模拟电子技术教案5本.docx
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模拟电子技术教案5本
第5单元直流稳压电源
5.1小功率整流滤波电路
5.1.1整流电路
整流电路的功能是将交流电压变换成直流脉动电压。
1．单相半波整流电路
单相半波整流电路如图示，由变压器T、整流二极管VD和负载电阻RL组成。
设变压器副边
。
根据二极管的单向导电性，在u2的正半周，加在电路中电压的极性为上正下负，二极管正向偏置而导通。
当u2的幅值U2m与二极管的正向压降相比较大时，二极管的正向压降可以忽略，此时输出电压
，负载电流
；在u2的负半周时，变压器副边极性转变为上负下正，二极管受反向电压而截止。
如果忽略二极管的反向饱和电流，则输出电压uo=0。
半波整流电路的输入、输出波形如图示。
二极管半波整流电路的输出电压波形是单方向的，但是其大小仍随时间变化，因此脉动直流电的大小一般用平均值来衡量，单相半波整流电路输出电压的平均值为：
流过二极管的平均电流ID（AV）与流过负载的平均电流IL相等，即：
由波形图可知，二极管在截止时，承受的反向峰值电压URM为u2的最大值，即UDRM =
单相半波整流电路使用元件少，电路结构简单，输出电流适中，由于只有半个周期导电，因此输出电压的脉动较大，整流效率低，变压器存在单向磁化等问题。
因此，单相半波整流电路常用于整流电流较小、对脉动要求不高的电子仪器和家用电器中。
2．单相桥式整流电路
为了避免单相半波整流电路的缺点，可采用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路由4个二极管接成电桥形状，故而称为桥式整流电路。
显然，桥式整流电路的输出电压是半波整流电路输出电压的2倍，因此，桥式整流电路输出电压的平均值为
在桥式整流电路中，由于每只二极管只导通半个周期，故每只二极管上通过的电流平均值仅为负载电流的一半，即
在u2的正半周，VD1和VD3导通，将它们看作短路，这样VD2和VD4就并联在u2两端，承受的最大反向峰值电压UDRM为：
UDRM
桥式整流和半波整流相比，输出电压提高，脉动成分减小，因此得到广泛应用。
集成的整流器件有半桥堆和全桥堆两种。
一个半桥堆是由两个二极管组成的，对外有三根引线。
由上图（c）所示的原理图可看出，两个二极管的阴极中间引线通过负载RL与电源变压器二次侧的中间抽头相连，两个二极管的阳极引线分别接在变压器二次侧的两端。
在u2正半周，二极管VD1导通、VD2截止，电流自上而下流过负载RL；在u2负半周，二极管VD2导通、VD1截止，电流仍能自上而下流过负载RL，使负载得到了全波整流。
全桥堆是硅整流桥的管芯按所需方式连接成整流桥后，密封在壳体中，用环氧树脂浇灌密封、塑料密封或金属密封，有些全桥堆的散热器与壳体成为一体，有的全桥堆则另加装散热器。
图示产品上两侧的+、−标志，是在连接电路时与负载相连接的引线，中间AC标志的2根引线则要与电源变压器的二次侧相连，这4根外引线不能接错。
全桥堆具有体积小、使用方便、装配简单等优点，缺点是其中的器件有个别损坏时难以更换。
5.1.2滤波电路
滤波电路将整流输出中的高频成分滤除，以改善输出直流电压的平滑性。
直流电源常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和Π型滤波等形式。
1．桥式整流电容滤波电路
在桥式整流电路的输出端与负载之间并联一个较大容量的电解电容，即构成一个桥式整流电容滤波电路。
桥式整流、电容滤波电路适用于滤电流负载电路，其滤波原理：
桥式整流电容滤波电路的输出电压为uc，且uo=uc。
当电容极间电压小于整流电路输出时，电容被充电，电容的极间电压按指数规律增加，增加的快慢程度由时间常数
决定；uc随时间增加，而桥式整流电路的输出脉动整流增至最大开始减小时，电容电压uc大于脉动全波整流，于是电容开始放电，输出电压按指数规律下降。
桥式整流电容滤波电路的输出电压波形如图示。
图中上边为正弦波u2的波形，中间虚线所示的脉动直流电是桥式整流的输出波，实线是滤波电路的输出波形。
显然，经过滤波电路，输出波的平滑性变好了。
电容滤波电路为使滤波效果良好，一般把时间常数的值取大一些，通常选取
。
式中T为交流电压u2的周期。
即
由输出电压的波形可以看出，经滤波后的输出电压变为较为平直的纹波电压，因此输出电压的平均值得到很大提高，如果按上式选择滤波电容，则输出电压可近似为：
UO（AV）≈1.2U2
在含有滤波电容的桥式整流电路中，由于滤波电容C充电时的瞬时电流很大，形成了浪涌电流，如图最下边所示波形。
浪涌电流极易损坏二极管，因此，在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量。
一般可按3倍以上的输出电流来选择二极管。
2．桥式整流电感滤波电路
在桥式整流电路与负载之间串接一个电感线圈L，就构成一个含有电感滤波环节的桥式整流电感滤波电路，如图示。
桥式整流电感滤波电路中，若忽略电感线圈的电阻，根据电感的频率特性可知，频率越高，电感的感抗值越大，对整流电路输出电压中的高频成分压降就越大，而全部直流分量和少量低频成分则降在负载电阻上，从而起到了滤波作用。
当忽略电感线圈的直流电阻时，桥式整流电感滤波电路输出的平均电压约为：
UO（AV）≈0.9U2
电感滤波的特点是峰值电流很小，输出纹波电压比较平滑，但是由于线圈铁心的存在，体积大而笨重，所以只适用于低电压、大电流的负载电路，
3．桥式整流π型滤波电路
图（a）为桥式整流π型LC滤波器的桥式整流滤波电路，由于电容对交流的阻抗很小，电感对交流的阻抗很大，因此，负载上的谐波电压很小；当负载电流比较小时，也可采用如图（b）所示的桥式整流π型RC滤波器，但π型RC滤波电路由于其电阻消耗功率，所以会增加电源的功率损耗，致使电路效率较低，因此实际采用不多。
5.2稳压电路
5.2.1直流稳压电源的主要性能指标
直流稳压电源的主要性能指标包括特性指标和质量指标。
质量指标反映了直流稳压电源的优劣，包括电压调整率、输出电阻等。
1．电压调整率Sγ
电压调整率Sγ也称为稳压系数，定义为：
负载不变时，输出电压相对变化量和整流滤波电路输入电压的相对变化量之比，即
电压调整率反映了电网电压波动时对稳压电路的影响。
显然电压调整率Sγ越小，直流稳压电源的输出电压稳定性越好。
一般直流稳压电源的电压调整率Sγ为10－2～10－4。
2．输出电阻
当输入电压不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻，即
输出电阻的大小反映了当负载变动时，直流稳压电源保持输出电压稳定的能力。
显然，RO越小，直流稳压电源的稳定性能越好，带负载能力越强。
5.2.2并联型稳压电路
稳压电路可分为二极管稳压电路和晶体管稳压电路，其中二极管稳压电路又称为并联型稳压电路。
1．电路组成
并联型稳压电路因稳压二极管与负载相并联而称为并联型稳压电路。
电路中的电阻R用来限制通过稳压二极管VDZ的电流，对稳压二极管起限流保护作用。
2．工作原理
设电网电压上升或负载电阻增加造成输出电压增加时，通过稳压管VDZ的电流将急剧增加，造成限流电阻R上压降增加，R上压降的增加又会使输出电压下降，于是调整了输出电压保持基本稳定不变。
稳压过程为：
UI↑（或RL↑）→UO↑→IZ↑→UR↑→UO↓
当电网电压下降或负载电阻减小造成输出电压减小时，通过稳压管VZ的电流将随之减小，致使限流电阻R上压降减小，R上压降的减小又会使输出电压上升，于是调整了输出电压保持基本稳定不变。
稳压过程为：
UI↓（或RL↓）→UO↓→IZ↓→UR↓→UO↑
可见，电路能稳定输出电压，是并联型稳压电路中的稳压二极管和限流电阻起决定作用，利用硅稳压二极管反向击穿电流的变化，稳定了输出电压。
并联型稳压电路具有电路结构简单，使用元件少的优点，但稳压电路的稳压值取决于稳压二极管的稳压值，不能调节，因此这种稳压电路适用于电压固定、负载电流小、负载变动不大的场合。
5.2.3串联型稳压电路
1．电路结构组成
串联型稳压电路如图所示。
电路由取样电路、比较放大器、基准电源和调整管几部分组成。
2.．工作原理
当输入电压UI增大或负载电阻RL减小时，必将引起输出电压UO的增加，这时取样电压UF随之增大，基准电压UZ和取样电压UF的差值减小，经比较放大器A比较放大后，调整管的基极电位VB减小，基极电流IB随之减小，控制集电极电流IC减小，致使管压降UCE增大，输出电压UO减小，使稳压电路的输出电压UO的上升趋势得到抑制，起到了当输入电压UI增大或负载电阻RL减小时，对输出电压UO的稳定作用。
同理，当输入电压Ui减小或负载电阻RL增大时，必将引起输出电压UO的减小，其分析过程与上述分析相反。
串联型反馈式稳压电路输出电压的调整范围：
有：
整理式又可得：
串联型反馈式稳压电路通过调节电位器RW的可调端，即可改变输出电压的大小。
该电路由于运放A调节方便，电压放大倍数很高，输出电阻较低，低噪声、低纹波、负载调整率良好、高稳定度、高准确度，因此稳压特性十分优良，实际应用非常广泛。
5.2.4开关型直流稳压电路
开关型直流稳压电路的原理图如图示。
其中调整管VT工作在开关状态，所以简称为开关型直流稳压电源。
开关型直流稳压电路依靠调节调整管VT的导通时间实现对电路输出的稳压效果。
开关型直流稳压电路中的调整管的管耗很低，因此电路效率较高，一般可达80%~90%，且不受输入电压大小的影响，稳压范围较宽。
这些突出优点使得开关型直流稳压电路广泛应用于计算机、电视机中作为直流供电电源。
工作原理：
当电路中的输出电压UO由于输入电压的变化或者负载的变化而出现不稳定时，通过R1和R2组成的取样电路就可把输出变化量的部分回送到误差放大器A的反相输入端作为反馈量UF，UF和基准电压UREF形成的差值电压由A放大，A的输出量为uA，作为电压比较器的门限电平，而电压比较器的反相端连接的三角函数发生器产生一个三角波，在三角波从小到大或从大到小变化的过程中，均与门限电平uA相比较，达到门限电平时，比较器的输出由正饱和值（或负饱和值）发生一次翻转，当比较器的输出uB为正饱和值时，开关调整管饱和导通，uE为高电平，此时续流二极管反偏处于截止状态，电感器中的电流iL在uE作用下由0开始增大，其中的高次谐波同时被线圈L和电容C滤除（LC构成低通滤波器），剩余少量低频成分和直流量形成IO向负载供电；当比较器的输出uB为负饱和值时，开关调整管截止，uE为低电平，由于电感电流iL不能发生跃变，只能连续变化，因此iL开始减小，只要L和C值选择合适，iL中的少量低频成分和直流量形成的IO可保证持续向负载供电，此时二极管VD正偏处于导通状态，对负载输出电流起续流保护作用。
在电路工作过程中，控制环节中误差放大器的输出uA送到单门限电压比较器C的同相输入端。
三角波发生器产生一个固定频率的电压uT，电压比较器的输出uB控制开关调整管VT的导通和截止（uT和uA决定了调整管的开关频率）。
uA、uT、uB、iL和IO的波形如图示。
5.2.5调整管的选择
调整管是串联型和并联型直流稳压电路的重要组成部分，担负着“调整”输出电压的重任。
调整管不仅需要根据外界条件的变化随时调整本身的管压降，以保持输出电压的稳定，而且要提供负载要求的全部电流，因此调整管的功耗比较大，通常采用大功率的三极管作为调整管。
为了保证调整管的安全，在选择调整管的型号时，应初步估算用作调整管的三极管主要参数。
1．集电极最大允许电流ICM
流过调整管集电极的电流除了负载电流外，还有采样电阻中通过的电流，选择调整管时，应使其集电极最大允许电流为：
ICM≥ILmax + IR
2．集电极和发射极之间的最大允许反向击穿电压U（BR）CEO
考虑到电网上近±10%的电压波动，调整管有可能承受的最大反向电压：
U（BR）CEO≥uimax=1.1×
U2
3．集电极最大允许耗散功率PCM
当电网电压达到最大值，输出电压达到最小值，同时负载电流也达到最大值时，调整管的功耗最大，所以应根据下式来选择调整管的参数PCM
PCM
为了保证串联型直流稳压电路的调整管工作在放大状态，管子两端的电压降不宜过大，通常使UCE=3V～8V，稳压电路的输入直流电压为
UI
V
5.2.6稳压电路的过载保护
1．限流保护电路
保护电路的形式很多，如采用二极管作为限流元件的保护电路如图示。
限流型保护电路也有使用三极管作为保护元件的。
限流保护的目的就是在稳压器输出电流超过额定值时，将调整管的发射极电流限制在某一数值上，从而保护调整管。
2．三极管截流保护电路
图为三极管截流保护电路。
电路中的三极管保护环节由VT2和分压电阻R4、R5组成。
电路正常工作时，通过R4与R5的分压作用，使VT2的基极电位比它自身的发射极电位高，VT2的发射结因承受反向电压而处于截止状态（相当于开路），即电路输出正常时，保护环节对稳压电路没有影响。
5.3集成稳压器
5.3.1固定输出的三端集成稳压器
表5-1CW7800系列稳压器规格
型号
输出电流（A）
输出电压（V）
78L00
0.1
5、6、9、12、15、18、24
78M00
0.5
5、6、9、12、15、18、24
7800
1.5
5、6、9、12、15、18、24
78T00
3
5、12、18、24
78H00
5
5、12
78P00
10
5
表5-2CW7900系列稳压器规格
型号
输出电流（A）
输出电压（V）
79L00
0.1
5、6、9、12、15、18、24
79M00
0.5
5、6、9、12、15、18、24
7900
1.5
5、6、9、12、15、18、24
CW7800系列的输出端对公共端的电压为正。
根据集成稳压器本身功耗的大小，其封装形式分为TO-220塑料封装和TO-3金属壳封装，二者的最大功耗分别为10W和20W（加散热器）。
管脚排（地）。
三者的电位分布为：
UI＞UO＞UGND（0V）。
输出电压至少要比输入电压高2V，为可靠起见，一般应选4～6V。
最高输入电压为35V。
CW7900系列属于负电压输出，输出端对公共端呈负电压。
CW7900与CW7800的外形相同，但管脚排列顺序不同，塑料封装和金属封装的固定三端集成稳压器产品外形及其引脚排列如上图示。
CW7900的电位分布为：
UGND（0V）＞−UO＞−UI。
另外在使用CW7800与CW7900时要注意：
采用TO-3封装的CW7800系列集成电路的金属外壳为地端；而同样封装的CW7900系列稳压器的金属外壳是负电压输入端。
因此，在由二者构成多路稳压电源时，若将CW7800的外壳接印刷电路板的公共地，CW7900的外壳及散热器就必须与印刷电路板的公共地绝缘，否则会造成电源短路。
三端固定输出集成稳压器具有过热、过流和过压保护功能。
三端固定输出集成稳压器的基本应用电路如右图示。
电路中的VD是续流保护二极管，用来防止在输入端短路时，输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。
稳压器正常工作时，该续流二极管处于截止状态，当输入端突然短路时，二极管为输出电容器C3提供泄放通路。
基本应用电路中的3个电容均为滤波电容，其值在具体应用时可根据负载电阻的大小用下式选取：
RLC≥（3～5）T/2
利用三端固定输出的集成稳压器来提高输出电压的电路如图示。
实际需要的直流稳压电源，如果超过集成稳压器的输出电压数值，可外接一些元器件来提高输出电压。
电路能使输出电压高于固定电压，图中的UXX是CW78系列稳压器的固定输出电压值，显然UO=UXX+UZ。
5.3.2可调输出三端集成稳压器
三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，集成芯片的输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压电路，应用更为灵活。
三端可调集成稳压器输入电压范围为4～40V，输出电压可调范围为
1.2～37V，要求输入电压比输出电压至少高3V。
CW317、CW337系列三端可调稳压器使用非常方便，只要在输出端上外接两个电阻，即可获得要求的输出电压值。
图示为三端可调集成稳压器的典型应用电路。
5.3.3使用三端集成稳压器时的注意事项
（1）要防止产生自激振荡
（2）要防止稳压器损坏
①防止输入端对地短路。
②防止输入端和输出端接反。
③防止输入端滤波电路断路。
④防止输出端与其他高电压电路连接。
⑤稳压器接地端不得开路。
（3）当集成稳压器输出端加装防自激电容时，万一输入端发生短路，该电流的放电电流将会使稳压器内的调整管损坏。
为防止这种现象发生，可在输出、输入端之间接一个续流保护二极管。
（4）在使用可调式稳压器时，为减小输出电压纹波，应在稳压器调整端与地之间接入一个10μF的电容器。
（5）为了提高稳压性能，应注意电路的连接布局。
一般稳压电路不要离滤波电路太远，另外，输入线、输出线和地线应分开布设，采用较粗的导线且要焊牢。
（6）三端集成稳压器是一个功率器件，它的最大功耗取决于内部调整管的最大结温。
（7）选用三端集成稳压器时，首先要考虑输出电压是否要求调整。
若不要求调整输出电压，则可选用输出固定电压的稳压器。
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