电路中的反馈第8章.ppt

在电子系统中，经常需要将电网的交流 电压转换为稳定的直流电压，为此要用整流 、滤波和稳压等环节来实现。直流稳压电源 就是实现这种转换的电子设备。 本章主要介绍直流稳压 电源的组成与工作原理，介 绍集成稳压器和开关型稳压 电路的原理及应用。 第8章直流稳压电路 本章学习要点 硅稳压管稳压电路是最简单的稳压电路，用于稳定性 要求不高的场合。它通过稳压管的电流调节作用及限流电 阻的电压调节作用来保持负载上的直流电压稳定。 在小功率电路中，常采用串联型反馈式稳压电源。电 路引入负反馈，使输出电压稳定且可调。 集成稳压器应用广泛，尤其是三端集成稳压器件性能 可靠、使用方便。它的应用电路有输出电压固定、输出电 压可调等基本形式。 在大、中功率稳压电路中，为减小调整管的功耗，为 提高电源效率，常采用开关型稳压电路。 学习指导 小功率直流稳压电源的组成如图8-1所示，它由电源 变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成 。 图8-1 8.1 直流稳压电源的组成 直流稳压电源的组成结构 大功率管 接外壳 电源变压器 桥式整流 三端稳压器 外接散热片 滤波电容 直流稳压电源的工作过程 直流电压输出 降低电压幅值 全波直流 滤除纹波 （1）电源变压器：将电网提供的交流电压变换成所需 要的较低的交变电压。 （2）整流电路：将大小、方向变化的正弦交流电变换 成单向脉动的直流电。硅整流组合器件又称桥堆。 （3）滤波电路：为滤除经整流后的输出电压中包含有 较大的谐波分量（这些谐波分量总称为纹波）必须采 用滤波电路。 （4）稳压电路：稳压电路的作用是采取某些措施，使 输出的直流电压在电网电压、负载电流发生变化和温度 发生变化的时候保证输出直流电压的稳定。 功 能 硅稳压管直流稳压电路是最简单的直流稳压电路 工作原理：硅稳压管是一种用特殊工艺制造的面接触 型半导体二极管，其伏安特性如图8-2所示。 8.2 直流稳压电路 2CW11 硅稳压管 反 向 击 穿 电 压 从图中看出，当反向电压加到一定数值时，反向电流 剧增，发生反向击穿现象。UZ表示反向击穿电压，又称 为稳压管的稳定电压。 硅稳压管工作在反向击穿状态 从图中可以看到，当流过稳压管的电流在一个较大的 范围内变化时，稳压管两端的电压几乎不变。利用稳压管 的这一特性，将稳压管与负载并联，若能保证稳压管中的 电流在限定的范围内，则负载电压就能在一定程度上得到 稳定。 稳压管的工作状态 一个由硅稳压管组成的稳压电路如图8-3所示。其中 电阻R起限流作用。由于负载电阻RL与作为调节元件的 稳压管VDZ并联，又叫并联型稳压电路。 图8-3 硅稳压管组成的稳压电路 稳压管 限流电阻R 一般引起输出电压变化有两种情况：一是负载变化 ，另一是电网电压变化。 图8-3所示电路的稳压过程如下：由于某种原因引 起输出电压UO稳压管电流IZI 限流电阻R上的 电压UR 输出电压UO UO接近原有值并趋于稳定。 其稳定机理是通过稳压管电流IZ的调节作用，将输入 电压UI的变化量降在电阻R上。 由以上分析可知，稳压管VDZ起电流调节作用，限 流电阻R又起电压调节作用。 当输出电压UO有少许变化时，引起I Z产生较大的变 化，通过R上的压降调节输出电压UO，使之基本恒定。 稳压过程和原理 应当指出，稳压电路空载时，原有输出电 流I0全部转移到稳压管支路，使IZ大大增加。 故对输出电流I0变化的范围要加以限制，以保 证流过稳压管的电流既不超过IZM又不小于稳 压管的稳定工作电流IZ。IZM为稳压管的最大 允许工作电流。 稳压管的工作电流 硅稳压管稳压电路参数的估算 (1）稳压管的选型 （2）输入电压UI的确定 （3）限流电阻的计算 硅稳压管电路的特点是电路结构简单。但由于其输出 电压不能调节，负载电流变化范围小，稳定性差，输出电 阻大（约为几欧姆到几十欧姆），因此，仅适用于输出电 压固定和要求不太高的场合。 硅稳压管稳压电路参数 串联型稳压电路是目前较为通用的稳压电路类型。图 8-4（a）、 (b)分别给出了带有放大环节的串联型稳压电路 的电原理图和方框图。从图中可以看出串联型稳压电路包 括如下几个部分：取样电路、基准电压、比较放大电路、 调整电路。 图8-4 串联型稳压电路 调整环节 大功率管 比较放大 稳压管提供基准电压取样 环节 取样电路的作用是将输出电压的变化取出，在电路中取样环 节由1、2分压器组成。 基准电压环节由电路中的3、VDZ构成。 比较放大环节由VT1单管直流放大器构成。 调整环节由调整管VT2构成，其基极电压由比较放大环节的 输出控制。 可以看出，串联型稳压电路的工作原理是将输出 电压的变化通过取样电路反映出来，并与基准电压 进行比较，将比较结果放大后，送到调整管去控制 输出电压，从而得到稳定的输出电压。 各部分的作用与工作原理 如图8-5所示为输出电压可调节的串联型稳压电路。 若R1、R2固定，则调整电位器RW就可以实现输出电压 的调节。 图8-5 典型电路的应用 改变RW可以 实现输出电压 的调节 集成稳压器具有体积小、可靠性高以及温度特性好 等优点，而且使用灵活、价格低廉，广泛应用于仪器、 仪表以及其他各种电子设备中。 8.3 三端集成稳压器 特别是三端集成稳压器，集成芯片只引出三个端子 ，分别作为输入端、输出端和公共端，基本上不需外接 元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电路 ，使用更加安全方便。 三端集成稳压器的组成框图如图8-6所示 由图可见，三端集成稳压器是由起动电路、基准电源 、放大电路、调整管、采样电路、保护电路等部分组成。 图8-6 三端集成稳压器的组成 工作原理：当电网电压波动和负载变化使输 出电压变化时，采样电路检测到这一变化的电压并 送到放大器输入端与基准电源的基准电压进行比较 ，比较后的误差电压经过放大电路放大后输出去控 制调整管上的压降，从而使输出电压趋于稳定。 各电路的作用：保护电路是对电路进行限流 保护、过热保护和过压保护；启动电路的作用是在 刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基 准电源能建立起各自的工作电流，而当稳压电路正 常工作后启动电路就断开了。 三端集成稳压器的工作原理 稳压器芯片属于模拟集成电路，它只有输入 、输出和公共三个引出端，无需外接其它元件 即可正常工作。 芯片内部设有过热保护、短路电流限流保护 和调整管安全工作区保护电路。 具有性能优良的电压调整率、电流调整率和 纹波抑制比。 最低输入输出电压差的典型值为2V。 输出电压的允许误差为2%。 固定输出三端集成稳压器的特点 图8-7 固定输出三端集成稳压器的典型应用 电容C1在三端集成 稳压器远离滤波器 时须加接，一般取 值0.33F 电容C2改善负载 的瞬态响应，一 般取值0.01F 典型应 用电路 三端稳压器实物 三端稳压器管脚图 可调输出三端集成稳压器的种类很多，应用十分广 泛。最常用的可调输出三端集成稳压器LM317和LM337 。 LM317是正电压可调输出三端集成稳压器，能够在 +1.2V+35V输出电压范围内提供大于.5A的输出电流 。 该稳压器的电压调整率和负载调整率都优于标准的 固定输出三端集成稳压器，还具有集成电路独特的全过 载保护功能。这包括芯片上的短路电流限流保护、热过 载保护和调整管安全工作区保护。即使调节端悬空，所 有的过载保护电路仍具有保护功能。 可调输出三端集成稳压器 LM317是按标准的晶体管塑料封装的形式封装的 ，其安装和使用都很方便。 如图8-8（a） 图8-8(b) 典型电路应用 实物图 典型应用电路管脚图 输出电压调整关系式为 UO = UREF（1+R2/R1） 式中，UREF一般取值 1.25V，R1一般取值240 ，R2一般取值4.7k。 典型电路应用 电源 输入 电源 输出 调节R2改变 输出电压 保护二极管保护二极管 三端集成稳压器的外形如图8-9所示，主要有金属外壳封装图8-9(a)、 (d)和塑料封装图8-9(b)、(c)，图8-9(b)的上面还带有一铝散热片。但是， 不同的封装和不同的系列其引脚有所不同，使用中必须注意。具体使用时 ，应以技术手册为准。 三端集成稳压器的封装和外形 金属外壳封装金属外壳封装 塑料封装塑料封装 图8-9 散热片 三端集成稳压器的基本应用电路如图8-10所 示，输出电压形式为固定输出。 图8-10 基本应用电路 保护二极管 滤波电容 桥式整流 变压器 如图8-11 是一个LM317的实际应用电路。 为了提高稳压电路的性能，电路中还采取了扩流和过 流、过压保护措施。大功率三极管3DD15D以射极跟随器 的形式接在稳压器LM317的输出端，以提供一定的功率放 大，从而提高稳压电路的输出电流和输出功率，3DD15D 必须外接散热片。三极管VT2、VT3和取样电阻R6构成过流 保护电路， 与LM317并联的二极管VD5可防止输入端短路损坏稳 压器件LM317，二极管VD6可防止电容C3上的瞬时过压对 稳压器件LM317的影响。发光二极管LED作为电源指示， 其支路的电阻R1起限流作用。 可调输出三端集成稳压器的应用电路 实际应用电路图（图8-11） 过流保护 扩流大功率管 取样电路 输出电压调节 滤 波 电 容 桥式整流 图8-12是输出电压可调式三端集成稳压器的应用 电路，该电路可以输出正、负两组电压。这类稳压器 是依靠外接电阻来调节输出电压的，为保证输出电压 的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，同时电阻要 紧靠稳压器，防止输出电流在连线电阻上产生误差电 压。 图8-12 正、负可调输出稳压器的应用电路 开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小 ，效率高，可达70% 90%。 开关电源的滤波电路体积小，这是由于开关频率 通常为几十千赫兹以上，因而滤波电容的容量大大减 小。 开关电源对电网的要求不高，这是由于开关电源 的输出电压主要与调整管导通和截止时间的比例有关 ，而输入直流电压幅度的变化对其影响很小。 开关电源的控制电路比较复杂，输出电压中纹波 和噪声成份较大。 8.4 开关稳压电源 一个串联式开关稳压电源的框图如图8-13所示。它包 括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、电压比较放大 器，基准电压和采样电路等组成部份。 图8-13 开关稳压电源的结构 电路的稳压过程是这样的：当输入直流电压 和负载电流变化而引起输出电压变化时，采样电 路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路 ，与基准电压进行比较并将两者的差值放大后送 到脉冲调制电路，