直流稳压电源

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。所谓“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。所谓“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。所谓“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。本章将着重介绍单相桥式整流电路、电容滤波电路、串联型稳压电路、开关型稳压电路的原理和应用。第9章直流稳压电源9.1.1整流电路1.电路组成单相桥式整流电路如图9.1（a）所示，图9.1（b）是其简化电路。（a）电路原理图（b）电路简化图图9.1单相桥式整流电路9.1整流和滤波电路2．工作原理当u2(t)为正半周时，V1、V3正偏而导通，V2、V4反偏而截止。电流经V1→RL→V3形成回路，RL上输出电压波形与u2(t)的正半周波形相同，电流iL从b流向c。当u2(t)为负半周时，V1、V3截止，V2、V4导通，电流经V2→RL→V4形成回路，RL上输出电压波形是u2(t)的负半周波形倒相，电流iL仍从b流向c。所以无论u2(t)为正半周还是负半周，流过RL的电流方向是一致的。单相桥式整流的输出波形如图9.2所示。图9.2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[例9.1]如图9.1所示的单相桥式整流电路，若要求在负载上得到24Ｖ直流电压，100mA的直流电流，求整流变压器次级电压U2，并选出整流二极管。解：IF=IL=50mAURM=U2=37.5V根据上述数据，查表可选出最大整流电流为100mA，最高反向工作电压为50V的整流二极管2CZ52B。VUUL7.269.0249.021.工作原理首先电源对电容充电，当充到最大值时电容放电。由于充电时间常数比放电时间常数小很多，所以充电快，放电慢。在下一个周期电源电压高于电容电压时再次对电容充电，以后循环重复，波形如图9.4（b）所示。2.参数估算UL≈1.2U2C≥(3~5)UC≥(1.5~2)U2式中T为电网交流电压的周期。LRT2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9.4所示。（a）原理图（b）波形图图9.4电容滤波电路9.1.2滤波电路[例9.2]已知单相桥式整流电容滤波电路如图9.4（a）所示。要求UL=12V，IL=100mA，电网工作频率为50Hz。试计算整流变压器次数电压有效值U2，并计算RL和C的值。解：VC≥(3~5)=(3~5)=(24.3~41.5)μFUC≥(1.5~2)U2=15~20V102.1122.12LUUkIURLLL2.11012LRT23102.1202.0故：整流变压器次数电压有效值为10V，负载RL为1.2kΩ，滤波电容器的参数为47μF/25V。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。9.2.1并联型稳压电路并联型稳压电路如图9.6所示。图9.6并联型直流稳压电路9.2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↑选择稳压管时，一般可按以下公式估算UZ=ULIZmax=(1.5~3)ILmaxUi=(2~3)UZ[例9.3]设电网波动引起整流滤波电路的输出电压变化±10%，RL=1kΩ，要求UL=10V，试确定图9.6中稳压电路元件的参数。解：(1)根据UZ=UL=10V得IL==10mA=ILmax由式IZmax=(1.5~3)ILmax，可查手册选择2CW17稳压管，其参数为：UZ=(9~10.5)V，IZ=5mA，PZ=250mW，IZmax=23mA，rz=25Ω。110LLRU(2)取Ui=25V，Ui变化±10%时可算得Uimax=27.5VUimin=22.5V（3）求出限流电阻Rmin=0.76kΩRmax=0.83kΩ所以R的取值范围为0.76kΩ≤R≤0.83kΩ，其功率为：23105.27maxmaxZLiIUU105105.22maxminLZLiIIUU=0.41W故可选择标称值为820Ω/0.5W的电阻器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。760)105.27()(2min2max2RUURUPLiRR1.电路组成串联型稳压电路如图9.7所示。电路由四部分组成。图9.7串联型稳压电路9.2.2串联型稳压电路(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V3组成。（3）放大单元放大单元由三极管V2组成。（4）调整单元调整单元由三极管V1组成，它是串联型稳压电路的核心元件。V1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9.4]在图9.7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：由式（9.14）可估算出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串联型稳压电路中的放大单元也可由集成运放组成，如图9.8所示。图中用复合管代替了V1，以便扩大输出电流；基准电压UZ和采样反馈电压Uf分别接于集成运放的同相和反相输入端。其稳压过程为：Uo↑→Uf↑→(UZ–Uf)↓→UB2↓→UB1↓→Uo↓图9.8采用集成运放和复合调整管的串联型稳压目前，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。9.2.3三端集成稳压器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9.9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9.10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9.10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9.11所示的升压电路。图9.11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9.11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9.12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9.12输出电压可调电路由图9.12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[例9.5]在图9.12中，若选用三端集成稳压器W7815，已知RP=500Ω，欲使输出电压调节范围为20~45V，求R1和R2的电阻值。解：由上式可得45=20=解得R1=400ΩR2=300Ω15500121RRR15500500121RRR(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9.13所示。图9.13扩大输出电流电路(4)恒流源应用电路恒流源应用电路如图9.14所示。图9.14恒流源应用电路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9.15所示。图9.15可调输出三端集成稳压器(1)基本应用电路图9.16所示是W317可调输出三端集成稳压器基本应用电路。图9.16W317基本应用线路图中V1是为了防止输入短路，C1放电而损坏三端集成稳压器内部调整管发射结而接入。如果输入不会短路、输出电压低于7V时，V1可不接。V2是为了防止输出短路时，C2放电损坏三端集成稳压器中放大管发射结而接入。如果RP上电压低于7V或C2容量小于1μF时，V2也可省略不接。W317是依靠外接电阻给定输出电压的，要求RP的接地点应与负载电流返回点的接地点相同。同时，R1、RP应选择同种材料做的电阻，精度尽量高一些。输出端电容C2应采用钽电容或采用33μF的电解电容。图9.17所示是W337可调负电压输出三端集成稳压器应用电路。（a）基本应用电路（b）加保护二极管的应用电路图9.17W337的应用电路(2)显示器慢启动应用电路图9.18所示电路是用W317组成的显示器慢启动应用电路。图9.18显示器慢启动应用电路(3)电子控制应用电路图9.19所示是用W317组成的为TTL门电路供电的应用电路。图中输出电压的“有”、“无”，可由A点输入脉