2/6/20236:28:03AM第9章直流穩(wěn)壓電源2/6/20236:28:03AM本章基本要求掌握直流穩(wěn)壓電源的基本組成和工作原理，包括單相半波整流、濾波、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路；熟悉集成穩(wěn)壓器應(yīng)用等；了解開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電路及其工作原理等。2/6/20236:28:03AM9.1概述

類型類別特點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源

自耦調(diào)整式穩(wěn)壓電源機(jī)械調(diào)整式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，輸出波形失真小。容易燒毀，電壓調(diào)整速度慢。自耦變壓器式電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓范圍寬，價(jià)格低。穩(wěn)壓精度較低，工作壽命短。大功率補(bǔ)償式抗干擾性能較好，穩(wěn)壓精度高、響應(yīng)速度快，電路簡(jiǎn)單。輸入電流失真度大，功率因數(shù)較低；輸出電壓可能影響輸入電壓的相移。參數(shù)調(diào)整式穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。能耗較大、噪聲大、造價(jià)較高。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源(AC/AC)穩(wěn)壓性能好，控制功能較強(qiáng)。電路復(fù)雜，價(jià)格較高。直流穩(wěn)壓電源

化學(xué)電源小巧，靈活。供電能力受限，污染環(huán)境。線性電源穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高。體積大，功耗大，轉(zhuǎn)換效率低。開(kāi)關(guān)式電源AC/DC電源體積小，重量輕，效率高，穩(wěn)定可靠。紋波較大。需要配以性能良好的低通濾波器。DC/DC電源通信電源電臺(tái)電源模塊電源特種電源2/6/20236:28:03AM9.2直流穩(wěn)壓電源的基本組成及工作原理

9.2.1直流穩(wěn)壓電源的組成

1．電源變壓器Tr2．整流電路：

3．濾波電路4．穩(wěn)壓電路

2/6/20236:28:03AM9.2.2單相整流濾波電路

9.2.2.1單相半波整流濾波電路

假設(shè)變壓器二次側(cè)的電壓為

由于二極管D具有單向?qū)щ娦?，只有?dāng)它的陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)才導(dǎo)通。2/6/20236:28:03AM

負(fù)載上得到的電壓雖然是單方向的(極性一定)，但其大小仍然是變化的，這種電壓稱為單向脈動(dòng)電壓，通常用一個(gè)周期的平均值來(lái)表示它的大小。單相半波整流電壓的平均值為

(9-1)流過(guò)負(fù)載電阻電流的平均值為

(9-2)

單向半波整流電路中，二極管截止時(shí)所承受的最高反向電壓就是(9-3)2/6/20236:28:03AM9.2.2.2單相橋式整流濾波電路

1．單相橋式整流電路單相橋式整流電路如圖9-3a所示。1)電路組成2/6/20236:28:03AM2)工作原理設(shè)(a)二極管D1~D4性能理想(b)uoTru1RLiD1D4+–D1D3D2u2iD2ioab+–+–2/6/20236:28:03AM輸入電壓正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止二極管D1、D3電流二極管D1、D3電壓u2ωt022Uωt0iD1iD3,L2/2RUωt0uD1uD3,22U2/6/20236:28:03AM二極管D2、D4電流二極管D2、D4電壓輸入電壓負(fù)半周時(shí)D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU2/6/20236:28:03AM輸入電壓輸出電壓輸出電流u2ωt022Uuoωt022UL2/2RUωt0io2/6/20236:28:03AM2．橋式整流電路的性能指標(biāo)

（1）輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)的平均值(9-4)直流電流為（9-5）（2）脈動(dòng)系數(shù)S

最低次諧波幅值與輸出電壓平均值之比定義為脈動(dòng)系數(shù)

(9-6)

（3）流過(guò)二極管的正向平均電流

==(9-7)2/6/20236:28:03AM（4）二極管承受的最大反向電壓二極管在截止時(shí)管子承受的最大反向電壓(9-8)（5）輸出電壓紋波因數(shù)

Uor——輸出電壓中各次諧波電壓有效值的總和Uo——輸出電壓的平均值對(duì)于全波整流電路2/6/20236:28:03AM9.3

濾波電路

濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及有源濾波。

9.3.1電容濾波電路

2/6/20236:28:03AM1.濾波原理

(1)當(dāng)C=0(無(wú)濾波電容)時(shí)輸入電壓輸出電壓波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U輸出電壓2/6/20236:28:03AM(2)當(dāng)C≠0、RL=∞時(shí)輸出電壓波形輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U電容器的充電時(shí)間常數(shù)為2/6/20236:28:03AM(3)當(dāng)C≠0、RL≠∞時(shí)輸出電壓輸入電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U電容器的充電時(shí)間常數(shù)uo=ucu22/6/20236:28:03AM當(dāng)C充電到最高點(diǎn)時(shí)，C將通過(guò)RL開(kāi)始放電。二極管D1、D3將截止，輸入電壓π2π3π4πu2ωt022U輸出電壓πO2π3π4πωtuouc,22U2/6/20236:28:03AM電容器的放電時(shí)間常數(shù)由于2較大，放電比較緩慢。輸出電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouc,22U輸入電壓2/6/20236:28:03AM當(dāng)|u2|>uc時(shí)，C又開(kāi)始充電，直到最大值。二極管D2、D4導(dǎo)通，輸出電壓π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouc,22U輸入電壓2/6/20236:28:03AM輸出電壓波形C充電C放電D截止D導(dǎo)通輸入電壓波形電流流通角電流波形2/6/20236:28:03AM2.性能參數(shù)的工程估算

1)電容濾波電路的外特性C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.當(dāng)io一定時(shí)，C越小，Uo(AV)越小，紋波越大。b.當(dāng)C一定時(shí)，io越大,Uo(AV)越小。外特性特點(diǎn)電容濾波電路適用于負(fù)載電流比較小或負(fù)載基本不變的場(chǎng)合。2/6/20236:28:03AM2)輸出直流電壓

若≥LCR=t2)5~(3T一般取2O(AV)2.1UU?3)輸出電流平均值

2/6/20236:28:03AM4)

整流二極管的平均電流

(b)

二極管導(dǎo)通時(shí)，有沖擊電流；其特點(diǎn)：(a)

比無(wú)濾波電容時(shí)的平均電流大；二極管的平均電流放電時(shí)間常數(shù)越大，θ越小，沖擊電流越大。(c)沖擊電流與二極管的導(dǎo)通角θ(θ<)有關(guān)。(9-11)5)整流二極管的最高反向電壓2/6/20236:28:03AM表9-3幾種整流電路帶電容濾波時(shí)的特性

2/6/20236:28:03AM9.3.2電感濾波電路

忽略電感器L的電阻時(shí)，負(fù)載上輸出的平均電壓和純電阻(不加電感)負(fù)載相同，即=0.9(9-12)

2/6/20236:28:03AM9.3.3復(fù)式濾波器

2/6/20236:28:03AM9.4穩(wěn)壓電路

9.4.1并聯(lián)型穩(wěn)壓電路

2/6/20236:28:03AM9.4.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路

9.4.2.1穩(wěn)壓電源的主要指標(biāo)

（1）輸入調(diào)整率和穩(wěn)壓系數(shù)

輸入調(diào)整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是指在負(fù)載和溫度不變的條件下，輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響(9-14)工程常用穩(wěn)壓系數(shù)表示直流穩(wěn)壓電源的性能

(9-15)2/6/20236:28:03AM(2)負(fù)載調(diào)整特性

負(fù)載調(diào)整特性定義為輸出電壓的相對(duì)變化量與輸出電流變化量的比。

(9-16)(3)輸出電阻

(9-17)(4)溫度系數(shù)

(9-18)2/6/20236:28:03AM9.4.2.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成與工作原理

串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓是利用了電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓的基本原理，如圖9-10a所示。調(diào)整管2/6/20236:28:03AM如圖9-11所示是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的組成框圖。

調(diào)整環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)比較放大環(huán)節(jié)基準(zhǔn)環(huán)節(jié)1．電路組成

2/6/20236:28:03AM2．穩(wěn)壓原理iUCEuL)(R或FUOUBu????ˉLLLLLLOU圖9-11中：

是整流濾波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大器，UREF為基準(zhǔn)電壓，R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)用來(lái)反映輸出電壓的變化(取樣)。這種穩(wěn)壓電路的主回路是工作于線性狀態(tài)的調(diào)整管T與負(fù)載串聯(lián)，

故稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

2/6/20236:28:03AM3．輸出電壓在深度負(fù)反饋條件下(9-19)2/6/20236:28:03AM4．調(diào)整管參數(shù)選取原則(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U2/6/20236:28:03AM5．限流保護(hù)電路正常工作區(qū)0UOIOIOmax電路外特性保護(hù)電路R+-UoRL+–T1IB1T2IC2URUBIo比較放大環(huán)節(jié)I+–Ui2/6/20236:28:03AM(2)當(dāng)Io增大,

T2導(dǎo)通。IB1減小，限制了Io的增大。(1)當(dāng)Io較小時(shí)，UR<UBE2,T2截止，電路正常工作。限流保護(hù)電路工作原理2/6/20236:28:03AM9.5集成穩(wěn)壓器2.主要特點(diǎn)1.電路主要組成部分(1)串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電路；(2)高精度基準(zhǔn)電壓源；(3)過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)等電路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。9.5.1三端固定式集成穩(wěn)壓器

2/6/20236:28:03AM

常用三端固定集成穩(wěn)壓器是7800系列和7900系列。7800系列輸出正電壓，其輸出電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V、24V等品種。

該系列的輸出電流分5檔，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。7900系列與7800系列所不同的是輸出電壓為負(fù)值。外形圖3.外形及特點(diǎn)2/6/20236:28:03AM4.分類按輸出電壓是否可調(diào)固定式三端穩(wěn)壓器可調(diào)式三端穩(wěn)壓器1

——

輸入端3

——

輸出端2

——

公共端78系列1

——

公共端3

——

輸出端2

——

輸入端79系列2/6/20236:28:03AM啟動(dòng)電路基準(zhǔn)電源調(diào)整環(huán)節(jié)比較放大過(guò)熱保護(hù)限流保護(hù)減流保護(hù)采樣環(huán)節(jié)5.78××內(nèi)部電路2/6/20236:28:03AM6.三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用C2防止自激振蕩C3減小高頻干擾C1

、C4減小輸出紋波和低頻干擾2/6/20236:28:03AM擴(kuò)大輸出電流UI+UOC1LM78×+–132C2R1T–OI￠OICI式中1RBOIII+=￠1BER1RUI=OBII￠+=bOCOIII￠+=圖中A6.01R=IA4.0B=IA4C=IA5O=I若=10，R1=0.5,|UBE|=0.3V,。則A1O=￠I2/6/20236:28:03AM9.5.2三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

(9-20)其中UREF=1.25V2/6/20236:28:03AM2/6/20236:28:03AM9.5.3基準(zhǔn)電壓源

常用基準(zhǔn)電壓器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM385-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-2.5(2.5V精密基準(zhǔn)電壓源)，MC1403(2.5V基準(zhǔn)電壓源)，LM431ACZ、TL431(精密可調(diào)2.5V～36V基準(zhǔn)穩(wěn)壓源)，LM399H(6.9999V精密基準(zhǔn)電壓源)，LM336-5.0(5.0V精密基準(zhǔn)電壓源)等。1.TL431基準(zhǔn)電壓源TL431是一個(gè)性能優(yōu)良的基準(zhǔn)電壓集成電路。該器件主要應(yīng)用于穩(wěn)壓、儀器儀表、可調(diào)電源和開(kāi)關(guān)電源中，是穩(wěn)壓二極管的良好替代品。2/6/20236:28:03AM9.6開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電特性優(yōu)良，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但調(diào)整管串接在負(fù)載回路里是它的根本弱點(diǎn)，存在著效率低（只有40%～60%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)，有時(shí)還要配備龐大的散熱裝置。為了提高效率，人們研制出了開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)（80%～95%），且穩(wěn)壓范圍寬，此外還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等優(yōu)點(diǎn)，因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于各種儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、空間技術(shù)以及電視接收機(jī)等家用電器產(chǎn)品中。

2/6/20236:28:03AM線性穩(wěn)壓電路的主要特點(diǎn)(1)電壓穩(wěn)定度高；(2)紋波電壓?。?3)響應(yīng)速度快；(4)電路簡(jiǎn)單；(5)調(diào)整管的功耗大；(6)功率變換效率低。2/6/20236:28:03AM9.6.1開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及分類

9.6.1.1開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)

（1）允許電網(wǎng)電壓變化范圍寬。

（2）功耗低，效率高。開(kāi)關(guān)電源效率約為80～95％。(3)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量要比同功率的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源小且輕。

（4）可靠性高。（5）容易實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出和遙控。

2/6/20236:28:03AM9.6.1.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的分類

按負(fù)載與儲(chǔ)能電感的連接方式分，有串聯(lián)型與并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；

按不同的激勵(lì)方式分，有自激式與他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路結(jié)構(gòu)可分為單管型、推挽型、半橋型和全橋型。

按控制方式分為脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)、脈沖調(diào)頻式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合調(diào)制式(PWM與PFM)三種。

2/6/20236:28:03AM9.6.2開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

9.6.2.1降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的基本原理

Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT開(kāi)關(guān)管續(xù)流二極管控制脈沖儲(chǔ)能電感濾波電容2/6/20236:28:03AM控制脈沖的特點(diǎn)：

來(lái)自反饋控制電路,周期T恒定。Ui為高電平(Ton期間)時(shí)，T飽和導(dǎo)通，IEUu?D截止，C