模拟电路教学课件

第六章 直流稳压电源

6.1 分立元件稳压电路

6.2 线性集成稳压电路

6.3 开关稳压电源

第六章 直流稳压电源教学目标：1. 熟悉直流稳压电源主要性能指标。熟悉并联稳压电路组成原理、 适用场合和元器件选择方法，会分析电路简单故障。

2. 掌握串联反馈型分立元件稳压电路组成原理及输出电压计算方法。

3. 熟悉三端线性集成稳压器，掌握其组成原理及应用电路。会估算输出电压，能正确选用集成稳压器及外接元件。

4. 熟悉三端可调集成稳压器应用电路，会估算输出电压调节范围，能正确选用元器件。

5. 了解低压差集成稳压器及其应用。

6. 了解开关电源分类、基本原理。

返回第六章

6.1 分立元件稳压电路

直流稳压电源的组成 :

• 电源变压器 : 将交流电源电压 u1 变换为合适的交流电压 u2 。• 整流电路 : 将交流电压u2变换为脉动的直流电压u3。

• 滤波电路 : 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。

• 稳压电路 : 清除电源电压波动及负载变化的影响，保持输出电压 uo 的稳定。

电源变压器

6.1.1 直流稳压电源及其主要性能指标

整流电

滤波电

稳压电

u2 u3 u4 uo

整流电

滤波电

稳压电

u2 u3 u4 u整流电路

滤波电路

稳压电路

u1u2 u3 4

返回第六章

一、整流滤波电路存在的问题1. 电网电压波动时，会引起输出直流电压变化；2. 整流滤波电路内电阻、负载变化时，会引起输出电压变化。

二、稳压电路类型

1. 硅稳压管构成的稳压管稳压电路（热稳定性较好）；

2. 用三极管构成的串联型稳压电路；

3. 集成稳压电路。

4. 开关型稳压电路

返回 6.1.1

O

O O0

0I I

/

/ IT

U U

U Us

三、稳压电路的主要性能指标

1. 稳压系数

当负载、环境温度不变时，输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。

Sr 越小，稳压效果越好。

2. 输出电阻0

0

O

Oo I

TUI

UR

当电网电压、环境温度不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比。

RO 越小，稳定性越好，带负载能力越强。 返回 6.1.1

3. 温度系数00

O

OI

IUT T

US

电网电压、负载不变时，输出电压变化量与温度变化量之比。

ST 越小，热稳定性越好。4. 最大波纹电压与纹波抑制比

叠加到输出电压上的最大波动分量（谐波成份的峰值）。

IP-P

OP-P

20lg (dB)r

US

U

用其峰 - 峰值△ UOP-P 表示。

纹波抑制比：稳压电路输入纹波电压峰 - 峰值与输出纹波电压峰 - 峰值之比。

返回 6.1.1

6.1.2 并联稳压电路的组成及其工作原理

一、电路组成

+C4

12

2

2

VD

31

VDVD220V

VD14

uu

+

+

+

+

UVZ

I

LRo

R

-

+

R

UI ZI LI

+

R L Z= +I I I O Z I R= =U U U U I RU I R

其中： R 为限流电阻，防止流过稳压二极管的电流超过极限值而损坏。

返回 6.1

由稳压管反向特性可知，当反偏电流满足上述条件时，稳压管才具有稳压功能。若反偏电流太大，会烧坏稳压管，反偏电流太小则不能进入稳压状态。

i

uU Z

△I

△ U

I zmin

I zmax

稳压二极管正常工作条件：

min Z ZmaxZI I I

返回 6.1.2

（或 RL ）UI Uo UZ IZ IR UR

结论： 稳压管起电流控制作用，输出电压很小的变化将引起 IZ 很大的变化，通过限流电阻 R 的调压作用，达到稳定输出电压的目的。

二、工作原理

+

+

UVZ

I

LRo

R

-

+

R

UI ZI LI

+

Uo Uo↓=UI -UR

返回 6.1.2

一、限流电阻的选择

1. 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压管的电流最小。此时 IZ 不应小于 IZmin ，由此计算出限流电阻的最大值。即

Imin ZminLmax

max

zU U

I IR

6.1.3 并联稳压电路元器件的选择

Imin Zmax

minLmax z

U UR R

I I

+

+

UVZ

I

LRo

R

-

+

R

UI ZI LI

+

返回 6.1

2. 当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时 IZ 不应超过 IZmax ，由此计算出限流电阻的最小值。即

Imax Zz max o min

min

U UI I

R

I minImax Z Z

z max o min min o maxz

U U U UR

I I I I

因此，限流电阻取值范围：+

+

UVZ

I

LRo

R

-

+

R

UI ZI LI

+

返回 6.1.3

一、适用场合 缺点： 1. 带负载能力差； 2. 输出电压不可调； 3. 输出电流受稳压管最大稳定电流限制， 调节范围和数值较小。

UZ=UO

IZm=（ 2~3)ILmax

二、稳压管 DZ 的选择

6.1.4 并联稳压电源适用场合及故障分析

当一只稳压管稳压值不够时，可串联多只使用。

返回 6.1

测量对地电压： Uo=Uz UI≈（ 1.1-1.2)U2 → 电路正常；UI=0.9U2 → 滤波电容开路；Uo=0.7V → 稳压管极性接反；Uo<0.45U2 → 整流桥路一只二极管开路， 滤波电容开路。

二、故障分析

适用：电压固定，负载电流小，负载变动不大的场合。

返回 6.1.4

V

+ UT

UREF Dz

-

R4

R

R1

R2-

-

V

RRP

3 +

+

1

-UF

+

+

UC

+

I

+

+ 4

1

2

32

2

VD

3

1

VDVD

220V

VD14

uu U-

+L o

2

一、电路组成

6.1.5 串联反馈型稳压电路

+

U

o（稳压输出）

-

+

UI

（整流输出）

-

+U

F

-

+ UT -

+

Uz-

调整器件

比较放大 取样

基准电压

返回 6.1

1. 取样环节

由 R1、 R2 组成，从输出电压 Uo 中取出 UF 电压，送比较放大器放大。

由稳压管 VZ、 R3 组成， UREF 为基准电压， R3 保证流过稳压管的电流不小于 Izmin

由 V2、 R4 组成，放大取样电压与基准电压的差值，控制调整管 V1的 UT 电压。

3. 比较放大环节

2. 基准电压

Io

V+

+ UT

UREF VZ-

I

R4

U R

R1

R2-

-

V

R3 +

+

2

-UF

BE1U+

－1

+

－UBE2

U-

+L o

返回 6.1.5

由 V1 组成， IB1 受比较放大器输出 IC 控制。

4. 调整环节

1 2o REF

2

R RU U

R

二、工作原理

2R2 o

1 2

BE2 REF

REF 0.7

RU U

R R

U U

U

Io

V+

+ UT

UREF VZ-

I

R4

U R

R1

R2-

-

V

R3 +

+

2

-Us

BE1U+

－1

+

－UBE2

U-

+L o

REF BE2U U

1. 输出电压

返回 6.1.5

Io

V+

+ UT

UREF VZ-

I

R4

U R

R1

R2-

-

V2

R RP3 +

+-

UF

BE1U+

－1

+

－UBE2

U-

+L o

输出电压可调范围：

1 2 Pomax REF

2

R R RU U

R

1 2 Pomin

2 P

R R RU

R R

返回 6.1.5

Io

V+

+ UT

UREF VZ-

I

R4

U R

R1

R2-

-

V2

R RP3 +

+-

UF

BE1U+

－1

+

－UBE2

U-

+L o

2. 稳压过程

UI

RLIB2UBE2= （ Us-UREF ）UsUo

UC2IB1 IC2UCE1Uo↓=UI - UCE1 ↑

返回 6.1.5

6.2 线性集成稳压电路

一、分类

W78 00 系列固定输出正电压。

W7900 系列固定输出负电压。 输出电压规格有 5V、 6V、 9V、 12V、 15V、 18V、 24V 七种。

6.2.1 三端固定式线性集成稳压器 将稳压电路制作在一块硅基片上的集成电路，只有三个引脚 , 输入端、输出端、公共端。

命名： W 78 X XX--- 厂标、系列、电流、电压

最大输出电流 1.5~2.2A （加装散热器），输出电压变化率 0.1%~0.2% 。

二、三端固定式集成稳压器的管脚排列 返回第六章

6.2.2 三端固定式集成稳压器应用电路一、固定电压输出电路

+U

-+

-UI

W79××

oC

3

1

2

21 C+U

-

+

-UI

LM78XX

oC

31

221 C

0.33μ F 0.1μ F

VD

输出正电压电路 输出负电压电路C1 ：旁路因输入导线过长引入的高频干扰脉冲（减小电路的高频噪声）。C2 ：防止产生自 激振荡，改善输出瞬态特性。

VD: 当输入出现短路时，给 C2提供放电回路，防止击穿稳压器。

返回 6.2

+

- -

W78152

1+

15v

+

15v

W7915

1 3

32

1000µF

1000µF 0.33µF

RL

0.1µFVD50.33µF

+

+

+

+4

1

2VD

VD

4

3 2

VD

VD

1

u21u+

+

++

++

-

0.1µF22µF

22µF

VD6

输出正、负电压电路：

返回 6.2.2

二、扩大输出电流的电路

R +

U

-

+

-

Ui W78×× o

C

21

3iC oI

2R I

3

I IB

CI

I1

Io

三端集成稳压器输出电流有一定限制（ 0.1~10A ），当负载所需电流大于现有三端稳压器输出电流时，可通过外接功率管来扩大输出电流。

o 2 C

2 B

2 2 R

BE

2

( )

(1 )

I I I

I I

I I I

UI

R

返回 6.2.2

F 0.1µF

3Ω+

U+

Rs

U

I

W78XX o

C2

13

1C 2I

oxxR 3CG3

D

I IB1

C1I

I1

Io

3AD30V1

0.33µ

V2

RI

RL

V2RS 作用：功放管 V1短路保护。

负载正常：

IC1RS=UEB2<0.7V ， V2截止。IO=IC1+IOXX

负载过载或短路：

IC1RS=UEB2 >0.7V

→UBE1↓

→IC1 ↑→ V2导通， UCE2=IC1RS+UBE1

→ UCE2↓ →UEB2 ↑ → IC1 ↓ 限制输出电流增大。

扩大输出电流的电路

返回 6.2.2

××U +U

-

+

-UI

W78××

oC

21

31 C2

Uz+-

-+

R

VZ

-

三、扩大输出电压的电路

Uo=U××+Uz

负载较轻：

V1、 V2截止， IO≈IOXX ， IR=ID+IOXX

当 IO ↑ → IR ↑ → UR ↑ → UBE1 ↑ → V1导通。

返回 6.2.2

串联式稳压电路的缺点：• 调整管工作在线性放大状态，功耗大，输出效率低（只有 20％～ 40％，加装散热器后效率可提高到40%~60% ）；• 调整管管压降 2~8V ，输出电压小于输入电压，且二者极性相同。

6.3 开关稳压电源

串联式稳压电路的优点： 结构简单，稳压性能好，技术成熟，应用广泛。

返回第六章

开关式稳压电路分类：

按激励方式 （振荡方式）分

他励式开关稳压电路自励式开关稳压电路

混合调制式（同时改变脉宽、频率的调制方式）

脉冲频率调制型 PFM

脉冲宽度调制型 PWM

按控制方式分

开关式稳压电路特点： 调整管工作于高频开关状态（饱和、截止），自身消耗能量低，输出效率较高（ 80%~90% ），不需加装散热器。

｛

｛返回 6.3

6.3.1 开关稳压电源基本原理 一、他励式开关稳压电路（脉宽调制式）组成

12

R

VUo

L

+

电压比较器

++

∞A

误差放大器

基准电压源

锯齿波发生器

VD

UF 2

R

R

1

C

L

+

-

REFU

Au

T1

u

EuiL

Bu -

+

IU

▽+ A∞

▽

－ +2

方波发生器

调整管

取样电路

续流滤波电路

返回 6.3

V ：开关调整管；LC ：滤波电路，使输出电压平滑；VD ：续流二极管，为电感元件提供放电回路。 R1、 R 2 ：取样电阻；

电压比较器为滞回比较器，其输出电压为开关调整管 V 的基极电压 uB 。

各部件功能 :

方波发生器（由误差放大器、电压比较器、锯齿波发生器和基准电压源组成）：控制开关管的通断（又称脉宽调制控制环节）。

12

R

VUo

L

+

电压比较器

++

∞A

误差放大器

基准电压源

锯齿波发生器

VD

UF 2

R

R

1

C

L

+

-

REFU

Au

T1

u

EuiL

Bu -

+

IU

▽

+ A∞

▽

－ +2

返回 6.3.1

UI↑→Uo↑→UF>URET → uA=+Uom →假设 uT<uA →

二、工作原理

12

R

VUo

L

+

电压比较器

++

∞A

误差放大器

基准电压源

锯齿波发生器

VD

UF 2

R

R

1

C

L

+

-

REFU

Au

T1

u

EuiL

Bu -

+

IU

▽

+ A∞

▽

－ +2

→uB=-Uom→V 截止（截止时间 toff ）→ VD 导通→

→ L 经 RL、 VD释放存储的电能→ C 经 RL 放电→ Uo

↓

2F O

1 2

RU U

R R

返回 6.3.1

UI↓→Uo↓→ UF<URET →uA=-Uom → 若 uT>uA →uB=+Uom→

12

R

VUo

L

+

电压比较器

++

∞A

误差放大器

基准电压源

锯齿波发生器

VD

UF 2

R

R

1

C

L

+

-

REFU

Au

T1

u

EuiL

Bu -

+

IU

▽

+ A∞

▽

－ +2

→V饱和（导通时间 ton ）→ VD 截止→ Ui 经 L 对 C 充电→ Uo↑

用取样电压 UF ，控制方波发生器输出 uB 脉宽，通过uB 控制调整管 V导通时间 ton 和截止时间 toff ，控制 Uo 大小。

返回 6.3.1

on on

on of f n

100% 100%t t

Dt t T

ono(AV) i i

n

tU U DU

T

输出电压平均值与输入电压、占空比的关系：

占空比： 导通时间 ton 与开关周期 Tn 之比。

当 Tn 一定时，调节 ton 可控制输出电压 UO （ AV ）的大小。UI↑→ Uo ↑→uA ↑→uB ↓→ton↓→UO （ AV ）↓

12

R

VUo

L

+

电压比较器

++

∞A

误差放大器

基准电压源

锯齿波发生器

VD

UF 2

R

R

1

C

L

+

-

REFU

Au

T1

u

EuiL

Bu -

+

IU▽

+ A∞

▽

－ +2

返回 6.3.1

本章小结 1. 硅稳压二极管并联稳压电路由稳压二极管与限流电阻

组成。其中，稳压二极管必须反偏。限流电阻起限流保护作用。硅稳压二极管并联稳压电源适用于电压固定、负载电流小、负载变化不大的场合。

2. 稳压电源的质量指标主要有：稳压系数 Sγ 、输出电阻 Ro 、最大纹波电压 ΔUOP-P 、温度系数 ST等。

3. 串联反馈型电源主要由采样电路、基准电压源、比较放大器和调整管组成。

返回第六章

5. 开关稳压电源的调整管工作在开关状态，通过控制开关调整管的导通、截止时间的比例，从而调节输出电压，因此功耗较小。开关稳压电源具有效率高、体积小、重量轻等优点，但存在纹波电压较大，高频泄漏大，易对周围其他电路造成干扰等缺点。

4. 三端线性集成稳压器具有稳压性能好、品种多、重量轻、使用方便、安全可靠等优点，但效率不高（一般输入、输出电压差大于 2~3V 时才能正常工作）。利用三端线性固定集成稳压器和三端可调集成稳压器可组成不同的实用电路。若要提高线性集成稳压器组成电源的效率，可采用输入、输出电压差为 0.5~0.6V

的低压差线性集成稳压器。

返回本章小结

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