电子线路基础第7章.ppt

7.1 整流与滤波7.2 单向可控整流电路7.3 线性集成稳压器7.4 开关型稳压电源,第 7 章 直流稳压电源,返回主目录,7.1.1 半波整流电路7.1.2 全波整流电路7.1.3 桥式整流电路7.1.4 倍压整流电路7.1.5 平滑滤波器7.1.6 整流电路设计举例7.1.7 稳压电源的主要性能指标,7.1 整流与滤波,第 7章 直流稳压电源,7.1整 流 与 滤 波 所谓整流，就是利用二极管的单向导电特性，将具有正负两个极性的交流电能变换成只有一个极性的电能。整流后的单极性电能不仅包含有用的直流分量，还有有害的交流分量，通常称为波纹。我们利用滤波电路滤去交流分量，取出直流分量，就得到比较平滑的直流电。由于采用滤波器的目的只是为了得到一个平滑的直流，故滤波器又称平滑滤波器。中小型电源一般以单相交流电能为能源，因此本节只讨论单相整流电路。整流电路可分为半波、全波、桥式和倍压整流电路4种。,7.1.1 半波整流电路 半波整流电路如图7-1(a)所示。图中电源变压器T的作用是将电网的交流电压变换成整流电路所需的数值，它的初级和交流电网相连。VD为整流二极管，RL为负载。由图7-1(a)可知，变压器次级的感应电压为u2U2msint U2sint。由二极管的特性，在RL两端可以得到单向脉动电压，如图7-1(b)所示。根据傅立叶分析可知:,图 7 1 半波整流电路,从式(7-1)可以看出，基波分量振幅(U2m2)比直流分量(U2m/)还要大。因此，必须加接低通滤波器，如图7-2(a)所示。在交流电刚接上时，电容中本来没有电荷，电容上电压从零开始上升，充电速度取决于充电电路的时间常数(rdRL)C。由于rdRL，所以充电时间常数近似为rdC，充电速度快，uo迅速上升。当t=t1时有u2=uo，此后u2低于uo，VD截止，这时电容C通过RL放电，放电时间常数为RLC，放电速度慢，uo变化平缓。以后当u2又变化到比uo大，又开始充电过程。从7-2图(b)可以看出，由于电容C的储能作用，RL上的电压波动大大减小了。,图 7 2 加滤波电容的半波整流电路,时间常数RLC越大，电容放电越慢，输出电压uo波形越平稳，不同RLC的输出波形如图7-3所示。当RLC很大时，输出为一直流电压，uoUoU2m。而当负载电流较大时，输出的直流分量Uo要减少，一般有 Uo(1.01.2)U2 式中U2为变压器次级电压的有效值。流过整流管的平均直流电流ID为 IDIL,图 7-3 不同RLC时半波整流电路输出波形,7.1.2 全波整流电路 半波整流电路最简单，但其明显的缺点是波纹电压大。除此之外，交流电源的半个周期未被利用，故输出平均电压较低。利用两个管子交替工作，构成全波整流电路，可以克服半波整流电路的上述缺点。全波整流电路如图7-4(a)所示。变压器T次级中心抽头接地。变压器次级线圈上可以得到两个大小相等相位相反的交流电压，它们分别加到整流管VD1、VD2上。当1端对地为正，2端对地为负时，VD1导通而VD2截止，如图7-4(b)所示，在RL上得到波形为半波的电压。,图 7 4 全波整流电路,当1端对地为负，2端对地为正时，VD1截止而VD2导通，如图7-4(c)所示，在RL上也可得到波形为半波的电压。这样，当交流电压变化一个周期时，在RL上产生两个半波电压脉冲，如图7-4(d)所示。所以这种电路叫全波整流电路。显然这时输出电压的波动比半波整流时小，而输出的直流分量比半波整流时大1倍(为2U2m/)。为了进一步减小波纹电压，也需要加接滤波电容C，其原理与半波整流时相同。在有滤波电容的全波整流电路中，如RL较小(负载电流大)，则输出电压为 Uo1.2U2 由于负载电流由两管轮流供给，因此流过每个整流管的平均电流为0.5UoRL，约比半波整流时减小一半。,全波整流时每个整流管承受的最大反向电压Udrmax为2U2m。全波整流时输出波纹较小，而且波纹电压的基本频率为交流电网电压频率f的两倍(2f100 Hz)，波纹电压频率越高，滤波越容易。,7.1.3 桥式整流电路 桥式整流电路如图7-5所示，4个整流二极管组成一个电桥,变压器次级线圈和RL分别接到电桥的两个对角线的两端。这里，变压器没有中心抽头，其次级两端均不接地。桥式整流电路的工作原理可用图7-5(b)和(c)来说明。当u2为正半周时(1端为正，2端为负)，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流沿着图(b)中虚线上箭头所指方向流过RL；而当u2为负半周时(1端为负，2端为正)，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，电流沿着图(c)中虚线上箭头所指方向流过RL。,图 7 5 桥式整流电路,由于在u2的两个半周中，流过RL的电流方向相同，所以桥式整流电路和全波整流电路的作用一样，具有全波整流的各种优点。同时桥式整流电路中每一个二极管所承受的最大反向电压比全波整流时小了一半，即 UdrmaxU2m,7.1.4 倍压整流电路 以上所介绍的整流电路，可能获得的最大整流输出电压，其极限值为 U2。在变压器次级电压U2受到限制，不能提高的情况下，欲获得较高的整流输出电压，可以采用倍压整流电路。这种电路常用来提供电压高、电流小的直流电压，如供给示波器中显像管的高压。图7-6(a)中所示电路是一种常用的三倍压整流电路，其工作原理可参看图7-6(b)、(c)和(d)。当交流电压u2为正半周时(第一个半周，这时1端为正，2端为负)，VD1导通，电容C1被充电到U2m，极性如图(b)所示。,图 7 6 三倍压整流电路,当u2为负半周时(第二个半周，这时1端为负，2端为正)，VD1截止，于是u2与C1上的电压串联在一起，经VD2对电容C2充电，使C2上电压达到2U2m，极性如图(c)所示。在u2的第三个半周(正半周)时，u2与C1、C2上电压相串联，经VD3对C3进行充电，使C3上电压达到2U2m，极性如图(d)所示。这样，在1、3两端的电压(C1，C3电压相串联)将等于3U2m，从而实现了三倍压整流。该电路中每个整流管所承受的最大反向电压均为2U2m，每个电容所承受的最大电压不高于2U2m。这两点也适用于按照同样结构原理构成的多倍压整流电路，如图7-7所示。,图 7 7 多倍压整流电路,7.1.5 平滑滤波器 前面我们介绍了在负载RL两端并接滤波电容C的半波整流电路。对于全波、桥式和倍压整流电路也可采用这种利用一个电容C构成的简单的滤波电路。这种滤波电路只有在RLC值很大的条件下，才能使输出电压的波纹较小。一般情况下，电容C的增大是有限度的，因此，为了进一步减小波纹电压，可采用RC滤波器或LC滤波器，如图7-8所示。几种滤波器电路的主要性能比较如表7-1所示。,图 7 8 常用平滑滤波器电路,7.1.6 整流电路设计举例 例 7-1 设计一个桥式整流电容滤波电路，用 220V、50Hz交流供电，要求输出直流电压Uo45V，负载电流IL200mA 解（1）电路。电路如图7-9所示。(2)整流二极管的选择。从表7-2可得 ID0.5IL0.5200100 mA Uo1.2U2,所以,图 7-9 例7-1桥式整流电容滤波电路,每个二极管承受的最大反向电压Udrmax,根据ID和Udrmax。可选用整流二极管2CP31B(最大整流电流为250mA,最大反向工作电压为100V)。(3)滤波电容C的确定。一般应使滤波电容C的放电时间常数RLC大于电容C的充电周期(35)倍。对桥式整流来说，C的充电周期等于交流电网周期的一半,即,取,RLC 2T,式中,所以,C2 178 FC200 F50V,取,(4)对电源变压器T的要求。变压器次级线圈电压的有效值U2在前面已经求出，为37.5V。变压器次级线圈电流的有效值I2比IL大。,7.1.7 稳压电源的主要性能指标(1)稳压系数S定义为 S=S越大，稳压性能越好。(2)输出电阻(电源内阻)Ro定义为 Ro=Ro越小，稳压性能越好。(3)输出纹波电压。输出纹波电压是指电源输出端的交流电压分量。它的大小主要取决于滤波和稳压电路的质量，也与整流电路的形式有关。,7.2.1 晶闸管的基本工作原理7.2.2 单相半波可控整流电路7.2.3 单相桥式可控整流电路7.2.4 单结管触发电路,7.2 单向可控整流电路,7.2 单向可控整流电路,在由变压器和二极管组成的整流电路中，当输入交流电压确定时，直流输出电压也就被确定。如果需要改变直流输出电压，必须改变变压器初级线圈与次级线圈的匝数比。为了使整流器输出直流电压能够很方便地调整，可以采用由晶闸管(Thyristor，又名可控硅元件Silicon Controlled Rectifier，简写为SCR)组成的可控整流电路。这种电路是靠改变晶闸管的导通相位来控制整流器输出电压的，所以这种类型的电源通常称为相位控制型电源，简称为相控型电源。,7.2.1 晶闸管的基本工作原理 晶闸管是用硅材料制成的半导体器件，它由4层半导体(PNPN)构成，有3个PN结：J1、J2和J3。由p1引出阳极A，n2引出阴极C,中间的p2引出控制极G，如图7-10(a)所示，晶闸管的符号如图(b)所示。晶闸管可以看成是一个PNP型晶体管与一个NPN型晶体管按图7-11(a)和(b)所示那样连接在一起的晶体管组。由图7-11(b)可知，V1的集电极与V2的基极相连，V2的集电极又和V1的基极相连，这样就构成了正反馈电路。,图7-10 晶闸管结构和符号（a)结构（b)符号,图7-11晶闸管等效电路,它具有两个稳定状态：两管同时截止和两管同时饱和。前者相当于晶闸管的截止状态,而后者则相当于导通状态。由此可见，晶闸管导通时的压降很低。当晶闸管控制极不加触发信号(IG0)而阳极加正压时，J2结处于反偏。如果所加电压较低，积累过程不会发生，晶闸管处于截止状态，流过晶闸管的电流等于J2结的漏电流。如果把晶闸管的阳极电压升高到一定数值时，就会产生积累过程，使V1、V2同时转换到饱和状态，晶闸管变为导通。,使晶闸管由截止转为导通的电压称为“正向转折电压”，用UG0表示。在晶闸管处于导通状态时，3个PN结都为正向偏置(因为两个等效三极管均饱和)，而且J2结上的正偏方向和其他两个结相反，所以晶闸管导通时的阳极电压和单个PN结差不多，一般只有1 V多。在晶闸管的控制极加触发信号(IG0)时，情况有所不同。由于触发电流的输入，V2管的基极电流加大，从而使它的集电极电流(即V1的基极电流)以及V1的集电极电流都比较大。由于电流大，在较低的阳极电压时就会产生积累过程，晶闸管较早地由截止转换为导通，使正向转折电压下降。图7-12画出了IG为几种不同数值(IG2IG1)时的晶闸管的伏安特性。,图 7-12 晶闸管伏安特性,对于已经导通的晶闸管，逐渐减小其阳极电压，使阳极电流iA逐渐减小到刚好小于维持电流IH时，晶闸管就从导通状态转为截止状态。晶闸管的反向特性与一般二极管相似。在反向漏电流急剧增大时，所对应的电压为反向击穿电压UBR。,7.2.2 单相半波可控整流电路 电阻负载单相半波可控整流电路如图7-13(a)所示，交流输入电压ui、触发电压ug的波形分别如图1-13(b)和(c)所示。在ui正半周内，晶闸管承受正向电压。但是，在0之间，由于控制极未加入触发电压ug，所以晶闸管处于正向阻断状态。如果忽略晶闸管的正向漏电流，流过负载RL的电流iL就等于零，负载两端的电压uL也为零。负载电压uL的波形如图7-13(d)所示。当t时，晶闸管V因得到触发电压而导通。如果忽略晶闸管的正向压降，负载电压的瞬时值uL就等于交流输入电压的瞬时值ui。负载电流iL的波形与负载电压的波形相似。,图 7-13 电阻负载单相半波可控整流电路及其波形,当t时，输入交流电压ui下降到零，负载电流iL也下降到零。晶闸管因流过它的电流为零而关断。在正向阳极电压作用下，晶闸管不导通的电角度称为控制角，通常用来表示。晶闸管导通的电角度称为导通角，用表示。显然，在这种半波可控整流电路中，导通角。在2之间，晶闸管承受反向电压，无论控制极有无触发电压，晶闸管均处于反向阻断状态。输入电压ui全部加在晶闸管两端，如图7-13(e)所示。此时，负载电压和电流均等于零，一直到ui的下一个正半周并且触发脉冲加到控制极时，晶闸管才重新导通。,改变控制角，负载电压的波形将改变，从而使输出负载电压的平均值改变。在晶闸管导通期间()，忽略晶闸管的正向压降，输出负载电压uL就等于输入电压ui。因此，在一个周期内，负载电压平均值UL为,由式(7-9)可以看出，在交流输入电压有效值Ui保持不变的情况下，负载电压平均值随着控制角的减小而增加。当0,该电路与不可控整流电路的工作过程完全相同。这时负载电压平均值UL等于0.45Ui，晶闸管的这种工作状态称为全导通状态。,当180时，负载电压平均值UL0。该电路触发脉冲的相移范围为180。由式(7-9)可以得到负载电流平均值IL为,为了避免晶闸管过热，选择晶闸管时，必须考虑流过晶闸管的负载电流的有效值。根据图7-13(d)所示的波形可知，负载电压有效值U应为,于是负载电流的有效值I为,从波形图7-13(e)可以看出，当在0之间变化时，晶闸管承受的正向(或反向)电压的最大值UTm为交流输入电压的最大值Uim，即 UTmUim 应当指出，在实际应用中，为了避免晶闸管因电源瞬时过压而损坏，晶闸管的额定电压必须为(1.52)UTm。,7.2.3 单相桥式可控整流电路 单相桥式可控整流电路如图7-14 所示。其中，图 7-14(a)所示电路由 4 只晶闸管组成，通常称为单相桥式全控整流电路。图 7-14(b)所示电路由两只晶闸管和两只整流二极管组成,通常称为单相桥式半控整流电路。由于全控整流电路需用 4 只晶闸管，所以触发电路比较复杂，因此，在通信整流设备中一般都采用桥式半控整流电路。下面只介绍单相桥式半控整流电路。假设输入电压ui如图7-15(a)所示，在t处给晶闸管V1加入触发脉冲，在t 处给晶闸管V2加入触发脉冲，如图(b)所示。在输入电源电压正半周内，桥式电路中A端电位高于B端电位，晶闸管V1和整流管VD2承受正向电压，VD2导通。,图 7-14单相桥式可控整流电路（a）全控；（b）半控,图 7-15电阻负载单相桥式半控整流电路的波形,但在0之间，晶闸管V1因未得到触发电压而不能导通，因此，输出负载电流iL与输出负载电压uL均等于零，如图 7-15(c)和(d)所示。在此期间，由于整流管VD2的导通压降接近于零，所以晶闸管V1承受的电压基本上等于输入电源电压ui，如图 7-15(e)所示。在之间，晶闸管V1和整流管VD2均处于导通状态，忽略V1和VD2的正向电压降，A点与C点同电位，B点与D点同电位，因此负载电压uL就等于输入电源电压ui。,在输入电源电压ui负半周内，B点电位高于A点电位，V2和VD1承受正向电压，VD1导通。但是在期间，V2因未得到触发电压而不能导通，因此，负载电流iL和负载电压uL均等于零。在+2期间，V2和VD1都处于导通状态，输出电压uL等于输入电源电压ui。在此期间，由于V2处于导通状态，B点与C点同电位，所以VD2承受的反向电压等于ui。从输出电压uL的波形可以看出，在一个周期内，负载电压平均值UL为,将式(7-14)与式(7-9)加以比较可以看出，当输入电压和控制角都相等时，桥式整流电路的整流电压平均值为半波整流电路的两倍。当0时，晶闸管全导通，UL0.9Ui。该值与不可控桥式整流电路输出电压平均值完全相等。当180时，负载电压等于零。因此，触发脉冲的移相范围为180。负载电流平均值为,由晶闸管和二极管两端电压的波形可以看出，晶闸管承受的最大正、反向电压UTm和二极管承受的最大反向电压Udrmax均为输入电源电压的最大值，即,7.2.4 单结管触发电路 晶闸管导通并能正常工作的条件是：除在阳极与阴极之间加上正向电压外，还必须在控制极与阴极之间加上适当的触发信号。产生和控制触发信号的电路称为晶闸管触发电路。为了保证晶闸管的可靠工作，对触发信号有以下几点要求：(1)触发时能够提供足够的触发脉冲电压和电流，通常要求触发电压幅度为410V。(2)为使触发时间准确,触发脉冲的前沿要陡,一般要求前沿时间小于10 s。(3)触发脉冲要有足够的宽度，实践证明,触发脉冲的宽度最好取2050 s。,(4)触发信号必须与主电路的交流电源同步。只有主电路中的晶闸管在每个周期的导通角相等时，整流电路才能正常工作。(5)为了均匀地调整晶闸管的导通角，触发信号的相位应能连续可调，并要求有足够宽的移相范围。对于单相可控整流电路，移相范围要求接近或大于150。(6)晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不应超过0.25V，以免发生误导通。同时满足上述要求才能使可控整流电路可靠而稳定地工作。触发电路的种类很多，这里只介绍目前应用较为普遍的单结管触发电路。,图 7-16 单结管结构及符号,1.单结管的结构及特性 单结管是单结晶体管(UJT)的简称，又称为双基极晶体管。它的内部结构和符号如图7-16所示。在一个N型硅片上下两端各引出一个电极：下边的称为第一基极B1，上边的称为第二基极B2(故称双基极晶体管)，在硅片的另一侧靠近B2的部位掺入P型杂质，引出电极，称为发射极E,发射极与N型硅片间构成一个PN结，故称单结管。单结管的等效电路如图7-17(a)虚线框内所示，外接实验用电源EB及EE。图 7-17(b)是单结管的特性曲线。自PN结A点至两个基极B1、B2之间的等效电阻分别为rB1、rB2。当接上电源EB后，A点与B1之间的电压为,图 7-17单结管等效电路及特性曲线(a)等效电路；(b)特性曲线(未按比例),式中rB1/(rB1rB2)称为单结管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.50.8之间。EE为加在发射极回路的可调电源。当uEB1从零开始增加且低于UA时，PN结处于反向偏置，仅有反向电流流过PN结，rB1呈现很大的电阻，单结管处于截止状态，见特性曲线AP段。当uEB1UDUA(UD为PN结的死区电压)，PN结承受正向电压，从P区向N型硅片注入的空穴与电子复合，使rB1急剧减小，iE迅速增加，发射极电压uEB1随着iE的增加而减小，呈现出负阻特性，见特性曲线PV段。,对应峰点的电流称为峰点电流IP。曲线中V点称为谷点，对应V点的电压电流值分别称为谷点电压UV和谷点电流IV。2.单结管触发电路工作原理 单结管振荡电路如图7-18(a)所示，这是一种应用广泛的自激振荡电路。通常R1和R2的阻值远小于单结管两基极间的电阻r BB，所以单结管两基极间的电压UBBEB。当单结管截止时，电源EB经R对C充电，电容器C两端的电压uC(等于uE)按指数规律升高，如图 7-18(b)所示。,图 7-18 单结管振荡电路,当uC上升到单结管的峰点电压UP时，单结管突然导通，电容C经R1和单结管放电，uR1突然升高。因为uC不能突变，所以放电开始时，uE不变，但iE由IP突增至IN，如图 7-18(c)所示。随着C不断放电，uC(uE)逐渐降至谷点电压UV，iE也由IN逐渐减小到谷点电流IV，UR1也逐渐减小到IVR1。当uC(uE)UV时，iE由谷点电流IV突然减至反向饱和电流IS，uR1也由IVR1突然降至最低限度iB2R1。iB2为单结管截止时流过基极B2、B1的电流。此后，重复上述过程。这样在R1两端就得到一系列前沿很陡的周期性尖顶脉冲，如图7-18(b)所示。,改变R的阻值，即可改变uC上升到UP所需的时间，因此可以调整输出脉冲的周期T或频率f。3.同步和移相方法 上述的单结管振荡电路还不能直接用于晶闸管整流电路中，因为可控整流电路还要求触发脉冲与主电路的电源电压同步。单结管同步触发电路如图7-19(a)所示。它是采用变压器实现同步的。它的初级绕组与主电路由同一个交流电源供电，电源u1经变压器T降压后进行整流，得到图 7-19(b)中ui波形；再经电阻R3和稳压管VZ削波，得到uZ波形。它是个梯形波，用它作为单结管振荡电路的同步电源。,当交流电源电压u2过零时，uZ也过零，即单结管的uBB=0于是uP也近似为零，单结管E、B1之间导通。所以电容C将迅速放完所存电荷，uC迅速降为零值。当u2再次过零变为正时，uC又从零值开始升高，重复上述过程。这样就保证了触发电路与主电路之间严格的同步关系，结果，在各个周期中，晶闸管的导通角相同。各点波形如图 7-19(b)所示。在图7-19(a)所示的电路中，人工调整R，即可改变第一个触发脉冲的相位。R减小，产生脉冲的数目增多，则第一个脉冲发出的时刻往前移，uo波形上的角减小，增大，整流电压平均值uo升高，达到调节uo的目的。其移相范围主要取决于经削波后梯形波平顶段的电压，而且电容C充电也必须占有一定的时间，所以小于180，移相范围约为140。,图 7-19 单结管同步触发电路,7.3.1 三端固定电压式集成稳压器7.3.2 三端可调式集成稳压器7.3.3 正、负跟踪可调集成稳压器,7.3 线性集成稳压器,7.3 线性集成稳压器,集成稳压器与一般分立元件的稳压器比较，具有稳压性能好，可靠性高，组装和调试方便等优点，因此获得了广泛的应用。目前集成稳压器已发展到数百个品种，常用的有下列几种：(1)三端固定电压式集成稳压器。这类稳压器有输入、输出和公共端这3个端子。输出电压由制造厂家预先调整好，使用时不能调节。采用F-1，F-2型等标准晶体管外壳，或S-7型功率塑料外壳，常用的有 W78XX系列和W79XX系列等。(2)三端电压可调式集成稳压器。这种稳压器有万能通用电源之称，外接少量元件就可以得到较大范围内的输出电压，使用十分方便，并能获得高的稳压精度。常用的有LM11/217/317和LM137/237/337等。,(3)跟踪稳压器(正、负电源集成稳压器)。在要求正负电源对称的场合(如运算放大器等)，就需采用跟踪稳压器。跟踪稳压器能保证正、负输出电压始终是平衡的，中点始终为地电位，具有自动跟踪能力。常用的有MC1568MC1468等。(4)浮置稳压器。如果要求输出电压的最大值超过40 V，可采用MC1466MC1566型浮置稳压器。虽然一般线性集成稳压器也可用扩展电压的方法提高输出电压，但其输出电压的调节范围不可能做到浮置稳压器那么宽。,7.3.1 三端固定电压式集成稳压器 1 基本原理 W78MXX系列、W78XX系列和W78LXX系列是三端固定正压集成稳压器。3 个系列的区别是输出电流不同，W78MXX为0.5，78XX为1.5，78LXX为0.1。W79MXX系列、W79XX系列和79LXX系列是三端固定负压集成稳压器，与W78MXX系列、W78XX系列和W78LXX系列相对应。XX表示输出电压的大小，例如XX为05，则表示输出电压为5V，如果XX为12，则表示输出电压为12 V。输出电压主要有：,5 V、6 V、9 V、12 V、15 V及24 V。W78MXX系列、W78XX系列和W78LXX系列的引脚图如图7-20所示，W79MXX系列、W79XX系列和79LXX系列的引脚图如图7-21所示。三端固定电压式集成稳压器原理框图和芯片内部电路分别如图7-22(a)、(b)所示。可以看出，它由基准电压源、比较放大器、调整电路和取样电路等组成。1)基准电压源 基准电压源的电压值是决定集成稳压器输出电压的重要部分，要求其内阻小，稳定性高，图 7-22(b)中的Z1、12和电阻4、5、6、R18构成基准电压源。由图可知,图 7-22 三端固定电压式集成稳定器,当Z、BE12具有相同的温度系数时，基准电压UR就具有零温漂的特性。)比较放大器 比较放大器将取样电压与基准电压的差值放大后，去控制调整电路的输出电压，要求具有高增益、低温漂和低噪声性能，图 7-22(b)中虚线内所示即为比较放大器，其基本结构与F007的输入级和中间级相同。,)调整电路 调整电路受比较器控制来调整输出电压，要求有足够的电流和承受较大的耗散功率，图中的16、17构成复合电路。)取样电路 取样电路取出输出电压的一部分送至比较放大器，由图中的R19、R20组成。稳压器输出电压可按下式计算:Uo)保护电路 保护电路是为了保证集成稳压器安全工作所必需的附加电路，包含过流保护、芯片过热保护和调整管安全工作区域保护电路。,过流保护电路由R11和15组成，R11接在调整管17的发射极与输出端之间。当输出电流超过规定值时，R11两端的压降超过0.7，16、V17基极电位下降，从而限制了输出电流的最大值。R12、R13、VZ2和V15组成调整管安全工作区保护电路。当输出电流小于容许电流时，17的集射极电压被限制在一定的范围内(约V)。超过这个范围时，稳压管VZ2导通，R13、VZ2支路内的部分电流注入到V15基极，使V15导通，从而限制V17的电流。,V17上的集射极电压越高，V15的基极电流就越大，V17的集电极电流也就减少越多，因此，V17的工作电压和电流都可保护在安全工作区域内，这样就能防止二次击穿现象。芯片过热保护电路由R7及V14组成。R7是正温度系数的扩散电阻，V14的EB结具有负的温度系数，V14的集电极与V16的基极相连。当温度较低时，R7两端的压降不能使V14导通，V14对输出管V16没有影响。当芯片温度达到临界值时，R7两端的压降升高，V14导通，它的集电极电位降低，V16、V17输出电流减小，因此芯片的功耗减小，芯片的温度降低。,2.典型应用 各种三端固定电压集成稳压器无论采用何种电路，应用方法都是相同的，图7-23(a)和(b)分别是W78M05和W79M15集成稳压器的实际应用电路。输入端电容C1用来减小输入电压中的波纹。输出端电容C2 用来改善瞬态负载响应特性。应该按要求的输出电压和输出电流选用适当的型号。3 扩展应用 1)提高输出电压的方法 三端固定电压集成稳压器的最高输出电压为24V。当需要提高输出电压时，可以采用图7-24(a)所示的升压电路，电阻R1两端电压为稳压器的标称输出电压。整个稳压电源的输出电压Uo由下式决定:,图 7-23 集成稳压器的应用电路,图 7-24 提高输出电压的方法,式中，UXX为三端稳压器W78XX的标称输出电压；IQ为三端稳压器W78XX的静态工作电流。一般三端稳压器的IQ约为几个毫安。当R1、R2的阻值较小时，静态电流IQ在电阻R2两端的电压降IQR2可以忽略。这样式(7-28)就可近似为 Uo(1 从式(7-22)可以看出，输出电压仅与R2/R1的比值和UXX有关。这种接法的缺点是，当输入电压变化时，稳压器的静态电流IQ也变化，IQ的变化将降低稳压器的稳压精度。,对于输出负电压的集成稳压器，可以采用图 7-22(b)所示的升压电路。2)扩展输出电流的电路 三端稳压器可以通过外接功率管来扩展输出电流，如图7-25所示。图 7-25(a)中外接的PNP管与W78MXX中的NPN调整管组成复合管，使用时应根据所需的负载电流选用适当的外接晶体管。由于通过R1的电流流有W78MXX的空载电流和部分负载电流，故阻值不宜大，一般约几欧姆。为了避免外接调整管因过流而损坏，应增加如图7-25(b)所示的限流保护电路。该稳压电源输出的最大电流由下式决定：,图 7-25 扩展输出电流电路,3)跟踪稳压电源 图7-26所示的稳压器使用W78MXX做正电源，用运算放大器和功率管做成跟踪正电源变化的负电源。跟踪原理如下：当+Uo和-Uo绝对值相等时，007反相输入端的电位就为零。当Ui或负载变化而使+Uo升高时,则运算放大器007反相输入端的电位就大于零，007的输出(即V基极电位)就变得更负。和1组成射极跟随器，其输出电压(-Uo)就要跟随基极电位的变负而更负。反之亦然。从而实现了二者的跟踪关系。,图 7-26 跟踪稳压电源电路,4)高输入电压电路 当实际输入电压超过指标中规定的最高输入电压时，可以在三端稳压器输入端加一级简单的稳压电路，降去一部分电压，如图7-27所示。图 7-27（a）中的集成稳压器的输入电压为Ui=Ui-(UZ+UBE)，图 7-27（b）中的集成稳压器的输入电压为Ui=UZ-UBE。,图 7-27 高输入电压电路,7.3.2 三端可调式集成稳压器 1.117217317系列 117系列是输出电压为1.2 37V的可调式三端线性集成稳压器。117系列的引脚图和原理图如图7-28所示。使用时，只要稳压器输入与输出的电压差在340V之间，117系列的稳压器就能正常工作。其典型应用电路如图7-29(a)所示。工作时，LM117的输出和调节端之间形成1.25V的基准电压UREF，该基准电压加在设定电阻R1上，产生恒定电流。该电流再流过输出设定电阻R2。因而输出电压为,图 7-28 117系列的引脚图和原理图,图 7-29 117系列稳压器应用电路,117系列稳压器本身具有较高的稳压精度，但调整端通过电阻R2接地，这样输出电压的精度会受到R2和调整端电流变化的影响。为消除R2的影响，可以采用高精度稳压管代替电阻R2，其电路如图7-29（c）所示，R3用以微调输出电压。输出电压为,2.LM137237337系列 LM137237337系列是输出电压为-1.2-37的可调式三端线性集成稳压器。同117系列类似，LM137系列稳压器需要外接两个电阻来决定输出电压，其典型应用电路如图7-30所示。输出电压连续可调，可正、可负的稳压电源可以用LM117和LM137来实现。其电路如图7-31所示。该电路的输出电压为1220。3.LM196396 LM196/396大电流可调稳压器可以在1.2515输出电压范围内提供大于10 A的输出电流，芯片的耗散功率可达70W。,图 7-30 137系列应用电路,图 7-31 正、负可调输出稳压电源,LM196的引脚和典型应用电路如图7-32所示。其输出电压为,电阻R1和R2需选用温度系数小的电阻如金属膜电阻，其误差应小于1%。C3是用于改善纹波抑制比和噪声(也可以不用该电容)。如果采用C3，C2必须选用1F以上的电容，并靠近稳压器输出端连接。C3和C2均应为钽电容。当电源的滤波电容距离稳压器较远时才采用C1，并且要用较粗的引线，在尽量靠近稳压器输入端的地方连接。,图 7-32LM196引脚和典型应用电路(a)LM196引脚;(b)LM196典型应用电路,7.3.3 正、负跟踪可调集成稳压器 在需要正、负极性电压源，同时要求这种电源能够在外界电网电压波动及负载电流发生变化时有较好的正、负跟踪特性和优良的稳定性时，可以采用CW4194正负跟踪可调集成稳压器。CW4194由基准电压及高稳定度恒流源电路、误差信号放大电路、正负电压跟踪电路及其他电路(快速启动电路、内部偏置电路、芯片过热关闭电路、输出过流及短路保护电路)组成，内部框图如图7-33所示。,图 7-33CW4194的内部框图,CW4194典型应用电路如图7-34(a)所示。当外接电阻0在016.8变化时，输出电压变化范围为0.0542，外接电容C0用于补偿和消除振荡。在需要较大输出电流的场合(如功率放大器BTL、OCL电路中)，在CW4194典型应用电路上加扩流电路即可满足要求，如图7-34(b)所示。,图 7-34CW4194应用电路(a)典型应用电路;(b)扩流应用电路,7.4.1 开关稳压电源的基本原理7.4.2 集成开关稳压器,7.4 开关型稳压电源,7.4 开关型稳压电源,线性稳压电源具有稳定性好、波纹小，瞬态响应快、线路简单、工作可靠等优点，然而由于功率调整器件串联在负载回路里，而且工作在线性区，因此功率转换效率比较低。为了提高效率，降低稳压电源的重量和体积，从20世纪60年代中期开始，开关稳压电源在国内外得到迅速的发展和广泛的应用。开关稳压器中调整管处于开关工作状态，即由截止到饱和及由饱和到截止两种状态，大大地减小了功耗。另外，开关稳压器还可以将低电压变换成稳定的高电压，或转换极性等。它的主要缺点是输出电压纹波较大，电路比较复杂。,7.4.1 开关稳压电源的基本原理 开关稳压电源的方框图如图7-35所示。图中50Hz市电通过输入回路中的整流器和滤波器转换成直流电压输入高频变换器。高频变换器把输入的直流电压转变为高频(20kHz)脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过输出回路中的高频整流器和滤波器变成直流电压供给负载。高频变换器是开关稳压电源的核心。它和输出回路一起组成开关稳压电源的主回路。稳定输出电压的任务是由控制电路来完成的。控制电路内部包含有基准电源，振荡频率由外接电阻RT和电容CT决定的振荡器，比较放大器，脉宽调制器(或脉频调制器)等。,图 7-35 开关稳压电源方框图,控制电路稳定输出电压的原理为：当负载RL的阻值增大或输入电网电压升高而引起开关稳压电源的输出电压轻微上升时，控制电路就能使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变窄(或开关频率降低)，从而使开关稳压电源的输出电压下降，起到稳定输出电压的作用；反之，当电网电压下降引起输出电压下降时，控制电路使高频变换器输出的脉冲方波的宽度展宽(或开关频率升高)，从而使输出电压上升。1.串联型脉宽调制式开关稳压电路 串联型脉宽调制式开关稳压电路的主要回路如图7-36所示。图中功率开关管、输入电压、输出电压三者串联，故称串联型。,图 7-36 串联型脉宽调制式开关稳压电路,在、L、C、D均为理想元件的情况下，当开关管基极上加有正脉冲电压时，导通，此时电感L两端的电压为Ui-Uo，电压极性是左正右负，D处于反偏截止，L上流过一个线性增长的电流，将从最小值ILm开始增加。此电流先向负载RL输送电流(此时电感上的电流低于负载电流，故C向RL放电)。当电感上电流大于RL上电流时，电感上电流一方面向C充电，另一方面向RL输送，在此期间，电感上逐步积累磁能。当开关管基极上无脉冲电压或加有负脉冲电压时，截止，L上的电压极性发生反转，即变为左负右正，导通，先前储存在L中的磁能开始转换成电流而释放。,此电流一方面向RL提供电流以维持RL中电流的连续性；另一方面先向电容C充电(当电感中的电流大于负载电流时)，继而向RL放电(当电感中的电流小于负载电流时)，此期间电感L上的电压被钳位于Uo。电感L及电容C上的电压、电流波形如图7-36(b)所示。由uL波形得到,(Ui-Uo)Ton=UoToff即,式中，k=Ton/T称为时间比例系数。改变k就能改变输出直流电压Uo。由式(7-27)可以看出，改变脉冲宽度Ton稳定输出电压。例如因负载电流增大或电网电压降低,而使输出电压Uo下降时，通过控制电路使Ton增加，就可以使Uo上升到原来的稳定值。续流二极管D电感释放储能量提供通路，使截止时负载中仍有电流流过。2.并联型脉宽调制式开关稳压电路 并联型脉宽调制式开关稳压电路的主要回路如图7-37所示。图中功率开关管、输入电压、输出电压三者并联，故称并联型。当开关管基极上加有正脉冲电压时，导通，集电极电位近似为零，使D反偏截止。,图 7-37 并联型脉宽调制式开关稳压电路,输入电压Ui通过电流ic向电感L储能。这时负载电流由前几个周期已充了电的电容C的放电电流供给，电流方向如图 7-37(b)所示。当开关管基极上没有正向脉冲电压或所加的是负脉冲电压时，截止。由于电感中电流不能突变，这时在L两端产生自感电势并通过续流二极管D向电容C充电，以补充放电时所消耗的电能，同时向负载RL供电，电流方向如图 7-37(c)。当开关管再次加有正脉冲电压时，将再次重复Ui向L输送能量的过程，如此循环下去。,7.4.2 集成开关稳压器 常用的集成开关稳压器通常分为两类。一类是单片的脉宽调制器，其代表产品有SG1524、TL494等。这类脉宽调制器需要外接开关功率调整管，其电路复杂，但应用灵活。另一类把脉宽调制器和开关功率管制作在同一芯片上，构成单片集成开关稳压器，其代表产品有LH1605、A78S40等。这类集成开关稳压器集成度更高，使用方便。1.SG152425243524 SG1524系列是采用双极型工艺制作的模拟、数字混合集成电路，其原理框图及管脚图如图7-38所示。,图 7-38SG15242524352