第10章-直流稳压电源课件

第10章-直流稳压电源三、本章主要学习内容小功率整流、滤波和稳压电路；三端集成电路稳压器。7/25/20234第10章直流稳压电源10.1小功率整流滤波电路10.1.1单相桥式整流电路任务：将交流电变换成脉动直流电元件：晶体二极管7/25/20235第10章直流稳压电源1.电路组成如图(10.1.1)所示。D1、D2、D3、D4组成桥式致整流电路。图(b)为其简化画法。其中v2为电源变压器的次级交流电压，，RL为用电的直流负载电阻。［转9］7/25/20236第10章直流稳压电源7/25/20237第10章直流稳压电源7/25/20238第10章直流稳压电源2.工作原理在V2的正半周，D1、D3正偏导通，D2、D4反偏截止；电路中的电流方向如图中红箭头所示，RL上得到了从上向下的电流iD1.3；7/25/20239第10章直流稳压电源7/25/202310第10章直流稳压电源在V2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电路中电流方向如图中蓝箭头所示，也得到了从上向下的电流iD2.4。7/25/202311第10章直流稳压电源7/25/202312第10章直流稳压电源流过负载RL上的电流iL和RL上的电压vL的波形如图(10.1.2)所示。3.

RL上的直流电压vL和直流电流电流iL的计算用傅立叶级数对vL的波形进行分解可得式(10.1.1)。［转15］7/25/202313第10章直流稳压电源7/25/202314第10章直流稳压电源7/25/202315第10章直流稳压电源由于整流输出的是脉动直流，其中含有一定的纹波信号，需用滤波电路加以滤除。7/25/202316第10章直流稳压电源4.整流元件的计算由于桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D４是轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为二极管承受的最大反向电压为：7/25/202317第10章直流稳压电源10.1.2滤波电路1.常用的滤波电路如图(10.1.3)所示，图(a)为电容滤波电路，由一个电容组成；图(b)为Γ型滤波电路，由一个电感和一个电容组成；图(c)为Π型滤波电路，由一个电阻和两个电容组成。最常用的滤波电路是电容滤波电路。［转20］7/25/202318第10章直流稳压电源7/25/202319第10章直流稳压电源2.电容滤波电路如图(10.1.4)所示。根据电容隔直流通交流特点,可滤除脉动直流中的纹波成分,使直流输出更加纯净。如图(10.1.5)所示，为电容滤波的电压和电流波形。7/25/202320第10章直流稳压电源7/25/202321第10章直流稳压电源7/25/202322第10章直流稳压电源可以证明，当电容两端并接上负载电阻RL之后，直流输出电压VL与变压器次级电压有效值V2之间的关系为：电容滤波的特点：电路简单，负载直流电压较高，纹波较小；输出特性较差。使用于负载电压要求较高，负载变动不大的场合。7/25/202323第10章直流稳压电源2.电感滤波如图(10.1.17)所示，利用电感的储能作用，减小输出电压的纹波，从而使输出电压变得比较平坦。电感滤波的直流输出电压为：7/25/202324第10章直流稳压电源电感滤波的特点：整流管的导通角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦；但体积大、笨重、易引起电磁干扰。适用于低电压、大电流场合。7/25/202325第10章直流稳压电源10.2串联反馈式稳压电路10.2.1稳压电源的质量指标(自学)10.2.2串联式稳压电路的工作原理一.集成电路串联式稳压电路如图(10.2.1)所示。7/25/202326第10章直流稳压电源7/25/202327第10章直流稳压电源1.电路组成：基准电源：DZ、R比较放大：A调整电路：T取样电路：R1、R2、R37/25/202328第10章直流稳压电源2.电路工作原理设因某种原因(RL)使输出电压Vo增加，则有：Vo

VR2

VF

VB

IB

IC

VCE

Vo

注意：Vo＝V

I－VCE，V

I为整流、滤波输出电压。[转31]7/25/202329第10章直流稳压电源7/25/202330第10章直流稳压电源3.输出电压的计算根据虚短和虚断的概念得：VF＝VREF＝VZ，7/25/202331第10章直流稳压电源二、分立元件的串联式稳压电路如图(10.2.1‘)所示，1.电路组成基准电源：R2、VZ；取样电路：R3、R４、Rp；比较放大电路：T2、R1；调整管电路：T1。7/25/202332第10章直流稳压电源7/25/202333第10章直流稳压电源2.电路工作原理设因某种原因(RL)使输出电压Vo增加，则有：Vo

VB2

VB1

IB1

IC1

VCE1

Vo

注意：Vo＝V

I－V

CE1，VI为整流、滤波输出电压。7/25/202334第10章直流稳压电源3.输出电压的计算根据电路可得：VB2＝VBE2＋VZ，又有：

VB2＝Vo(R4+R’’p)/(R3+R4+Rp)所以，Vo＝[(R3+R4+Rp)/(R4+R''p)](VZ+VBE2)≈[(R3+R4+Rp)/(R4+R''p)]VZ7/25/202335第10章直流稳压电源7/25/202336第10章直流稳压电源10.2.3三端集成稳压电路三端集成稳压电路是把串联型稳压电路以及启动电路、保护电路等集中制作在一个硅片上的一种具有稳压功能的集成电路。其内部等效电路如图(10.2.3)所示。其外形如图(10.2.3’)所示。7/25/202337第10章直流稳压电源7/25/202338第10章直流稳压电源1.启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压VI接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJTT4、T5提供基极电流。(1)组成：启动电路由Tl、T2、DZ1组成。7/25/202339第10章直流稳压电源2.工作原理：当输入电压VI高于稳压管DZl的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。7/25/202340第10章直流稳压电源(3)与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。7/25/202341第10章直流稳压电源(2)基准电压电路基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R2、R3及D1、D2组成，电路中的基准电压为式中VZ2为DZ2的稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结(D1、D2为由发射结构成的二极管)的正向电压值。7/25/202342第10章直流稳压电源在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、R3、DZ2与具有负温度系数的T3、Dl、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。7/25/202343第10章直流稳压电源(3)取样比较放大电路和调整电路这部分电路由T4～T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。7/25/202344第10章直流稳压电源T9、R9的作用：如果没有T9、R9，恒流源管T5的电流IC5＝IC8+IB10，当调整管满载时IBl0最大，而IC8最小；而当负载开路时IO＝0，IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8，使得IC8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9组成的缓冲电路。当IO减小时，IBl0减小,IC8增大，待IC8增大到VR9>0.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担，使IC8的变化范围缩小。7/25/202345第10章直流稳压电源

(4)保护电路减流式保护电路减流式保护电路由T12、R1l、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管(主要是T11)能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。7/25/202346第10章直流稳压电源假设图10.2.3a中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PC<PCM并且输出电流IO在额定值以内，流过R11的电流使VR11＝IOR11<0.6V，T12截止。当输出电流急剧增加，例如输出端短路时，输出电流超过极限值(IO(cL)＝PCM/VI＝0.6V/R11时，即当VRll>0.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了T10的基极电流，从而限制了输出电流。7/25/202347第10章直流稳压电源这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率PCM＝ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降VCE值，又使PC<PCM，才能全面地进行保护。7/25/202348第10章直流稳压电源图10.2.3a中DZ3、DZ4和R14、R15所构成的支路就是为实现上述保护目的而设置的。电路中如果(VI—IOR11—VO)>(VZ3+VZ4)，则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。VBE12的值为经整理后得7/25/202349第10章直流稳压电源显然，(VI-VO)越大，即调整管的VBE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。7/25/202350第10章直流稳压电源过热保护电路电路由DZ2、T3、Tl4和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的．对电路工作没有影响。当某种原因(过载或环境温升)使芯片温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调整管T10的基极电流IR10被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。7/25/202351第10章直流稳压电源电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路，以改善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。7/25/202352第10章直流稳压电源78××系列输出为正电压，输出电流可达1A，如78L××系列和78M××系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。和78××系列对应的有79××系列，它输出为负电压，如79M12表示输出电压为一12V和输出电流为0.5A。这类集成稳压器的外形图如图l0.2.3’所示。7/25/202353第10章直流稳压电源7/25/202354第10章直流稳压电源综上所述：常用的三端集成稳压电路有78××系列、79××系列两种。78××系列为正电源输出，79××系列为负电源输出；××表示输出电压的大小，L表示输出电流为0.1A、M表示输出电流为0.5A。7/25/202355第10章直流稳压电源2．三端可调式集成稳压器前述的78××和79××系列为输出电压固定的三端稳压器。但有些场合要求扩大输出电压的调节范围，故使用它很不方便。三端可调式集成稳压器与很少的外接元件，可解决此问题。它的三个接线端分别称为输入端VI、输出端VO和调整端adj。7/25/202356第10章直流稳压电源以LM317为例，其电路结构和外接元件如图10.2.4所示。它的内部电路有比较放大器、偏置电路(图中未画出)、恒流源电路和带隙基准电压VREF等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压(约1.2V)接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为［转57］7/25/202357第10章直流稳压电源7/25/202358第10章直流稳压电源LM317的VREF＝1.2V，Iadj=50μA，由于调整端电流Iadj<<I1，故可以忽略，式(10.2.11)可简化为7/25/202359第10章直流稳压电源LM337稳压器是与LM317对应的负压三端可调集成稳压器，它的工作原理和电路结构与LM317相似。7/25/202360第10章直流稳压电源10．2．4三端集成稳压器的应用1．三端固定式集成稳压器应用举例

图10.2.5a是78L××作为输出电压VO固定的典型电路图，正常工作时，输入、输出电压差为2～3V。电路中接入电容C1、C2用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。［转61］7/25/202361第10章直流稳压电源7/25/202362第10章直流稳压电源D是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏(见图10.2.3a)。7/25/202363第10章直流稳压电源图b是有过流保护的扩大输出电流的电路，电路中加入BJTT1，输出电流IO增加为IO=IO1+IO2。正常时，T2、T3截止，电阻R1上产生压降使T1导通，若IO过流，IOl增加，限流电阻R上压降增大使T3导通，导致T2趋于饱和，T1管基—射间电压VBE1降低，限制了功率管T1的电流ICl，保护功率管不致因过流而损坏。［转64］7/25/202364第10章直流稳压电源7/25/202365第10章直流稳压电源2．三端可调式集成稳压器应用举例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10.2.6所示为三端可调式稳压器的典型应用电路，图a是由LM117和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。7/25/202366第10章直流稳压电源7/25/202367第10章直流稳压电源电路中的VREF＝V3l(或V21)＝1.2V，R1＝R'1＝[(120～240)Ω]，为保证空载情况下输出电压稳定，R1和R'1不宜高于240Ω。R2和R'2的大小根据输出电压调节范围确定。该电路输入电压VI分别为土25V，则输出电压可调范围为土(1.2V～20V)。7/25/202368第10章直流稳压电源图10.2.6b为并联扩流的稳压电路，它是用两个可调式稳压器LM317组成。输入电压VI=25V，输出电流IO＝IO1+IO2＝3A，输出电压可调范围为(1.2V～22V)。电路中的集成运放741是用来平衡两稳压器的输出电流。7/25/202369第10章直流稳压电源7/25/202370第10章直流稳压电源如LM317—1输出电流IO1大于LM317—2输出电流IO2时，电阻R1上的电压降增加，运放的同相端电位VP(＝VI－I1R1)降低，运放输出端电压VAO降低，通过调整端adj1使输出电压VO下降，输出电流IO1减小，恢复平衡；反之亦然。改变电阻R5可调节输出电压的数值。7/25/202371第10章直流稳压电源三端可调稳压器的应用形式是多种多样的，只要能维持输出端与调整端之间的电压恒定及调整端可控的特点，就不难设计出各种应用电路。由于集成稳压器的稳定性高和内部电路有完善的保护措施，又具有使用方便、可靠、价格低廉等优点，因此得到广泛的应用。目前这种器件发展迅速，种类很多。表10.2.1列出几种常用型号集成稳压器的性能指标。7/25/202372第10章直流稳压电源*10.3串联开关式稳压电路前述的串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗(PC=VCEIO)相当大，电源效率(η=PO/PI＝VOIO/VIIO)较低，一般为40％～60％，有时还要配备庞大的散热装置。7/25/202373第10章直流稳压电源为了克服上述缺点，可采用串联开关式稳压电路，电路中的串联调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降VCES和截止时管子的电流ICE都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80～90％，所以其体积小、重量轻。7/25/202374第10章直流稳压电源它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。目前正寻求克服这些缺点的方法。但由于优点突出，已成为宇航、计算机、通信和功率较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。7/25/202375第10章直流稳压电源开关型稳压电路原理框图如图10.3.1所示。它和串联反馈式稳压电路相比，电路增加了LC滤波电路以及产生固定频率的三角波电压(vT)发生器和比较器C组成的控制电路。图中VI是整流滤波电路的输出电压，vR是比较器的输出电压，利用vB控制调整管T，将VI变成断续的矩形波电压vF(vD)。［转78］7/25/202376第10章直流稳压电源7/25/202377第10章直流稳压电源当vA>vT时，vB为高电平，T饱和导通，输入电压VI经T加到二极管D的两端，电压vE等于VI(忽略管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vO略有增加。7/25/202378第10章直流稳压电源当vA<vT时，vB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)，使二极管D导通，于是电感中储存的能量通过D向负载RL释放，使负载RL继续有电流通过，因而常称D为续流二极管。7/25/202379第10章直流稳压电源7/25/202380第10章直流稳压电源此时电压vE等于－VD(二极管正向压降)。由此可见，虽然调整管处于开关工作状态，但由于二极管D的续流作用和L、C的滤波作用，输出电压是比较平稳的。7/25/202381第10章直流稳压电源图10.3.2画出了电流iL、电压vT、vA、vB、vE(vD)和vO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，输出电压的平均值为［转81］7/25/202382第10章直流稳压电源7/25/202383第10章直流稳压电源式中q＝ton/T称为脉冲波形的占空比。由式(10.3.1)可见，对于一定的VI值，通过调节占空比即可调节输出电压VO。故称脉宽调制(PWM)式开关稳压电源。在闭环情况下，电路能自动地调整输出电压。7/25/202384第10章直流稳压电源设在某一正常工作状态时，输出电压为某一预定值Vset，反馈电压VF＝FVVset＝VREF，比较放大器输出电压vA为零，比较器C输出脉冲电压vB的占空比q＝50％，vT、vB、vE，的波形如图10.3.3a所示。7/25/202385第10章直流稳压电源7/25/202386第10章直流稳压电源当输入电压VI增加,致使输出电压