《电子技术》-第四章　直流稳压电源

第四章直流稳压电源第一节整流电路第二节滤波电路第三节直流稳压电路返回第一节整流电路一、单相半波整流电路１.工作原理单相半波整流电路如图４－２所示。它是最简单的整流电路，由整流变压器、整流二极管Ｄ及负载电阻ＲＬ组成。其中ｕ１、ｕ２分别为整流变压器的原边和副边交流电压。电路的工作情况如下：当ｕ２为正半周时，其极性为上正下负，即ａ点电位高于ｂ点电位，二极管Ｄ因承受正向电压而导通。此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即ｉｏ＝ｉＤ。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即ｕｏ＝ｕ２，输出电压ｕｏ的波形与变压器副边电压ｕ２相同。下一页返回第一节整流电路当ｕ２为负半周时，其极性为上负下正，即ａ点电位低于ｂ点电位，二极管Ｄ因承受反向电压而截止。此时负载无电流流过，输出电压ｕｏ＝０，变压器副边电压ｕ２全部加在二极管Ｄ上。综上所述，在负载电阻ＲＬ得到的是如图４－２（ｂ）所示的单向脉动电压。２.参数计算（１）负载上电压平均值和电流平均值负载ＲＬ上得到的整流电压虽然是单方向的（极性一定），但其大小是变化的。常用一个周期的平均值来衡量这种单向脉动电压的大小。单相半波整流电压的平均值为上一页下一页返回第一节整流电路（２）整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压流经二极管的电流平均值就是流经负载电阻ＲＬ的电流平均值，即二极管截止时承受的最高反向电压就是整流变压器副边交流电压ｕ２的最大值，即根据ＩＤ和ＵＤＲＭ就可以选择合适的整流二极管。上一页下一页返回第一节整流电路二、单相桥式整流电路为了克服单相半波整流的缺点，常采用全波整流电路，其中最常用的是单相桥式整流电路。１.工作原理单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图４－３（ａ）所示。图４－３（ｂ）所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。当ｕ２为正半周时，其极性为上正下负，即ａ点电位高于ｂ点电位，二极管Ｄ１、Ｄ３因承受正向电压而导通，Ｄ２、Ｄ４因承受反向电压而截止。此时电流的路径为ａ→Ｄ１→ＲＬ→Ｄ３→ｂ，如图４－４（ａ）所示。上一页下一页返回第一节整流电路当ｕ２为负半周时，其极性为上负下正，即ａ点电位低于ｂ点电位，二极管Ｄ２、Ｄ４因承受正向电压而导通，Ｄ１、Ｄ３因承受反向电压而截止。此时电流的路径为ｂ→Ｄ２→ＲＬ→Ｄ４→ａ，如图４－４（ｂ）所示。可见无论电压ｕ２是在正半周还是在负半周，负载电阻ＲＬ上都有相同方向的电流流过。因此在负载电阻ＲＬ得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图４－５所示。上一页下一页返回第一节整流电路２.参数计算（１）负载上电压平均值和电流平均值单相全波整流电压的平均值为（２）整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压因为桥式整流电路中，每两个二极管串联导通半个周期，所以流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即上一页下一页返回第一节整流电路（３）整流变压器副边电压有效值和电流有效值整流变压器副边电压有效值为除了用分立元件组成桥式整流电路外，现在半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥和三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少了接线，提高了电路工作的可靠性，使用起来非常方便。单相整流桥模块的实物接线图如图４－６所示。上一页下一页返回第一节整流电路常见的几种整流电路如表４－１所示。由表４－１可见，半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。单相全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且整流二极管承受的最高反向电压相对较大。因此，这两种电路应用较少。桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，桥式整流电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。桥式整流电路的缺点是二极管用得较多。上一页下一页返回第一节整流电路三、可控整流电路晶闸管又称可控硅，是一种大功率半导体可控元件。它主要用于整流、逆变、调压、开关四个方面，应用最多的是晶闸管整流。它具有输出电压可调等特点。晶闸管的种类很多，有普通单向和双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等。下面主要介绍普通晶闸管的工作原理、特性参数及简单的应用电路。１.晶闸管的基本结构、性能及参数（１）晶闸管的基本结构晶闸管的基本结构是由Ｐ１—Ｎ１—Ｐ２—Ｎ２三个ＰＮ结四层半导体构成的。其中Ｐ１层引出电极Ａ为阳极；Ｎ２层引出电极Ｋ为阴极；Ｐ２层引出电极Ｇ为控制极，其外形及符号如图４－７所示。上一页下一页返回第一节整流电路（２）晶闸管的工作原理可以把晶闸管的内部结构看成由ＰＮＰ和ＮＰＮ型两个晶体管连接而成，如图４－８所示。当在Ａ、Ｋ两极间加上正向电压ＵＡＫ时，由于Ｊ２反偏，故晶闸管不导通，在控制极上加一正向控制电压ＵＧＫ后，产生控制电流ＩＧ，它流入Ｖ２管的基极，并经过Ｖ２管电流放大得ＩＣ２＝β２ＩＧ，又因为ＩＣ２＝ＩＢ１；所以ＩＣ１＝β１β２ＩＧ，ＩＣ１又流入Ｖ２管的基极再经放大形成正反馈，使Ｖ１和Ｖ２管迅速饱和导通。饱和压降约为１Ｖ，使阳极有一个很大的电流ＩＡ，电源电压ＵＡＫ几乎全部加在负载电阻ＲＬ上。这就是晶闸管导通的原理。当晶闸管导通后，若去掉ＵＧＫ，晶闸管仍维持导通。上一页下一页返回第一节整流电路（３）晶闸管特性晶闸管的基本特性常用伏安特性表示，如图４－１０所示为ＩＧ＝０时的伏安特性曲线。在伏安特性曲线上，除ＢＡ转折段外，很像二极管的伏安特性，因此晶闸管相当于导通时可控的一种二极管。在很大的正向和反向电压作用下，晶闸管都会损坏。通常是在晶闸管接通合适的正向电压下将正向触发电压加在控制极上，使晶闸管导通，其特性曲线如图４－１１所示。由图４－１１可知，控制极电流ＩＧ越大，正向转折电压越低，晶闸管越容易导通。上一页下一页返回第一节整流电路（４）主要参数①正向重复峰值电压ＵＦＲＭ是在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，通常规定该电压比正向转折电压小１００Ｖ左右。②反向重复峰值电压ＵＲＲＭ是在控制极开路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向重复峰值电压，一般情况下ＵＲＲＭ＝ＵＦＲＭ。③额定正向平均电流ＩＦ是在规定环境温度和标准散热及全导通条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。上一页下一页返回第一节整流电路④维持电流ＩＨ是在规定环境温度和控制极开路时，维持元件继续导通的最小电流。⑤触发电压ＵＧ与触发电流ＩＧ是在规定环境温度下加一正向电压，使晶闸管从阻断转变为导通时所需的最小控制极电压和电流。２.可控整流电路（１）单相半波可控整流电路如图４－１２所示是由晶闸管组成的半波可控整流电路，其中负载电阻为ＲＬ，工作情况如图４－１３所示（对不同性质的负载工作情况不同，在此仅介绍电阻性负载，对于电感性负载的工作情况可参考有关书籍）。上一页下一页返回第一节整流电路（２）单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路，虽然具有电路简单，使用元件少等优点，但输出电压脉动性大，电流小。单相半控桥式整流电路如图４－１４所示，桥中有两个桥臂用晶闸管，另两个桥臂用二极管。设ｕ２＝Ｕ２ｍｓｉｎωｔ，当ｕ２为正半波时，瞬时极性为上“正”下“负”，Ｖ１和Ｄ２承受正向电压。若在ｔ１时刻给Ｖ１加触发脉冲，则Ｖ１导通，负载上有电压ＵＯ，电流通路为ａ→Ｖ１→ＲＬ→Ｄ２→ｂ。上一页下一页返回第一节整流电路当ｕ２为负半波时，晶闸管Ｖ２和二极管Ｄ１承受正向电压。在ｔ２时刻给Ｖ２加触发脉冲，Ｖ２导通，电流通路为ｂ→Ｖ２→ＲＬ→Ｄ１→ａ。显而易见，桥式整流的输出电压平均值要比单相半波整流大一倍，即上一页返回第二节滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压（或电流）增加时，电容（或电感）把能量储存在电场（或磁场）中；当电源电压（或电流）减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输出电压（或电流）中的脉动成分，得到比较平滑的直流电压。实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路（包括倒Ｌ型、ＲＣ－π型、ＬＣ－π型滤波）等，如图４－１５所示。下一页返回第二节滤波电路一、电容滤波电路最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载电阻ＲＬ并联一电容器Ｃ，利用电容器的充放电作用，使输出电压趋于平滑。图４－１６所示为单相桥式整流电容滤波电路。此时整流二极管工作在非线性区域，分析时要从二极管单向导电特性出发，特别注意电容两端电压对二极管工作特性的影响。当输出端接负载电阻ＲＬ时，设电容两端初始电压为零，在ｔ＝０时刻接通电源。则ｕ２由零开始上升时，二极管Ｄ１、Ｄ３正偏导通，电源通过Ｄ１、Ｄ３向负载电阻ＲＬ提供电流，同时向电容Ｃ充电，充电时间常数τ充＝２ＲＤＣ。上一页下一页返回第二节滤波电路由上述分析可知，采用电容滤波后可得如下几点结论。①负载直流平均电压升高，脉动程度大大降低。②负载电压平均值有所提高，工程估算时按下式取值：ＵＯ＝１.２Ｕ２③二极管导通时间减小，导通角θ总是小于π。因为滤波电容是隔直通交，它的平均电流为零，故二极管的平均电流仍为负载电流的一半，但由于二极管导通时间缩短，故流过二极管的冲击电流较大。在选择二极管时应留有充分的电流余量，通常按其平均电流的２～３倍选二极管。④外特性变差。负载ＲＬ减小时，放电时间常数减小，负载电压脉动程度增大，并且负载平均电压降低。当ＲＬ＝时，ＩＯ＝０，ＵＯ＝２Ｕ２；ＲＬ很小时，放电很快，几乎没有滤波作用，故ＵＯ＝０.９Ｕ２，如图４－１８（ａ）所示。上一页下一页返回第二节滤波电路二、电感滤波电路电感滤波电路如图４－１９所示，即在整流电路与负载电阻ＲＬ之间串联一个电感器Ｌ。由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓，起到滤波作用。电感Ｌ与负载ＲＬ串联。当流过电感Ｌ的电流增大时，电感产生的自感电动势阻止电流的增加；当电流减小时，自感电动势则阻止电流的减小。可见，电感滤波器的电感量越大，自感电动势越大，单向脉动电流流经电感线圈时就越平滑。电感滤波电路输出电压较低，但输出电压波动小，随负载变化也很小，因而适用于负载电流较大的场合。由于电感量大时体积也大，在小型电子设备中很少采用电感滤波方式。上一页下一页返回第二节滤波电路三、复式滤波电路复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器，通常有ＬＣ型、ＬＣ－π型、ＲＣ－π型几种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。图４－２０所示是ＬＣ型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。脉动电压经过双重滤波，交流分量大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上的交流分量也很小，便可达到滤除交流成分的目的。图４－２１所示是ＬＣ－π型滤波电路，可看成是电容滤波和ＬＣ型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。由于ＬＣ－π型滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取Ｃ１＜Ｃ２，以减小浪涌电流。上一页下一页返回第二节滤波电路图４－２２所示是ＲＣ－π型滤波电路。在负载电流不大的情况下，为降低成本，缩小体积，减轻质量，选用电阻器Ｒ来代替电感器Ｌ。一般Ｒ取几十欧到几百欧。当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数，如图４－２３所示。上一页返回第三节直流稳压电路一、串联型稳压电路硅稳压管稳压电路虽然很简单，但受稳压管最大稳定电流的限制，负载电流不能太大。输出电压不可调且稳定性也不够理想。若要获得稳定性高且连续可调的输出直流电压，则可采用由三极管或集成运算放大器所组成的串联型直流稳压电路。串联型直流稳压电路的基本原理图如图４－２４所示。整个电路由四部分组成。（１）取样环节由Ｒ１、ＲＰ、Ｒ２组成的分压电路构成，它将输出电压ＵＯ分出一部分作为取样电压Ｕｆ，送到比较放大环节。下一页返回第三节直流稳压电路（２）基准电压由稳压二极管ＤＺ和电阻Ｒ３构成的稳压电路组成，稳定的基准电压ＵＺ作为调整、比较的标准。（３）比较放大环节由Ｔ２和Ｒ４构成的直流放大电路组成，其作用是将取样电压Ｕｆ与基准电压ＵＺ之差放大后去控制调整管Ｔ１。（４）调整环节由工作在线性放大区的功率管Ｔ１组成，Ｔ１的基极电流ＩＢ１受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流ＩＣ１和集、射电压ＵＣＥ１改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。上一页下一页返回第三节直流稳压电路电路的工作原理如下：当输入电压Ｕｉ或输出电流ＩＯ变化引起输出电压ＵＯ增加时，取样电压Ｕｆ相应增大，使Ｔ２管的基极电流ＩＢ２和集电极电流ＩＣ２随之增加，Ｔ２管的集电极电位ＵＣ２下降，因此Ｔｌ管的基极电流ＩＢ１下降，ＩＣ１下降，ＵＣＥ１增加，ＵＯ下降，从而使ＵＯ保持基本稳定。这一自动调压过程可表示如下：ＵＯ↑→Ｕｆ↑→ＩＢ２↑→ＩＣ２↑→ＵＣ２↓→ＩＢ１↓→ＩＣ１↓→ＵＣＥ１↑→ＵＯ↓同理，当Ｕｉ或ＩＯ变化使ＵＯ降低时，调整过程相反，ＵＣＥ１将减小使ＵＯ保持基本不变，从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。比较放大环节也可采用集成运算放大器，如图４－２５所示。上一页下一页返回第三节直流稳压电路二、集成稳压器由分立元件组成的直流稳压电路，需要外接不少元件，因而体积大，使用不便。集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是三端式串联型集成稳压器。三端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个接线端。图４－２６所示为其外形图，（ａ）图为金属壳封装，（ｂ）图为塑料封装，图４－２７所示为它们的电路符号。上一页下一页返回第三节直流稳压电路三端集成稳压器的内部原理框图如图４－２８所示。可见它也是采用了串联式稳压电源的电路，并增加了启动电路和保护电路，使用时更加可靠。为了使集成稳压器长期正常地工作，应保证其良好的散热条件，金属壳封装一般输出电流比较大，使用时要加上足够面积的散热片。集成稳压器的主要参数如下。（１）最大输入电压Ｕｉｍａｘ当整流滤波电路输出电压超过Ｕｉｍａｘ时，可能使稳压器的输出电压不能稳定在额定值。（２）输出电压ＵＯ三端集成稳压器分为固定正输出和固定负输出两类。上一页下一页返回第三节直流稳压电路（３）最大输出电流ＩＯｍａｘ不同型号的三端集成稳压器Ｉｏｍａｘ范围为０.２～２Ａ。表４－２列出了ＣＷ７８００系列三端集成稳压器的部分主要参数。下面介绍三端集成稳压器的应用。１.基本稳压电路三端集成稳压器的基本稳压电路如图４－２９所示，使用时根据输出电压和输出电流来选择稳压器的符号。电路中输入电容Ｃｉ和输出电容Ｃｏ是用来减小输入输出电压的脉动和改善负载的瞬态响应，在输入线较长时，Ｃｉ可抵消输入线的电感效应，以防止自激振荡。Ｃｏ是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压ＵＯ有较大的波动。其值均在０.１～１μＦ。最小输入电压与输出电压的差要在３Ｖ以上。上一页下一页返回第三节直流稳压电路２.可同时输出正负电压的电路用两个三端集成稳压器按图４－３０连接电路，若选用输出电压大小相同、极性相反的三端集成稳压器，则可同时输出正负对称的电源。这种对称电源在很多电路中都要用到。３.扩大输出电流的电路当负载所需电流大于稳压器的最大输出电流时，可外接功率管来扩展输出电流，如图４－３１所示。外接ＰＮＰ型功率管来扩展输出电流。对集成稳压电源来说，输入电流Ｉ１与输出电流Ｉ２近似相等。由图可得上一页下一页返回第三节直流稳压电路三、三端可调集成稳压器三端可调集成稳压器也有输出正电压（如ＣＷ１１７、ＣＷ２１７、ＣＷ３１７系列）和输出负电压（如ＣＷ１３７、ＣＷ２３７、ＣＷ３３７系列）。和７８００、７９００系列一样，同一系列的内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同。根据输出电流的大小，每个系列又可分成Ｌ系列（ＩＯ≤０.１Ａ）、Ｍ系列（ＩＯ≤０.５Ａ）。如果不标出Ｌ或Ｍ，则其ＩＯ≤１.５Ａ。其外形与７８００系列相同。三端可调集成稳压器的典型应用电路如图４－３２所示。上一页下一页返回第三节直流稳压电路当输入