电压而截止，负载中有电流io流过，电感L储存能量，同时向电容器C充电。输出电压uo略有增加。当uAuT时，uB为低电平，T由导通变为截止，滤波电感产生自感电势(极性如图所示)使肖特肖特基基二极管D导通，于是电感中储存的能量通过D向负载释放，使负载RL继续有电流通过，因而常称D为续流二极管。此时电压uE等于-Ud(二极管正向压降)由此可见，虽然调整
22、管处于开关工作状态，但由于二极管D的续流做和L、C的滤波作用,输出电压是比较平稳的。图7-22画出了电流iL、电压uT、uA、uB、uE（uD）和uo的波形。图中ton是调整管T的导通时间，toff是调整管T的截止时间，T=ton+toff是开关转换周期。显然，在忽略滤波电感L的直流压降的情况下U0=UD(AV)，所以输出电压的平均值为 U0 =ton(UI-UCES)/T+(-UD)toff/TtonUI/T=qUI 式中q=ton/T称为脉冲波形的占空比。可见，对于一定的U1值，在开关转换周期T（或开关频率fk）不变，通过调节占空比即可调节输出电压UI，故又称脉宽调制（PWM）式降压（U0
23、UREF，比较放大器输出电压uA为负值，uA与固定频率三角波uT相比较，得到uB的波形，其占空比q50%，使输出电压下降到预定的稳压值Uset，此时，uT、uA、uB、uE 的波形如图b所示。上述变化过程也可简述如下：同理，UI下降时， U0也下降， UF50%，使输出电压U0上升到预定值。总之，当UI或负载RL变化使U0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。2.并联并联(升压升压)型开关稳压电路型开关稳压电路并联型开关稳压电路主回路如图7-23所示,与负载并联的开关调整管T为MOSFET，电感接在输入端，LC为储能元件，D为续流二极管。图中控制电压uG为高平时，(ton期间)
24、T饱和导通，输入电压UI直接加到电感L两端， iL线性增加，电感产生反电势iL =-L(diL/dt)，电感两端电压方向为左正(+)右负(-),L储存能量，uLUI (T的UDSS0)，二极管D反偏而截止，此时电容C(电容已充电)向负载提供电流，i放=i0，并维持U0不变；当uG为低电平时(toff期间)T截止， iL不能突变。电感L产生反电势uL为左负(-)右正(+)，此时uL与UI相加，因而输入侧的电感常称升压电感，当UI+uLU0时，D导通，UI+uL给负载提供电流i0，同时又向C充电电流iC，此时iL =iC+ i0。显然，输出电压U0UI，故称为升压型开关稳压电路。T导通时间越长，L
25、储能越多，因此，当T截止时电感L向负载释放能量越多，在一定负载电流条件下，输出电压越高。在忽略滤波电感L的直流压降的情况下UI=UX(AV)，即UI=(UO+UD)toff/T=(UO+UD)(1-q)，所以输出电压的平均值为q-1q-1/IDIDoffIoUUUUTtUU图7-23并联型开关稳压电路图7-24并联型开关稳压电源电压、电流波形在控制脉冲uG作用下整个开关周期T电感电流iL连续时的uD、uDS、iL、uL和u0的波形如图7-24所示。3.推挽式自激变换型稳压电路带隔离变压器的直流变换型电源也是一种开关型稳压电源，它主要包括直流变换器和整流、滤波及稳压电路等。直流变换器通常是指将一
26、种直流电压转换为各种不同直流电压的电子设备。其电路型式很多，有单管、推挽和桥式等变换器；按三极管的激励方式不同又可分为自激式和他激式两种。自激式的振荡频率及输出电压幅度受负载影响较大，适用于小功率电源，而大功率稳压电源多采用他激式。图7-25所示推挽式变换器将直流电压变成高频方波，再经过高频变压器Tr、桥式整流、电容滤波电路和稳压电路而得到稳定的直流电压。当要求输出电压不同时，可在高频变压器Tr二次侧接几组电压uL不同的相同类型的电路。图7-25推挽式自激变换型稳压电路当接通输入电压UI后，分压器R1、R2上的电压使变换器启动。R2上正电压经Tr的Nb1、Nb2绕组同时加到T1、T2基极，由于
27、电路存在微小不对称，两管导通程度不同。假如T1导通较强，那么，它的集电极电流iC1就较大， iC1流过N1绕组就使变压器磁化并在所有绕组上产生感应电势。其中绕组Nb1感生的电势使uBE1增加因而T1导电更强；绕组Nb2感生的电势使uBE2减小因而T2导电更弱。经过一个正反馈过程，T1迅速饱和导通，而T2迅速截止。此时，几乎全部电源电压VI都加到一次绕组的两端。因此，N1中的激磁电流与变压器铁心内的磁通近似线性地增加。当铁心磁通趋近饱和值时，磁通的变化接近于零(或很小)，变压器所有绕组上的感应电势亦将接近于零。Nb1两端感应电压等于零，T1的基极电流iB1开始减小，iC1也开始减小，因而绕组上的
28、感应电动势均反极性，铁心内的磁通脱离饱和，形成一个相反的正反馈过程，使T1迅速由饱和转变为截止，而T2迅速由截止转变为饱和。以后流过N2的电流iC2近似线性地增加，使铁心反向饱和，电路再次翻转。如此周而复始，循环不已。图7-26画出了各电压、电流的波形。由图可见，直流输入电压UI变换成为矩形波电压(uCE1、uCE2及uL)。为了便于理解，图中也画出了磁通的波形，s为饱和值。直流变换器输出的矩形电压uL再经整流、滤波及稳压电路得到直流电压UO。如果忽略饱和导通晶体管的饱和压降和变压器绕组的电阻压降，则截止的晶体管两端的反向峰值电压等于电源电压UI再加上一半的一次绕组(N1或N2)感应电势。若T1导通，则T1的集电极电流iC1在变压器的每个一次绕组的感应电势为UI-UCES1。因此，截止管T2所承受的电压是UI +(UI-UCES1)2UI，即图7-25中管子截止时的UCES2。变换器输出矩形波电压uL决定于变压器的匝数比n= N1/NL。它的频率约为几千赫。在图7-25中，如果所需输出电压较高，电流较小，可采用倍压整流电路，有时也不再接稳压电路。图7-26变换器各部分电压、电流、磁通的波形