《直流稳压》课件.ppt

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1、模拟电子技术基础,第1章 二极管及其基本电路,第1章 二极管及其基本电路,学习重点：PN结的基本知识半导体二极管的结构、伏安特性、应用电路。学习内容:PN结的基本知识、半导体二极管、半导体二极管。,第1章 二极管及其基本电路,1.1 半导体基础理论知识 半导体材料（semiconductor material）导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。硅（Si）和锗（Ge）是主要的半导体材料，其中硅（Si）是占据了90以上的半导体材料份额。

2、硅和锗材料在电子、冶金、化工、军事、航天等领域有广泛的用途。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。本征激发（热激）：当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体的两种载流子温度越高，半导体材料中产生的

3、自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.1所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.1 本征激发产生电子空穴对,第1章 二极管及其基本电路,N型和P型杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。1、N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无

4、共价键束缚而很容易形成自由电子。N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。如图1.2所示。,第1章 二极管及其基本电路,N型半导体,图1.2 N型半导体的共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图1.3所示。,图

5、1.3 P型半导体共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,PN结的行成及其单向导电性将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区内电场内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散。最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。如图1.4所示。,第1章 二极管及其基本电路,图1

6、.4 P型和N型半导体交界处载流子的扩散,第1章 二极管及其基本电路,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.5所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.5 PN结的形成,第1章 二极管及其基本电路,PN结单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压

7、，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图1.6所示。外加的正向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。,第1章 二极管及其基本电路,图1.6 PN结加正向电压时的导电情况,第1章 二极管及其基本电路,PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图1.7所示。外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动

8、的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。这样的反接电压使N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以是很微弱的，一般硅管为微安数量级。由于很小，所以 PN结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称PN结截止。PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；加反相电压

9、时，电阻值很大，PN结截止，这就是它的单向导电性，PN结的单相导电性关键在于它的耗尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化。,第1章 二极管及其基本电路,图1.7 PN结外加反向电压,第1章 二极管及其基本电路,PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB；二是扩散电容CD。势垒电容CB。势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图1.8。图1.8 势垒电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,（2）扩散电容CD。扩散电容是由多

10、子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.9所示。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,第1章 二极管及其基本电路,图1.9 扩散电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,二极管及其特性 二极管的结构和类型接在二极管P区

11、的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。图1.10为不同结构的二极管。图1.10不同结构的二极管,第1章 二极管及其基本电路,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。A K 图1.11 二极管的符号常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12

12、所示为几种常见的二极管外形及实物。图1.12 几种常见的二极管外形及实物,第1章 二极管及其基本电路,二极管的特性(1).二极管伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为1.1式。1.1此式称为理想二极管电流方程。式中，IR称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图1.13中，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。,第1章 二极管及其基本电路,(2).正向特性二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图2.1

13、5所示，当二极管所加正向电压比较小时（0UUth），二极管上流经的电流为0mA，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。当二极管承受正向电压小于某一数值时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电压约为0.2V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.

14、7V，锗管的UF为0.3V。(3).反向特性二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。二极管外加反向电压时，反向电流很小（I-IR），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。,第1章 二极管及其基本电路,(4).反向击穿特性 当反向电压增大到某一数值UBR时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普

15、通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。(5).二极管的温度特性二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。图1.14所示为温度对二极管伏安特性的影响。,第9章 直流稳压电源,当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机

16、、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的

17、电源就是直流稳压电源(DC Regulated Power Supply)。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。一般电子设备所需的直流稳压电源都由电网中50Hz/220V交流电转化而来。直流稳压电源的结构框图如图9.1所示。直流稳压电源是将交流电变换成功率较小的直流电，一般由变压、整流、滤波和稳压等几部分组成。,第9章 直流稳压电源,图9.1直流稳压电源的结构框图,第9章 直流稳压电源,变压器：交流降压；整流器：将交流电变为单向脉动的电量；滤波器：减少波形脉动，使波形平滑；稳压器：负载变化或电网波动时使输出电压稳定。直流稳压电源的基本功能和要求:(1)、输出电压值能够在额定输出电压值以

18、下任意设定和正常工作。(2)、输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。(3)、直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。(4)、对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。(5)、对于输出电压之和电流值有精准要求的直流稳压电源，一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入。(6)、要有完善的保护电路。直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。本章就围绕直流稳压电源的各个环节，分析和讨论如何才能设计出满足要求的稳压电源。,第9章 直流稳压电源,9.1 整流电路 所谓整流电路就是将交流电压（电流）变成直流

19、电压（电流）的过程。利用有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为：(1)、单相整流；(2)、三相整流；(3)、倍压整流。整流电路按输出波形又可分为：（1）半波整流电路；(2)全波流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。,第9章 直流稳压电源,单相整流电路 1、半波整流电路 单相半波整流电路图9.2所示，图中T为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。设D为整流二极管，令它为理想二极管，RL为要求直流供电的负载等效电阻。,图9.2单相半波整流电路图,第9章

20、 直流稳压电源,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。(1)、u2 0时:二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2;(2)、u20时:二极管截止,uo=0V。单相半波整流电压波形如图9.3所示。,第9章 直流稳压电源,输出电压平均值（Uo）和输出电流平均值（Io)，见式9.1和9.2所示。(9.1)Io=Uo/RL=0.45 U2/RLUDRM为半波整流电路中，二极管上的平均电流及承受的最高反向电压，如图9.4所示。,第9章 直流稳压电源,9.6单相全波整理电路的波形图,第9章 直流稳压电源,二极管上的平均电流：ID=IO，承受的最S高反向电

21、压:脉动系数UO1M：输出基波幅值；UO(av)：输出平均电压。半波整流电路的特点:负载上得到单方向的脉动电压，由于电路只在u2的正半周有输出，所以称为半波整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大，因此，它只使用于要求不高的场合。2、单相全波整流电路原理：变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2,当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。电路原理图如图9.5所示。图9.6为单相全波整理电路的波形图。,第9章 直流稳压电源,输出电压平均值（Uo）和输出电流平均值（Io)如式（9.3）和（9.4）：二极管上的平均电流：ID=1/2I

22、O,二极管承受的最高反向电压：,第9章 直流稳压电源,2、单相桥式整流电路电路组成：T为变压器，VD1VD2为四个整流二极管，也常称为整流桥。图9.7(a)为单相桥式电路的原理图,9.7(b)为其简化画法。,9.7 单相桥式电路,第9章 直流稳压电源,工作原理:设(1)u2正半周:VD1、VD2导通,VD2、VD4截止；即：(2)u2负半周:VD2、VD4导通,VD1、VD3截止；即：单相桥式整流电路的波形示意图如图9.8所示。,第9章 直流稳压电源,图9.8单相桥式整流电路的波形示意图,第9章 直流稳压电源,参数计算：(1)输出平均电压Uo（av）：输出电压Uo在一个周期中的平均值，如式(9

23、.5)所示，即：(2)输出平均电流Io（av）：(3)二极管承受的最高反向峰值电压,第9章 直流稳压电源,(4)脉动系数S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得(9.7),(9.8)为脉动系数。桥式整流电路的特点:同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方 向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压uo提高，脉动成分减小了。,第9章 直流稳压电源,此外，将单相桥式整流电路的四只二极管制作在一起，封成一个器件称为整流桥。常用的整流组合元件有半桥堆

24、和全桥堆。半桥堆的内部是由两个二极管组成，而全桥堆的内部是由四个二极管组成。集成硅整流桥符号和外形如图9.9所示。图9.9 集成硅整流桥符号及外形,第9章 直流稳压电源,9.2滤波电路：滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。如图9.10所示：图9.10 电容滤波和电感电路,第9章 直流稳压电源,1、电容滤波电路电容滤波原理：以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图9.11所示。图9.11 桥式整

25、流电容滤波电路(1)、电路组成如图9.11所示:C并在RL两端，为滤波电容器。(2)、工作波形：设初始电压uc=0(a)u2正半周：VD1、VD3导通,C充电,uo=uc=u2(b)当 u2达到峰值a点后，开始下降,第9章 直流稳压电源,u2ucu2 VD1，VD3截止,C向RL放电,uo（uc）按指数规律下降，四个二极管仍然截止。(c)当uo（uc）b点时，|u2|=|uo|,u2 过了b点VD2、VD4导通 C再次充电uo=|u2|(d)当u2达到峰值后VD2、VD4截止 C向RL充放电,电容如此反复充放电，输出波形如图9.12所示。,第9章 直流稳压电源,(3)、由于二极管截止期间C向R

26、L放电缓慢，使 Uo（av）的脉动减少，波形平滑了许多，Uo（av）提高，当RL=，为了取得良好的滤波效果，一般取，T为交流电源的周期,此时：Uo（av）1.2U2(4)、二极管的导通角小于，所以C充电的瞬间电流放大，为了保护二极管，常在滤波电容前串接一个小的电阻。工程上选择二极管的条件：IFM=（23）Io（av）。电容滤波电路简单，输出电压平均值Uo较高，脉动较小，但是二极管中有较大的冲击电流。因此，电容滤波电路一般适用于输出电压较高、负载电流较小并且变化也较小的场合。其他滤波电路1、RC型滤波电路图9.13所示是RC型滤波器。图中C1电容两端电压中的直流分量，有很小一部分降落在R上，其余

27、部分加到了负载电阻RL上；而电压中的交流脉动，大部分被滤波电容C2衰减掉，只有很小的一部分加到负载电阻RL上。此种电路的滤波效果虽好一些，但电阻上要消耗功率，所以只适用于负载电流较小的场合。,第9章 直流稳压电源,2、LC型滤波器图9.14所示是LC型滤波电路。可见只是将RC型滤波器中的R用电感L做了替换。由于电感具有阻交流通直流的作用，因此在增加了电感滤波的基础上，此种电路的滤波效果更好，而且L上无直流功率损耗，所以一般用在负载电流较大和电源频率较高的场合。缺点是电感的体积大，使电路看起来笨重。3、电感滤波电路图9.15所示电路是电感滤波电路，它主要适用于负载功率较大即负载电流很大的情况。电

28、感滤波电路输出电压平均值Uo的大小一般按经验公式计算：Uo=0.9U2,第9章 直流稳压电源,第9章 直流稳压电源,4、LC型滤波电路图9.16所示电路为LC型滤波电路,多用于较大功率电源中(而且当电流很大时仅用一电感器与负载相连)。,第9章 直流稳压电源,9.3稳压电路当电路中起稳压调整作用的晶体管或集成块中的电压（或电流）为连续变化时，此电路称为线性稳压电路。稳压电源类型:(1)稳压管稳压电路,这种电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。(2)线性稳压电路,这是本节讨论的重点。(3)开关型稳压电路，这种效率较高，目前用的也比较多。稳压电路的作用：整流滤波电路的输出

29、电压和理想的直流电源还有相当的距离，主要存在两方面的问题：(1)当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压将随之发生变化；(2)当电网电压波动时,因整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关，因此也要相应地变化。在整流滤波电路的后面再加上稳压电路，以提供更加稳定的直流电源。下面对这几种稳压电路作以简单介绍。,第9章 直流稳压电源,稳压管稳压电路 这种稳压电路的稳压原理主要是利用稳压管的反向击穿特性。在反向击穿区，较大的电流变化I,只会引起较小的电压变化U；根据伏安特性，若工作电流太小，例如在零电流附近，则电压随电流的变化很大，即稳压性能不好；工作电流太大，则由可能超过管子的额

30、定功耗，造成损坏。故稳压管应工作在规定的电流范围内。1、硅稳压管稳压电路及稳压过程:UI为整流滤波后所得的直流电压。为保证工作在反向击穿区，二极管VDZ反接。电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时，调节R本身压降来保持输出电压基本不变。稳压过程如下:(电网电压波动时）稳压电路电路原理如图9.17所示。,第9章 直流稳压电源,图9.17 稳压电路电路原理,第9章 直流稳压电源,2、内阻和稳压系数的估算：(1)内阻RO：直流输入电压UI不变时，输出端的U与I之比。其交流等效电路如图9.18所示.,由于一般情况下能够满足 故上式可化简为由此可知，则稳压电路的内阻 也越小，当负载变化时，稳压电路的稳

31、压性能越好。(2)稳压系数 不变时，稳压电路的输出电压与输入电压的相对变化量之比。,第9章 直流稳压电源,其交流等效电路如图9.19所示。越小,越大,则 越小,稳压电路的稳压性能越好。图9.19交流等效电路(3)限流电阻的选择：限流电阻R的阻值必须选择适当，才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时，很好地实现稳压作用，见图9.20所示。(a)R太大,则IR很小,当IR增大时,稳压管的电流可能减小到临界值以下，失去稳压作用。所以，当电网电压最高和负载电流最小时,的值最大,此时不应超过允许的最大值,即,第9章 直流稳压电源,(b)R太小,则 IR很大,当RL很大或开路时,IR都流向稳压管,可能超过其

32、允许定额而造成损坏。所以，当电网电压最低和负载电流最大时,的值最小。即：,图9.20,第9章 直流稳压电源,例9.1：在如图所示的硅稳压管稳压电路中,设稳压管的 给定当 由 变到 时,的变化量为0.35V。试选择限流电阻R；估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。解:由给定条件知,第9章 直流稳压电源,可取 电阻上消耗的功率可选200,1W的碳膜电阻(RT-1W-200)。再由给定条件可求得则输出电阻为：估算稳压系数时,取 当输出电压不需要调节,负载电流比较小的情况下,硅稳压管稳压电路的效果较好,所以在小型的电子设备中经常采用这种电路。缺点：(1)输出电压由稳压管的型号决定,不可随意调节;(2)

33、电网电压和负载电流的变化范围较大时,电路将不能适应。为了改进以上缺点,可以采用线性稳压电路，在线性稳压电路中我们以串联型直流稳压电路为例为大家做详细的说明。,第9章 直流稳压电源,串联型直流稳压电路性能指标 一般用技术指标衡量串联型稳压电路的性能。技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流稳压程度，包括稳压系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻、温度系数及波纹电压等。这些质量指标的含义如下：稳压电路的质量指标 由于输出直流电压随输入直流电压（即整流滤波电路的输出电压，其数值可近似认为与交流电源电压成正比）、输

34、出电流和环境温度的变动而变动，即输出电压，因而输出电压变化量的一般式可表示为：系数KU是输入调整因数，反映了输入电压波动对输出电压的影响，实用上常用输入电压变化时引起输出电压的相对变化来表示，称为电压调整率，即:有时也以输出电压和输入电压的相对变化之比来表征稳压性能，称为稳压系数，其定义可写为,第9章 直流稳压电源,稳压电源的内阻ro反映负载电流 变化对 的影响:有时也用电流调整率 表示:它反映了直流稳压电源克服负载变化影响的能力。当输入电压和负载电流均不变时，输出电压的变化量与环境温度变化量之比,反映了直流稳压电源克服温度影响的能力:纹波抑制比为输入纹波电压峰值 UIP与输出纹波电压峰值UO

35、P之比。反映输入电压UI中含100 Hz 交流分量峰值或纹波电压有效值经稳压后的减小程度。稳压系数较小稳压电路，它的输出纹波电压一般也较小,第9章 直流稳压电源,串联反馈式稳压电路(1)组成和工作原理 串联型稳压电路组成框图如图9.21(a)所示，包括四个组成部分：基准电压；比较放大；输出电压取样电路；调整元件。9.21(b)所示为串联反馈式稳压电路的原理电路图。,9.21串联型稳压电路,第9章 直流稳压电源,基准电压：基准电压由稳压管VDZ提供,接到放大电路的同相输入端。采样电压与基准电压进行比较后,再将二者的差值进行放大。电阻R的作用是保证VDZ有一个合适的工作电流。比较放大电路A：它的作

36、用时将稳压电路输出电压的变化量进行放大,然后再送到调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大,则只要输出电压产生一点微小的变化,即能引起调整管的基极电压发生较大的变化。输出取样电路：由电阻R1、R2、R3组成。当输出电压发生变化时,采样电阻取其变化量的一部分送到放大电路的反相输入端。调整元件：当输出电压Uo由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时,其变化量经采样、比较、放大后送到调整管的基极,使调整管的集射电压发生相应的变化。最终调整输出电压使之基本保持稳定。VT为调整管:它工作在线性放大区，故又称为线性稳压电路。R3和稳压管VD组成基准电压源，为集成运放A的同相输入端提供基准电压；R1、R

37、2和Rp组成取样电路，它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放A的反相输入端；集成运放A构成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。从反馈放大器角度看，该电路属电压串联负反馈电路。,第9章 直流稳压电源,稳压过程：输出电压可以通过改变采样电阻中电位器的滑动端位置在一定范围内调节。即：反之,若R2滑动端向下移动,则Uo增大。假设放大电路A是理想运放,且工作在线性区,则U+=U-=UZ=UF,而且两个输入端不取电流,则 或 当R2的滑动端调至最上端时,Uo达到最小值,此时 当R2的滑动端调至最下端时,Uo达到最大值,此时,第9章 直流稳压电源,例9.2:设如图9.22所示串联型直流稳

38、压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为UZ7V，采样电阻R1=3K，R2=2K,R3=3K,试估算输出电压的调节范围。解：因此,稳压电路输出电压的调节范围是(11.218.7V),图9.22 串联型直流稳压电路,第9章 直流稳压电源,调整管的选择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，以保持输出电压稳压，还要提供负载所要求的全部电流，因此调整管的功耗比较大，通常采样大功率的三极管。为了保证调整管的安全，在选择三极管的型号时，应对三极管的主要参数进行初步的估算。a.集电极最大允许电流ICM假设流过采样电阻的电流为IR，则 b.集电极和发射极之间的最大允许反向击穿电压U(BR)

39、CEO正常工作时调整管上的压降约为几伏。负载短路时UI全部加在调整管两端。在电容滤波电路中，UI可能接近于变压器副边电压峰值 再考虑电网可能有的波动,因此，根据调整管可能承受的最大反向电压，应选择三极管的参数为 是空载时整流滤波电路的最大输出电压。c.集电极最大允许耗散功率PCM调整管的功耗为故，为保证调整管工作在放大状态，UCE通常为(38)V。故,若为桥式整流、电容滤波电路,并考虑到电网电压可能有,第9章 直流稳压电源,的波动，要求变压器副边电压为：(4)稳压电路的过载保护使用稳压电路时,如果输出端过载甚至短路，将使通过调整管的电流急剧增大,故在实用的稳压电路中通常加有必要的保护电路,以免

40、调整管造成损坏。b.温度保护型：利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。限流型保护电路如图9.23所示。,图9.23,第9章 直流稳压电源,当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如图9.24所示。截流型保护电路如图9.25所示。它是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性如图9.26所示。,图9.26,第9章 直流稳压电源,9.4 集成三端稳压器 三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用

41、。三端式稳压器有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电源)。图9.27所示为CW7800和CW7900系列塑料封装和金属封装三端集成稳压器的外形及管脚排列。,图9.27,第9章 直流稳压电源,1、基本应用电路 图9.28所示为7800系列集成稳压器的基本应用电路。由于输出电压决定于集成稳压器，所以图9.28输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。2、提高输出电压的电路 提高输出电压的电路如图9.2

42、9所示。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时，可外接一些元件提高输出电压，图9.29所示电路能使输出电压高于固定电压，图中的UXX为CW78系列稳压器的固定输出电压数值，显然有：UO=UXX+UZ；,图9.28,第9章 直流稳压电源,也可采用图9.30所示的电路提高输出电压。图中R1、R2为外接电阻，R1两端的电压为三端集成稳压器的额定输出电压UXX，R1上流过的电流为IR1=UXXR1，三端集成稳压器的静态电流为IQ，则有：IR2=IR1+IQ；,图9.29,图9.30,第9章 直流稳压电源,3、输出正、负电压的电路 图9.31所示为采用CW7815和CW7915三端稳压器各一块组成的具有同时输出+15V-15V电压的稳压电路。恒流源电路集成稳压器输出端串入阻值合适的电阻，就可构成输出恒定电流的电源，如图9.32所示。,图9.31,图9.32,第9章 直流稳压电源,IQ为稳压器静态工作电流，由于它受UI及温度变化的影响，所以只有U23/RIQ时，输出电流IQ才比较稳定。,