电路基础与集成电子技术-10.3 模拟稳压电源

第10章直流电源2010.0210.3模拟稳压电源10.3.1稳压二极管稳压电路10.3.2串联型稳压电源10.3.3三端集成稳压器第10章直流电源2010.02引起整流电路输出电压不稳定的因素有三种，即输入交流电压的变化，负载电流的变化和温度的变化。于是可以写出如下关系式),,(LIOTIUfU为了稳定直流电压，在反馈放大电路一章中我们曾经讲过，电压负反馈可以稳定输出电压，所以直流稳压电源实质上是一种电压负反馈电路。第10章直流电源2010.0210.3.1.1稳压原理10.3.1稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图10.3.1(a)所示。稳压二极管与负载并联，属于并联调整型稳压电路。它是靠稳压二极管反向击穿区特性曲线十分陡直，即电流大范围内变化，而稳压二极管的击穿电压变化很小，见图10.3.1(b)。I/mAU/VIzmaxIzminIzzVzVIRILIZUIVZUoRRLVDZ(a)电路图(b)伏安特性图10.3.1稳压管稳压电路的工作原理IRO=UUU第10章直流电源2010.02(a)电路图(b)伏安特性图10.3.1稳压管稳压电路的工作原理先不考虑温度对输出电压的影响，仅讨论输入电压变化和负载电流变化对输出电压的影响。设负载电阻RL不变，由于电网电压变化而引起UI的变化，引起如下稳压过程UIUoI/mAU/VIzmaxIzminIzzVzVIRILIZUIVZUoRRLVDZUoIZIRUR第10章直流电源2010.02设电网电压不变，即UI不变，而负载电阻RL变化，引起负载电流IL变化，有如下稳压过程由以上分析可见，稳压二极管稳压电路是通过串联在输入端和负载端之间的电阻R获取误差电压，从而起到调节稳压二极管电流的目的，达到稳定输出电压的目的。要想调节IZ，VZ必须有少许变化，也就是说稳压二极管稳压电路不可能百分之百的稳压，它是一个有差调节系统。显然稳压二极管的击穿特性越陡（即动态电阻越小），稳压性能越好；电阻R越大，较小的IZ变化即可得到足够的UR，IZ变化小意味着VZ变化小，即电压稳定性好。R越大对误差检测越灵敏，稳压性能越好，所以R也称为稳压电阻。RLILIRURUoIZIR(U不变）IURUoIRILIZUIVZUoRRLVDZI/mAU/VIzmaxIzminIzzVzU第10章直流电源2010.0210.3.1.2稳压电阻的确定IRILIZUIVZUoRRLVDZ确定稳压电阻R原则是在输入电压和负载电流的变化范围内，稳压二极管的电流不小于Imin，也不大于Imax。电流小于Imin，稳压性能变坏；电流大于Imax，稳压二极管的功耗超标。当R=Rmax，UI=UImin时，IR则最小，因IR=IL+IZ，，若此时IL最大，则IZ必最小，于是可确定RmaxIminZmaxZminLmaxUVRRII当R=Rmin，UI=UImax时，IR则最大，因IR=IL+IZ，若此时IL最小，则IZ必最大，于是可确定RminImaxZminZmaxLminUVRRII第10章直流电源2010.02提高稳压性能的措施有：①选用击穿特性陡直的稳压二极管，即rz小的稳压管，并适当提高IZ以降低rz；②适当加大R。为了保证一定的IZ，必须提高UI，才能加大R，但这将使电源效率降低；③可采用多级稳压。由于输出电压由稳压管的VZ决定，不能任意调节，且电流变化范围小，所以稳压二极管稳压电路适用于输出电压固定和负载电流变化不大的场合。第10章直流电源2010.02例10.2：在图10.3.1(a)所示电路中，设UI=30V，波动范围为，稳压管的VZ=12V，IZmin=5mA，IZmax=20mA，输出电流IO介于0～5mA之间。试计算电阻R的取值范围。IRILIZUIVZUoRRLVDZ解：1.当UI最大，IO最小时，IZ最大，此时要求IZIZmax，即ImaxZOminZmaxUVIIRImaxZZmaxOmin33121.05k20UURII2.当UI最小，IO最大时，IZ最小，此时要求IZIZmin，即IminZOmaxZminIminZZminOmax27121.5k55UUIIRUURII故要求，可取。(1.05k,1.5k)R1.2kR第10章直流电源2010.0210.3.1.3基准稳压二极管基准稳压二极管简称基准源，或参考源。基准源一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿的稳压二极管，其温度系数可小到106/℃。典型的基准源见表15.1。表15.1基准源型号稳定电压(V)工作电流(mA)电压温度系数(106/℃)MC14032.5±1％1.210～100LM136/236/3362.510305.01030TL4312.5～360.4～10050LM3999±6.95±5％105AD2710K/L10.000±1mV102/1MAX6764.096±0.01％516775.000±0.01％5167810.000±0.01％51第10章直流电源2010.0210.3.2串联型稳压电源10.3.2.1稳压电源的技术指标1．输入电压调整系数Su在负载固定和温度不变时，工程上常把电网电压波动10%时所对应的输出电压的相对变化量的百分比作为衡量的指标，称为电压调整率V)/(%%10010,0LIOOuTIUUUS有时也用输出电压的相对变化量和输入电压的相对变化量来表示稳压性能，称为稳压系数0,0LIIOOuTIUUUUS第10章直流电源2010.022．输出电阻Ro输入电压和温度不变时，因负载变化，引起输出电压的变化量与电流变化量之比。它表示稳压电路受负载变化的影响。00,IOOoTUIUR在工程上常用输出电流IO从零变到最大额定输出值时，输出电压的相对变化量来表征这个性能，称为电流调整率，用SI表示%1000,0IOOITUUUS第10章直流电源2010.02指电网电压和负载都不变时，单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比。3．输出电压的温度系数ST4．纹波抑制比SripC)/mV(%1000L,0IOTIUTUS定义为输入纹波电压的峰值（或有效值）与输出纹波电压的峰值（或有效值）之比的分贝数。)dB(lg20OIripuuS第10章直流电源2010.0210.3.2.2串联型稳压电源的工作原理1．串联型直流稳压电路的组成由左图可知UO=UI-UR，当UI增加时，调节电位器使R增加，于是UR增加，从而在一定程度上抵消了UI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使UR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使UI减小，对输出电压减小的影响。用晶体管代替电位器，可以调节晶体管的基极电位来控制管压降UCE，可替代UR。这个晶体管称为调整管。第10章直流电源2010.02根据上述原理可以构成串联型稳压电源，如下图所示。ILUIUoVREFUo1A负载基准电压源误差放大器取样电路R1R3R2R2'UF不稳定的直流电压UI稳定的Uoceb串联型稳压电源主要由基准电压源、误差放大器、取样电路和调整管组成。误差放大器可以是单管放大电路、差分放大电路、集成运算放大器等。调整晶体管可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压VREF比较，得到误差电压，经放大后去调节调整管的管压降。图10.3.2串联型稳压电源方框图第10章直流电源2010.022.稳压原理串联型稳压电源的稳压原理分析与稳压二极管稳压电路相同。①当电网电压升高，负载电流不变时，串联型稳压电源的反馈调节过程显然是一个负反馈的过程：UIUFUo②当负载变化时，电网电压不变时，串联型稳压电源的反馈调节过程如下：UFUoVREF一定Uo1UBERL上述调节过程不可能将输出电压的变化百分之百调回到原先的数值，只能减小因UI和IL变化引起的UO的变化数值。VREF一定Uo1UBEUoIEUCEUoIEUCE第10章直流电源2010.023.输出电压的确定和调节范围ILUIUoVREFUo1A负载基准电压源误差放大器取样电路R1R3R2R2'UF不稳定的直流电压UI稳定的Uoceb根据左图，运放的同相输入端是VREF。所以UF=VREF，由此可以确定REF32321OVRRRRRU当电位器的滑动端调到最下端时，输出电压最高，反之最低REF32321OminREF3321maxOVRRRRRUVRRRRU第10章直流电源2010.024.影响稳压性能的因素显然，反映环路增益的比较放大电路的电压放达倍数Au和电压反馈系数Fu愈大愈好，这样，较小的UO变化就可获得足够大的电压UO1去调节调整管的管压降。ILUIUoVREFUo1A负载基准电压源误差放大器取样电路R1R3R2R2'UF不稳定的直流电压UI稳定的Uoceb基准电压VREF愈稳定愈好，VREF和UF的差是误差信号，如果VREF也在变化，这个差就不可靠了比较放大部分的零点漂移应愈小愈好，为此宜选用温度稳定性良好的元器件。第10章直流电源2010.0210.3.3三端集成稳压器10.3.3.1集成稳压器的分类①串联型稳压电路，是指调整元件与负载串联相接，在集成稳压器中大多数是这种类型；②并联型稳压电路，是指调整元件与负载并联相接（如稳压管稳压电路）；③开关型稳压电路，这种电路的调整元件工作在开关状态，通过调节调整管开和关的时间来稳定输出电压。以工作方式来分：按输出电压来分：①固定输出稳压电路，这类电路输出电压是预先调整好的，在使用中一般不需要进行调整；②可调输出稳压电路，这类电路可通过外接元件使输出电压在较大范围内进行调节，以适应不同需要。第10章直流电源2010.0210.3.3.2固定电压输出集成稳压器固定电压输出集成稳压器属于串联型稳压电源，它是在图15.04.02的基础上又增加了过热、短路等保护电路集成在一起而制成的。它分为正电压输出和负电压输出两大系列类，正电压输出的型号是CW78××，负电压输出的型号是CW79××，型号后面的两位数字表示输出电压值，即输出端与公共端之间的电压值。UIUo公共端123UIUo公共端213123CW78CW79下图为TO-220型塑料封装的三端集成稳压器。这类产品具有使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，目前得到广泛的应用。第10章直流电源2010.02CW78CW79UIUo123C1C2Fμ33.0Fμ1.0C3UIUo213C1C2Fμ33.0Fμ1.0C3固定正电压输出的三端稳压电源接法如图10.3.4(a)所示，固定负电压输出的三端稳压电源接法如图10.3.4(b)所示。(a)(b)图10.3.4TO-220封装的78××和79××系列的典型接法电路图需要同时输出正、负电压时，可同时选用W78××和W79××集成稳压器，按图10.3.5所示接线。u1u2C2123Fμ33.0Fμ1.0213Fμ33.0Fμ1.0C1Fμ500Fμ500LRLRuouoCW79CW78VD4VD1VD2VD3图10.3.5输出正、负电压的直流稳压电源接法电路第10章直流电源2010.0210.3.3.3可调式三端集成稳压器UIUo调整端312317WUIUo调整端213337WUIUo312317WR1R2C2C1IAF0.1mF1m可调式三端集成稳压器分为正电压输出(CW317系列)和负电压输出(CW337系列)两个系列。它的三个端子为输入端、输出端和调整端。其中一种见图10.3.6所示。图10.3.6TO-220封装的可调式三端集成稳压器的管脚定义可调输出集成稳压器的输出端与调整端之间的内部是一个标准稳压二极管，VZ=VREF=1.25V，若要调节输出电压，按图10.3.7接线即可。图10.3.7可调式三端集成稳压器的典型应用电路第10章直流电源2010.02输出电压可通过调节电位器R2实