1、 直流穩壓電源的原理與設計直流穩壓電源的原理與設計 直流電源的組成及各部分的作用直流電源的組成及各部分的作用電源變壓器電源變壓器：把：把220V電網電壓降至所需電壓。電網電壓降至所需電壓。整流電路整流電路：把交流電壓轉換成脈動的直流電壓。：把交流電壓轉換成脈動的直流電壓。濾波電路濾波電路：減小脈動使輸出電壓平滑。：減小脈動使輸出電壓平滑。穩壓電路穩壓電路：在電網電壓波動或負載電流變化時保持輸：在電網電壓波動或負載電流變化時保持輸 出出電壓基本不變。電壓基本不變。純電阻負載半波整流電壓波形純電阻負載半波整流電壓波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD t 2 3 4 0u2 0二極管導通二極

2、管導通uo=u2u20二極管截止二極管截止uo=0 整流與濾波電路整流與濾波電路-半波整流半波整流u1u2aTbDRLuouDiouo 2 0 t純電阻負載半波整流參數純電阻負載半波整流參數2220200045. 02sin22121UUttdUtduULLRURUI/45. 0/200002022257.122sin21IIItdtIImm2IID00IID22UUDRM直流電壓反向電壓直流電流有效值電流二極管電流u1u2aTbD1RLuoD2u2io單相全波整流電壓波形單相全波整流電壓波形u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2 = 2u2+ 整流與濾波電路整流與濾波電路-全

3、波整流全波整流單相全波整流主要參數單相全波整流主要參數u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo 2 0 t22200009 . 022)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9 . 0/2000021IID0257. 1DDIII222UUDRMu1u2TD3D2D1D4RLuo橋式整流電路波形橋式整流電路波形 整流與濾波電路整流與濾波電路-橋式整流橋式整流uo 2 0 t正半周正半周D1、D4 導通，導通， D2 、D3截止截止負半周負半周D2、D3 導通，導通， D1 、D4截止截止橋式整流電路參數u1u2TD3D2D1D4RLuouo 2 0 t22200009 . 0

4、22)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9 . 0/2000021IID22UUDRM057. 1DDII 0257. 12DII S定義：定義：整流輸出電壓的基波峰值整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與與Uo平均值之比。平均值之比。S越小越好。越小越好。脈動系數脈動系數6703222324221.UUUUSoMo用傅氏級數對全波整流的輸出用傅氏級數對全波整流的輸出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuouo 2 0 t基波基波基波峰值基波峰值輸出電壓平均值輸出電壓平均值全波整全波整流電路流電路橋式整橋式整流電路流電路半波整半

5、波整流電路流電路290 U.LRU.29022U571.670.22ULRU.24502450U.290 U.LRU.290670.222U)AV(OU)AV(OIS2maxRULRU.2450LRU.2450LRU.2450)AV(DI整流電路性能的簡單對比整流電路性能的簡單對比 二、濾波電路二、濾波電路濾波電路的結構特點濾波電路的結構特點:交流交流電壓電壓脈動脈動直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波直流直流電壓電壓RLLRLCRLLu2tuot只有整流電路輸出電壓只有整流電路輸出電壓大于大于uc時，才有充電電時，才有充電電流。因此二極管中的電流。因此二極管中的電流是脈沖波。流是脈沖波。二極管中

6、的電流二極管中的電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1. 電容濾波電路電容濾波電路uot當當u2上升到上升到 大于電容上的電壓大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，充電時間常數對電容充電，充電時間常數t= rd C很小很小,每次都能充滿每次都能充滿uo= uc 當當u2下降到下降到 小于電容上的電壓時。小于電容上的電壓時。二極管承受反向電壓而截止。電二極管承受反向電壓而截止。電容容C通過通過RL放電，放電， uc按指數規律按指數規律下降，時間常數下降，時間常數t t = RL C比較大比較大,放電慢放電慢.22 Uu2tuot電容充電時，電容充電時，電容電壓滯后電容電壓滯后于于u2。

7、RLC越小，輸越小，輸出電壓越低。出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC較大）時較大）時 (考慮整流電路內阻考慮整流電路內阻)一般取一般取)105(TCRL(T:電源電壓的周期電源電壓的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL(b) 流過二極管瞬時電流很大流過二極管瞬時電流很大RLC 越大越大 Uo越高越高負載電流的平均值越大負載電流的平均值越大 ; 整流管導電時間越短整流管導電時間越短 iD的峰值電流越大的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點電容濾波電路的特點(a) 輸出電壓輸出電壓 平均值平均值Uo與時間常數與時間常數 RLC

8、 有關有關RLC 愈大愈大 電容器放電愈慢電容器放電愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二極管承受的最高反向電壓二極管承受的最高反向電壓22UURM串聯式穩壓電路串聯式穩壓電路穩壓電路的作用穩壓電路的作用: :交流交流電壓電壓脈動脈動直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波有波紋的有波紋的直流電壓直流電壓穩壓穩壓直流直流電壓電壓穩壓電源類型穩壓電源類型:以下主要討以下主要討論線性穩壓論線性穩壓電路。電路。穩壓二極管穩壓二極管穩壓電源穩壓電源開關型開關型穩壓電路穩壓電路線性線性穩壓電路穩壓電路常用穩壓電路常用穩壓電路( (小功率設備小功率設備) )電路最簡單，電路最簡單，但是帶負載能但是帶負載能力

9、差，一般只力差，一般只提供基準電壓，提供基準電壓，不作為電源使不作為電源使用。用。效率較高，效率較高，目前用的也目前用的也比較多，但比較多，但因學時有限，因學時有限，這里不做介這里不做介紹。紹。一一. . 硅穩壓二極管穩壓電路硅穩壓二極管穩壓電路 利用穩壓二極管的利用穩壓二極管的反向擊穿特性。反向擊穿特性。 由于反向特性陡直，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只較大的電流變化，只會引起較小的電壓變會引起較小的電壓變化?；?。 硅穩壓二極管穩壓電路硅穩壓二極管穩壓電路1. 1. 穩壓原理穩壓原理(1) (1) 當輸入電壓變化時如何穩壓當輸入電壓變化時如何穩壓根據電路圖可知根據電路圖可知ZLR+=I

10、IIRIVVVVVRIRIZO= 輸入電壓輸入電壓VI的增加，的增加，必然引起必然引起VO的增加，即的增加，即VZ增加，從而使增加，從而使IZ增加，增加，IR增加，使增加，使VR增加，從而增加，從而使輸出電壓使輸出電壓VO減小。這一減小。這一穩壓過程可概括如下：穩壓過程可概括如下： VIVOVZIZIRVRVO 硅穩壓二極管穩壓電路硅穩壓二極管穩壓電路 這里這里VO減小應理解為，由于輸入電壓減小應理解為，由于輸入電壓VI的增加，的增加，在穩壓二極管的調節下，使在穩壓二極管的調節下，使VO的增加沒有那么大而的增加沒有那么大而已。已。VO還是要增加一點的，這是一個有差調節系統。還是要增加一點的，這

11、是一個有差調節系統。2.2.穩壓電阻的計算穩壓電阻的計算穩壓二極管的動態電阻越小，穩壓電阻穩壓二極管的動態電阻越小，穩壓電阻R越大越大，穩壓性能越好。穩壓性能越好。穩壓電阻穩壓電阻R 的作用的作用將穩壓二極管電流的變化轉換為電壓的變化，將穩壓二極管電流的變化轉換為電壓的變化，從而起到調節作用，同時從而起到調節作用，同時R也是限流電阻。也是限流電阻。 顯然顯然R 的數值越大，較小的數值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的的變化就可引起足夠大的VR變變化，就可達到足夠的穩壓效果?；?，就可達到足夠的穩壓效果。 但但R 的數值越大，就需要較大的輸入電壓的數值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要值

12、，損耗就要加大。加大。穩壓二極管穩壓電路的穩壓性能與穩壓二極管擊穩壓二極管穩壓電路的穩壓性能與穩壓二極管擊穿特性的動態電阻有關，與穩壓電阻穿特性的動態電阻有關，與穩壓電阻R的阻值大的阻值大小有關。小有關。穩壓電阻的計算如下穩壓電阻的計算如下 當當輸入電壓最小，負載電流最大輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩壓二極時，流過穩壓二極管的電流最小。此時管的電流最小。此時I IZ Z不應小于不應小于I IZminZmin，由此可計算出，由此可計算出穩穩壓電阻的最大值壓電阻的最大值，實際選用的穩壓電阻應小于最大值。，實際選用的穩壓電阻應小于最大值。即即LmaxZminZIminmax=IIVVR(1)(

13、1)穩壓二極管在使用時穩壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規定值，能使它的功耗超過規定值，否則會造成損壞！否則會造成損壞！LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR 當當輸入電壓最大，負載電流最小輸入電壓最大，負載電流最小時，流過時，流過 穩壓二極管的電流最大。此時穩壓二極管的電流最大。此時I IZ Z不應超過不應超過I IZmaxZmax，由，由 此可計算出此可計算出穩壓電阻的最小值穩壓電阻的最小值。即。即(2)(2)三三. . 串聯型穩壓電源串聯型穩壓電源1. 1. 串聯型穩壓電源的構成串聯型穩壓電源的構成 VO =VI- -V

14、R，當當VIR VR在一定程度在一定程度上抵消了上抵消了VI增加對輸出電壓的影增加對輸出電壓的影響。響。若負載電流若負載電流ILRVR在在一定程度上抵消了因一定程度上抵消了因IL增加，使增加，使VI減小，對輸出電壓減小的影響。減小，對輸出電壓減小的影響。 串聯穩壓電源示意圖串聯穩壓電源示意圖 串聯穩壓電源示意圖串聯穩壓電源示意圖 在實際電路中，可變電阻在實際電路中，可變電阻R R是用一個三極管來是用一個三極管來替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的替代的，控制基極電位，從而就控制了三極管的管壓降管壓降VCE，VCE相當于相當于VR。 串聯型穩壓電路方框圖串聯型穩壓電路方框圖串聯型穩壓電源的

15、構成：串聯型穩壓電源的構成：調整管、放大環節、比較環節、基準電壓源調整管、放大環節、比較環節、基準電壓源2.2.工作原理工作原理1 1輸入電壓變化時輸入電壓變化時VIVOVfVO1VCEVO實質：實質：電壓負反饋電壓負反饋2 2負載電流變化時負載電流變化時ILVIVOVfVO1VCEVOQvCE/ViC/mAQ3.3.輸出電壓調節范圍的計算輸出電壓調節范圍的計算REF2321O)+(1=VRRRRV可見，調節可見，調節R2可以改變輸出電壓。可以改變輸出電壓。根據根據“虛短虛短”VfVREFoVo32132f=VFVRRRRRV VREFVfoFVFVV穩壓原理穩壓原理UoUB2UBE2=（UB

16、2-UZ）UC2 （UB1 ）Uo當當 UI 增加或輸出電流減小使增加或輸出電流減小使 Uo升高時升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2 （UB1 ）(3) 輸出電壓的確定和調節范圍輸出電壓的確定和調節范圍因為：因為：OU2BEZUU22WRR21WRRR22221BEZWWOUURRRRRU所以：所以：2221ZWWURRRRR忽略忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k ，求，求輸出電壓的調節范圍。輸出電壓的調節范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R

17、1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU4=6V4.74.74.74.7 4.7221ZWOmaxURRRRU4=12V4.74.74.74.710.3 三端集成穩壓三端集成穩壓器器一一. 輸出電壓固定的三端集成穩壓器輸出電壓固定的三端集成穩壓器 （正電壓（正電壓 78 、負電壓、負電壓 79 ）恒流源恒流源基準電壓電路基準電壓電路調整電路調整電路比較放大比較放大減流保護減流保護過熱保護過熱保護啟動電路啟動電路取取樣樣電電路路R4T1T4T2T3T5DZ1DZ2R3R2R1VREFT14T13D2D1R5R7R6T6T7T8T9T12T10T11R8R9R10R1

18、1R12R13R14R15DZ3DZ4VFVOVI123IO1端端: 公共端公共端2端端: 輸入端輸入端3端端: 輸出端輸出端W7900系列穩壓器外形及典型接線圖系列穩壓器外形及典型接線圖123+W7905UI+Uo231CI0.11 FCo1F-10V-5V1端端: 輸入端輸入端2端端: 公共端公共端3端端: 輸出端輸出端W7800系列穩壓器外形及典型接線圖系列穩壓器外形及典型接線圖123+_W7805UI+_Uo132CI0.11 FCo1F+10V+5V注意：注意：輸入與輸出端輸入與輸出端 之間的電壓不之間的電壓不 得低于得低于3V！10.2.4 三端集成穩壓器的應用三端集成穩壓器的應用

19、1. 固定式應用舉例固定式應用舉例10.2.4 三端集成穩壓器的應用三端集成穩壓器的應用2. 可調式應用舉例可調式應用舉例10.2.4 三端集成穩壓器的應用三端集成穩壓器的應用2. 可調式應用舉例可調式應用舉例四四. 穩壓電路的主要性能指標穩壓電路的主要性能指標輸出電壓變化量輸出電壓變化量TSIRVKVT OoIVO 穩壓系數穩壓系數00IIOOO / TIVVVV 輸出電阻輸出電阻00OOoI TVIVR溫度系數溫度系數00OI TVTTVS直流穩壓電源的設計方法直流穩壓電源的設計方法直流穩壓電源的設計的依據是技術指標直流穩壓電源的設計的依據是技術指標設計的內容包括：設計的內容包括： 電路結

20、構選擇、參數計算、器件選擇、具體電路電路結構選擇、參數計算、器件選擇、具體電路設計步驟包括：設計步驟包括： 根據市場、技術潮流、主要指標選擇電源類型和電路結構根據市場、技術潮流、主要指標選擇電源類型和電路結構 根據電壓關系計算各部分的電壓根據電壓關系計算各部分的電壓 根據電流關系計算各部分的電流根據電流關系計算各部分的電流 根據功率關系計算各部分的功率根據功率關系計算各部分的功率 根據電壓、電流、功率選擇器件根據電壓、電流、功率選擇器件設計結果包括：設計結果包括： 具體電路圖，設計到電路、器件型號、管腳具體電路圖，設計到電路、器件型號、管腳 電路結構的選擇穩壓類型: 線性串聯直流穩壓電源和開關

21、式穩壓電源;穩壓器件: 三端穩壓器,晶體管穩壓,其他集成穩壓器;濾波電路: 電容濾波,電感濾波,電感電容濾波;整流電路: 橋式整流,全波整流,半波整流;工頻變壓器降壓.得到如下電路: T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805電路參數的計算電壓的計算T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1

22、?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805U2Ui UU0電路參數的計算電流的計算T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805I0IiI2ID ID0電路元件參數的選取1、穩壓器件: 三端穩壓器, 正穩壓系列 78LXX：100mA78MXX：500mA78XX ：1A78HXX： 5AXX=05，06，08，09，12，15，24負穩壓系列：79LXX；79MXX；79X

23、X；正可調穩壓系列：LM117；LM217；LM317 Uo=1.25-25V Iomax=1.5A負可調穩壓系列：LM137；LM237；LM337 Uo=-（1.25-25）V Iomax=1.5A2、輸出濾波電容3、穩壓器前后小濾波電容作用：是輸出電壓波形更平滑，減少負載對電源的影響，提高動態響應。取值范圍：取值太小時，起不到應有的作用；太大時會造成沖擊太大；反饋相移大，甚至自激。參考輸出電流取值：耐壓：=50%的裕量100mA500mA 1A1.5A3A5A47F100F220F470F1000F2200F主要目的是濾除高頻干擾，電解電容的高頻特性較差，小容量的無極性電容高頻特性好，起

24、到互補作用。也有利于改善動態特性。取值在0.01F0.33F4、瀉放電阻5、濾波電容6、整流二極管:、保護二極管濾波電容越大紋波越小，但整流沖擊大，電流有效值大，要求變壓器和整流管的功率和電流都要大。2)53(TCRLt0021IID005 . 225. 1DDIII057. 15 . 2DFII22UVDRM給穩壓器的漏電流提供瀉放回路，防止空載電壓高于正常輸出電壓。RU0/Is Is一般在微安數量級。7、變壓器DII22222IUP21PP 功率功率30-8080-200200-400400以上以上效率0.80.850.90.95鐵芯與磁導率鐵芯與磁導率表征各種材料導磁能力的物理量表征各種

25、材料導磁能力的物理量（亨（亨/米）米）70104 真空中的磁導率真空中的磁導率( )為常數為常數0一般材料的磁導率一般材料的磁導率 和真空中的磁導率之比，和真空中的磁導率之比，稱為這種材料的相對磁導率稱為這種材料的相對磁導率r0r1r，則稱為磁性材料，則稱為磁性材料1r，則稱為非磁性材料，則稱為非磁性材料三、三、 功率損耗功率損耗Fe2cosPRIUIP銅損耗銅損耗 Pcu鐵損耗鐵損耗 PFe鐵損由磁滯和渦流產生。鐵損由磁滯和渦流產生。PCu線圈電線圈電阻阻R上的損耗上的損耗PFe 處于交變磁化下的鐵心的損耗處于交變磁化下的鐵心的損耗（1）磁滯損耗）磁滯損耗 （ Ph）由磁滯所產生的能量損耗稱

26、為由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗（磁滯損耗（ Ph）。）。單位體積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積單位體積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率和磁場交變的頻率 f。(2)渦流損耗（渦流損耗（ Pe）渦流損耗渦流損耗: 由渦流所產生的功率損耗。由渦流所產生的功率損耗。渦流渦流：交變磁通在鐵心內產生感交變磁通在鐵心內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環流。在垂直于磁通的平面內環流。渦流渦流損耗轉化為熱能，引起鐵心發熱。損耗轉化為熱能，引起鐵心發熱。減少磁滯損耗的措施：減少磁滯損耗的措施： 選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器

27、和選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設計時應適當選擇值以減小鐵心飽和程度。設計時應適當選擇值以減小鐵心飽和程度。磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵心發熱。磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵心發熱。1u2uLZ1i2i單相變壓器單相變壓器+一次一次繞組繞組N1二次二次繞組繞組N2鐵心鐵心變壓器的基本結構變壓器的基本結構1u1i2u2iLR變壓器符號：變壓器符號：一次、二次繞一次、二次繞組互不相連，能量組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。的傳遞靠磁耦合。 磁芯形狀及特點磁芯形狀及特點形狀形狀特點特點EE 、EI TYPE大小齊全大小

28、齊全 有有JIS及及IEC標準標準EER、ETDTYPE 大小齊全大小齊全 有有JIS及及IEC標準標準LP、EEDTYPE low profile （扁平特性）（扁平特性） 適合高密度裝配適合高密度裝配C型變壓器EI變壓器產器特點：產器特點：EI型鐵芯變壓器制造工藝簡單，成本相對較低。由于鐵芯片及與其相配套的線圈骨架均已形成系列并大量生產，所以應用十分廣泛。?EI型鐵芯變壓器全部采取冷軋取向硅鋼帶沖制的鐵芯，比采用其他材質的變壓器損耗小、效率高，溫升低。功率大小根據要求訂制單相，三相（1VA100KVA）。R型變壓器采用取向性高磁導率硅鋼帶制成的，無切割環形截面的R鐵芯是變壓器的一個革命性突破。R變壓器具有體積小，重量輕和漏磁小等特點，與E-I型、C型和環形變壓器相比有著更高的性能和可靠性。體積小，重量輕體積小，重量輕R變壓器具有無切割卷繞鐵芯，使用高品質的材料，因而體積小，重量輕，使用這種變壓器，你就可以將產品重新設計成更新穎的形狀，并且降低成本。高效率高效率由于鐵芯無切割，損失就很小，使