直流稳压电源-路模电子教案

电子设备所需的直流电源，一般都是采用由交流电网供电，经“整流”、“滤波”、“稳压”后获得。整流：指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电，能完成整流任务的设备称为整流器。滤波：指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑，能完成滤波任务的设备称为滤波器。稳压：指输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，能自动调整使输出电压维持在原值。第七章直流稳压电源本章将介绍串联型稳压电路、开关型稳压电路的原理和应用。7.1.1整流电路1.电路组成单相桥式整流电路如图7.1（a）所示，图7.1（b）是其简化电路。（a）电路原理图（b）电路简化图图7.1单相桥式整流电路7.1整流和滤波电路图7.2单相桥式整流电路输出波形3．参数估算sinωtdt因此，二极管最大整流应电流满足IF≥IL；最高反向工作电压应满足URM≥U2。22022UTUTL229.022UULLLLRURUI29.0LVII2122UUDRM滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用，如图7.3所示。（a）原理图（b）波形图图7.3电容滤波电路7.1.2滤波电路2.电容滤波的特点(1)滤波后的输出电压中直流分量提高了，交流分量降低了。(2)电容滤波适用于负载电流较小的场合。(3)存在浪涌电流。可在整流二极管两端并接一只0.01μF的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。(4)RLC值的改变可以影响输出直流电压的大小。RL开路时，输出UL约为1.4U2；C开路时，输出UL约为0.9U2；若C的容量减小，则输出UL小于1.2U2。7.2.1并联型稳压电路并联型稳压电路如图7.4所示。图7.4并联型直流稳压电路7.2稳压电路其稳压过程分述如下：当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压上升，则Ui↑→UL↑→IZ↑→I↑→UR↑→UL↓当电网未波动而负载RL变动时，若RL减小，则IL↑→I↑→UR↑→UL↓→IZ↓→I↓→UR↓→UL↑并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。1.电路组成串联型稳压电路如图7.5所示。电路由四部分组成。图7.5串联型稳压电路7.2.2串联型稳压电路T1T2T3(1)采样单元采样单元有R1、R2、和RP组成，与负载RL并联，通过它可以反映输出电压Uo的变化。(2)基准单元基准单元由限流电阻R3与稳压管T3组成。（3）放大单元放大单元由三极管T2组成。（4）调整单元调整单元由三极管T1组成，它是串联型稳压电路的核心元件。T1必须选择大功率三极管。2.工作原理串联型稳压电路的自动稳压过程按电网波动和负载电阻变动两种情况分述如下：Ui↑→Uo↑→Uf↑→UBE2↑→IB2↑→IC2↑→UCE2↓→UBE1↓→IB1↓→UCE1↑→Uo↓RL↓→Uo↓→Uf↓→UBE2↓→IB2↓→IC2↓→UCE2↑→UBE1↑→IB1↑→UCE1↓→Uo↑当Ui↓或RL↑时的调整过程与上述相反。由上分析可知，这是一个负反馈系统。正因为电路内有深度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。串联型稳压电路的输出电压Uo，由采样单元的分压比和基准电压的乘积决定。因此调节电位器RP的滑动端子，可调节输出电压Uo的大小。Uo的调节范围为Uomax=Uomin=ZURRPRR221ZURPRRPRR221[例]在图7.5中，设稳压管工作电压UZ=6V，采样单元中R1=R2=RP，试估算输出电压的调节范围。解：Uomax==3×6=18VUomin===9V故：该串联型稳压电路的输出电压可在9V~18V之间调节。ZURRPRR221ZURPRRPRR2216233.稳压电源的主要电参数4.基准电路目前，集成稳压器已达百余种，并且成为模拟集成电路的一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛。集成稳压器有三端及多端两种外部结构形式。输出电压有可调和固定两种形式：固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型号有W78××系列、W79××系列、W317系列、W337系列。7.2.3三端集成稳压器1.固定输出的三端集成稳压器固定输出的三端集成稳压器的三端指输入端、输出端及公共端三个引出端，其外形及符号如图9.9所示。固定输出的三端集成稳压器W78××系列和W79××系列各有七个品种，输出电压分别为±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V；最大输出电流可达1.5A；公共端的静态电流为8mA。型号后两位数字为输出电压值。在根据稳定电压值选择稳压器的型号时，要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2~3V（输出负电压时要低2~3V），但不宜过大。(a)外形（b）符号图7.6固定输出三端集成稳压器的外形及符号(1)基本应用电路固定输出的三端集成稳压器的基本应用电路如图7.7所示。图中：C1用以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C1，C2一般选涤纶电容，容量为0.1μF至几个μF。安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。图7.7固定输出三端集成稳压器基本应用电路(2)扩展输出电压的应用电路如果需要高于三端集成稳压器的输出电压，可采用如图7.8所示的升压电路。图7.8提高输出电压电路图中三端集成稳压器工作在悬浮状态，稳压电路的输出电压为Uo=UXX+IQR2若R1、R2阻值较小，则可忽略IQR2，于是Uo＝UXX图7.8所示电路的缺点是：当稳压电路输入电压Ui变化时，IQ也发生变化，这将影响稳压电路的稳压精度，特别是R2较大时这种影响更明显。)1(12RR)1(12RR图7.9所示电路是用W78XX和μA741组成的输出电压可调的稳压电路。图中集成运放作为电压跟随器使用，它的电源借助于三端集成稳压器的输入直流电压。图7.9输出电压可调电路由图7.9可知当电位器滑动端在最上端时，可得最大输出电压Uomax=当电位器滑动端在最下端时，可得最小输出电压Uomin=故输出电压调节范围为≤Uo≤XXURRPRR121XXURPRRPRR121XXURPRRPRR121XXURRPRR121(3)扩展输出电流的应用电路扩展输出电流的应用电路如图7.10所示。图7.10扩大输出电流电路2.可调输出的三端集成稳压器可调输出的三端集成稳压器W317（正输出）、W337（负输出）是近几年较新的产品，其最大输入、输出电压差极限为40V，输出电压1.2~35V（或1.2V~35V）连续可调，输出电流0.5~1.5A，最小负载电流为5mA，输出端与调整端之间基准电压为1.25V，调整端静态电流为50µA。其外形及符号如图7.12所示。图7.12可调输出三端集成稳压器开关型稳压电路种类：按开关信号产生的方式划分有自激式和他激式稳压电路。按开关电路与负载的连接方式划分有串联型和并联型。串联型开关稳压电路中开关调整管与负载串联连接，输出端通调整管及整流二极管与电网相连，电网隔离性差，且只有一路电压输出。并联型开关稳压电路中输出端与电网间由开关变压器进行电气上的隔离，安全性好，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出，但电路复杂，对开关调整管要求高；按控制方式划分有脉宽调制（PWM）和脉频调制（PFM）。由于开关稳压电路输出功率一般较大，尽管开关调整管相对功耗较小，但绝对功耗仍较大，因此实用中，必须加装散热片。7.3开关稳压电路1.脉宽调制式串联型开关稳压电路简化原理电路如图脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图7.13所示。图7.13脉宽调制式串联型开关稳压电路(1)工作过程由电压比较器的特点可知，当uo1uT时，u+u-，uo2为高电平，反之，uo2为低电平。当uo2为高电平时，V1饱和导通，输入电压Ui经滤波电感L加在滤波电容C和负载RL两端，在此期间，iL增长，L和C储存能量，V2因反偏而截止。当uo2为低电平时，V1由饱和导通转换为截止，由于电感电流iL不能突变，iL经RL和续流二极管衰减而释放能量，此时滤波电容C也向RL放电，因而RL两端仍能获得连续的输出电压。当开关调整管在uo2的作用下又进入饱和导通，L、C再一次充电，以后V1又截止，L、C又放电，如此循环不已。(2)稳压原理当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时，都将引起输出电压Uo的改变，由于负反馈作用，电路能自动调整而使Uo基本上维持稳定不变。稳压过程如下：若Uo↑→UF↑(UFUR)→uo1为负值→uo2输出高电平变窄（to↓）→Uo↓从而使输出电压基本不变。反之，若Uo↓→UF↓(URUF)→uo1为正值→uo2输出高电平变宽（to↑）→Uo↑同样使输出电压基本不变。2.脉宽调制式并联型开关稳压电路脉宽调制式并联型开关稳压电路的基本原理图脉宽调制式并联型开关稳压电路的基本电路如图7.14所示。图7.14脉宽调制式并联型开关稳压电路1.直流稳压电源应包含整流、滤波和稳压三个部分。整流元件为二极管，滤波元件有电容和电感，滤波电容应与负载并联，滤波电感应与负载串联。滤波后的直流电压仍受到电网波动及负载变化的影响，为此要采取稳压措施。2.稳压电路主要有线性稳压电路和开关型稳压电路两种。小功率电源多用线性调整型稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关型稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。本章小结