常用半导体器件课件

第一章 常用半导体器件模拟电子技术基础模拟电子技术基础1第十章 直流电源u10.1 直流电源的组成及各部分的作用u10.2 整流电路u10.3 滤波电路u10.4 稳压二极管稳压电路u10.5 串联型稳压电路u10.6 开关型稳压电路210.1 直流电源的组成及各部分的作用u 在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。本章所介绍的直流电源为单相小功率电源，它将频率为 50 HZ、有效值为 220 V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几百毫安以下的直流电压。u 单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图及各电路的输出电压波形如下图所示，下面就各部分的作用加以介绍。310.1直流电源的组成及各部分的作用410.1直流电源的组成及各部分的作用u 直流电源的输入为 220 V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。目前有些电路不用变压器，而采用其它方法降压。u 变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图中所画。可以看出，它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作，因而不能直接作为电子电路的供电电源。510.1 直流电源的组成及各部分的作用u 为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。u 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。610.2 整流电路u 在分析整流电路时，为了突出重点，简化分析过程，一般均假定负载为纯电阻性；整流二极管为理想二极管，即加正向电压导通，且正向电阻为零，外加反向电压截止，且反向电流为零；变压器无损耗，内部压降为零等。710.2 整流电路u一、单相半波整流电路 分析整流电路，就是弄清电路的工作原理（即整流原理），求出主要参数，并确定整流二极管的极限参数。下面分析单相半波整流电路的基本参数。u 1、工作原理u 单相半波整流电路是最简单的一种整流电路，其电路图如下图所示。810.2 整流电路u设变压器的副边电压有效值为U2，则其瞬时值910.2 整流电路u 在 u2的正半周，A点为正，B点为负二极管外加正向电压，因而处于导通状态。电流从A点流出，经过二极管D和负载电阻 RL流入B点 在u2的负半周，B点为正，A点为负，二极管外加反向电压，因而处于截止状态1010.2 整流电路u 负载电阻RL的电压和电流都具有单一方向脉动的特性。下图为变压器副边电压u2、输出电压uO和二极管端电压的波形。1110.2 整流电路u 分析整流电路工作原理时，应研究变压器副边电压极性不同时二极管的工作状态，从而得出输出电压的波形，也就弄清了整流原理。整流电路的波形分析是其定量分析的基础。1210.2 整流电路u2、主要参数u 在研究整流电路时，至少应考查整流电路输出电压平均值和输出电流平均值两项指标，有时还需考虑脉动系数，以便定量反映输出波形脉动的情况。u 输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值UO（AV）。u 从上面的波形图可知，当t=0时，当t=2时，uO=01310.2 整流电路u 所以，求解uO的平均值UO(AV)，就是将0 的电压平均在02 时间间隔之中，如下图所示：1410.2 整流电路u写成表达式为1510.2 整流电路u 例如，当变压器副边电压有效值 U220 V时，单相半波整流电路的输出电压平均值UO(AV)9 V。若负载电阻R L20，则负载电流平均值为IO(AV)0.45 A。u 整流输出电压的脉动系数S定义为整流输出电压的基波峰值UO1M与输出电压平均值UO(AV)之比，即因而S愈大，脉动愈大。1610.2 整流电路u 为了求解S，我们把输出电压的坐标变换一下，如下图所示：1710.2 整流电路1810.2 整流电路u 由于半波整流电路输出电压uO的周期与u2相同，uO的基波角频率与u2相同，即n=1u 说明半波整流电路的输出脉动很大，其基波峰值约为平均值的1.57倍。1910.2 整流电路u3、二极管的选择u 当整流电路的变压器副边电压有效值和负载电阻值确定后，电路对二极管参数的要求也就确定了。一般应根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。u 在单相半波整流电路中二极管的正向平均电流等于负载电流平均值，即2010.2 整流电路u 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压，即u 一般情况下，允许电网电压有 10的波动，即电源变压器原边电压为198242V，因此在选用二极管时，对于最大整流平均电流 IF和最高反向工作电压UR均应至少留有 10的余地，以保证二极管安全工作，即选取2110.2 整流电路u 单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。因此，这种电路仅适用于整流电流较小、对脉动要求不高的场合。2210.2 整流电路u例 1、电路如图所示，已知变压器副边电压有效值 U230 V，负载电阻RL100，试问：（1）负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？（2）电网电压波动范围是 10，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？2310.2 整流电路u解：（1）负载电阻上电压平均值u UO(AV）0.45 U20.45 30=13.5 Vu 流过负载电阻的电流平均值u IO(AV)=UO(AV)/RL 13.5/100=0.135Au （2）二极管承受的最大反向电压u 二极管流过的最大平均电流2410.2 整流电路u二、单相桥式整流电路u 为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路。u 1、单相桥式整流电路的组成u 单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。如下图所示：2510.2 整流电路2610.2 整流电路u习惯画法如下：2710.2 整流电路u简化画法如下：2810.2 整流电路u2、工作原理u 设变压器副边电压 U2为其有效值。u 2910.2 整流电路u 当 u2为正半周时，D1、D3导通，电流由 A点流出，经D1、RL、D3流入B点，如图 中实线箭头所示，因而uO=u2；D2、D4截止，承受的反向电压为-u2。u 当u2为负半周时，D2、D4导通，电流由B点流出，经 D2、RL、D4流入 A点，如图 中虚线箭头所示，因而uO=u2；D1、D3截止，承受的反向电压为 u2。u 这样，由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变。下图 所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。3010.2 整流电路3110.2 整流电路u3、输出电压平均值UO(AV)和输出电流平均值 IO(AV)根据上图所示uO的波形可知，输出电压的平均值为：3210.2 整流电路u 由于桥式整流电路实现了全波整流，它将u2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍。u 输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）u 在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。3310.2 整流电路u为了求解S，仍然进行坐标变换，如下图所示：桥式整流电路的基波UO1M的角频率是u2的2倍，因此：3410.2 整流电路3510.2 整流电路u与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。3610.2 整流电路u 4、二极管的选择u 在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即与半波整流电路中二极管的平均电流相同。3710.2 整流电路u 根据波形可知，二极管承受的最大反向电压 与半波整流电路中二极管承受的最大反向电压也相同。u 考虑到电网电压的波动范围为10，在实际选用二极管时，应至少有10的余量，选择最大整流电流和最高反向工作电压分别为：3810.2 整流电路u 单相桥整流电路与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此得到相当广泛的应用。目前有不同性能指标的集成电路，称之为“整流桥堆”。u 单相桥整流电路的主要缺点是所需二极管的数量多，由于实际上二极管的正向电阻不为零，必然使得整流电路内阻较大，当然损耗也就较大。3910.2 整流电路u 可以想象，如果将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将两个负载电阻相连接，且连接点接地，如图 所示。那么根据桥式整流电路的工作原理，两个负载上就分别获得正、负电源。可见，利用桥式整流电路可以轻而易举地获得正、负电源，这是其它类型整流电路难于做到的。4010.2 整流电路u 在实际应用中，当整流电路的输出功率（即输出电压平均值与电流平均值之积）超过几千瓦且又要求脉动较小时，就需要采用三相整流电路。三相整流电路的组成原则和方法与单相桥式整流电路相同，变压器副边的三个端均应接两只二极管，且一只接阴极，另一只接阳极，电路如下图所示：4110.2 整流电路u 利用前面所述方法分析电路，可以得出其波形，如下图所示：4210.2 整流电路u例2、电路如图所示，已知变压器副边电压有效值 U2=30 V，负载电阻 RL 100。试问：u （1）输出电压与输出电流平均值各为多少？u （2）当电网电压波动范围为 10，二极管的最大整流平均电流 IF与最高反向工作电压UR至少应选取多少？4310.2 整流电路u解：1根据上面的分析输出电压平均值和输出电流平 均值为：u 4410.2 整流电路u2二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电 压UR分别应满足4510.3 滤波电路u 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。u 与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电路；理想情况下，在滤波后只保留直流成分，而滤去所有交流成分；能够输出较大电流；而且，因为整流管工作在非线性状态（即导通或截止），故滤波特性的分析方法也不尽相同。4610.3 滤波电路u一、电容滤波电路u二、倍压整流电路u三、其它形式的滤波电路47一、电容滤波电路u 电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如下图所示。滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。48一、电容滤波电路u1、滤波原理u 电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。u 当变压器副边电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管 D1、D3导通，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容 C充电。49一、电容滤波电路u 因为在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc（uO）与u2相等，如下图中曲线的ab段所示。50u 当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uC也开始下降，趋势与u2基本相同，如bC段。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定数值后，uC的下降速度小于u2的下降速度，使 uC大于u2，从而导致 D1、D3反向偏置而变为截止。此后，电容C继续通过RL放电，uC按数规律缓慢下降，见cd段。u 当u2的负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对 C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2、D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1、D3变为导通，重复上述过程。51一、电容滤波电路u 从上图所示波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。若考虑变压器内阻和二极管的导通电阻，则uC的波形如下图所示。阴影部分为整流电路内阻上的压降。52一、电容滤波电路u 从以上分析可知，电容充电时，回路电阻为变压器内阻和二极管的导通电阻，其数值很小，因而时间常数很小。电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数为RLC，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决于放电时间。电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图所示。53一、电容滤波电路u 换言之，当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小（即负载电流增大），则时间常数RLC减小，放电速度加快，输出电压平均值随即下降，且脉动变大。54一、电容滤波电路u2、输出电压平均值u 滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将波形近似为锯齿波，如下图所示。55一、电容滤波电路u 图中T为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而 RLC较大，电容每次充电均可达到 u2的峰值，然后按RLC放电的起始斜率直线下降，经RLC交于横轴，且在T2处的数值为最小值，则输出电压平均值为据相似三角形的关系可得56一、电容滤波电路57一、电容滤波电路u上式表明，当负载开路，即 RL 时，u当 RLC（35）T2时 u 为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=（35）T2的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为10，电容的耐压值应大于 1.1 2U2。在半波整流电路中，为获得较好的滤波效果，电容容量应选得更大些。58一、电容滤波电路u3、脉动系数u 在锯齿波近似波形中，交流分量的基波的峰一峰值为（UOmaxUOmin），因此基波峰值为 59一、电容滤波电路u脉动系数为u 应当指出，由于锯齿波所含的交流分量大于滤波电路输出电压实际的交流分量，因而根据上式计算出的脉动系数大于实际数值。60一、电容滤波电路u4、整流二极管的导通角u 在未加滤波电容之前，无论是哪种整流电路中的二极管均有半个周期处于导通状态，也称二极管的导通角等于。加滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此，每只二极管的导通角都小于。而且，RLC的值愈大，滤波效果愈好，导通角将愈小。u 由于电容滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电，如下图所示。61一、电容滤波电路uu 这对二极管的寿命很不利，所以必须选用较大容量的整流二极管，通常应选择其最大整流平均电流IF大于负载电流的23倍。62一、电容滤波电路u5、电容滤波电路的输出特性和滤波特性u 当滤波电容C选定后，输出电压平均值UO(AV)和输出电流平均值IO(AV)的关系称为输出特性，如下图所示：63一、电容滤波电路u 脉动系数S和输出电流平均值IO(AV)的关系称为滤波特性，滤波特性如下图所示：64一、电容滤波电路u 曲线表明，C愈大电路带负载能力愈强，滤波效果愈好；IO(AV)愈大（即负载电阻RL愈小），UO（AV）愈低，S的值愈大。u 综上所述，电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。65一、电容滤波电路u例3电路如图所示，要求输出电压平均值 UO(AV)15V 负载电流平均值IL(AV)100mA，UO(AV)1.2U2。试问：（1）滤波电容的大小；（2）考虑到电网电压的波动范围为 10，滤波电容的耐压值。66一、电容滤波电路u解：1根据UO(AV)1.2U2可知，C的取值满足 RLC=（35）T2的条件。电容的容量为67一、电容滤波电路u2变压器副边电压有效值为 电容的耐压值为u 实际可选取容量为 300 F、耐压为 25 V的电容做本电路的滤波电容。68二、倍压整流电路u 利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。二倍压整流电路如下：69二、倍压整流电路u 工作原理简述如下：u 当u2正半周时，A点为“”，B点为“”，使得二极管D1导通，D2截止；C1充电，电流如图中实线所示；C1上电压极性右为“”，左为“”，最大值可达2U2。u 当u2负半周时A点为“”，B点为“”，C1上电压与变压器副边电压相加，使得D2导通，D1截止；C2充电，电流如图中虚线所示；C2上电压的极性下为“”，上为“”，最大值可达2 2U2。70二、倍压整流电路u 可见，是C1对电荷的存储作用，使输出电压（即电容C2上的电压）为变压器副边电压的2倍，利用同样原理可以实现所需倍数的输出电压。71二、倍压整流电路u下图为多倍压整流电路：72二、倍压整流电路u 在空载情况下，根据上述分析方法可得，C1上电压为厄2U2，C2C6上电压均为2 2U2。因此，以C1两端作为输出端，输出电压的值为记2U2；以C2两端作为输出端，输出电压的值为2 2U2；以C1和C3上电压相加作为输出，输出电压的值为3 2U2，依此类推，从不同位置输出，可获2U2的4、5、6倍的输出电压。u 应当指出，为了简便起见，分析这类电路时，总是设电路空载，且已处于稳态；当电路带上负载后，输出电压将不可能达到u2峰值的倍数。73三、其它形式的滤波电路u1、电感滤波电路u 在大电流负载情况下，由于负载电阻很小，若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，这就使得整流管和电容器的选择变得很困难，甚至不太可能，在此情况下应当采用电感滤波。在整流电路与负载电阻之间串联一个电感线圈L就构成电感滤波，如下图所示。74三、其它形式的滤波电路u 由于电感线圈的电感量要足够大，所以一般需要采用有铁心的线圈。u 电感的基本性质是当流过它的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此，经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。75三、其它形式的滤波电路u 整流电路输出电压可分解为两部分，一部分为直流分量，它就是整流电路输出电压的平均值UO(AV)，对于全波整流电路，其值约为0.9U2；另一部分为交流分量ud。u 电感线圈对直流分量呈现的电抗很小，就是线圈本身的电阻R；而对交流分量呈现的电抗为L。所以若二极管的导通角近似为，则电感滤波后的输出电压平均值76三、其它形式的滤波电路u 从上式可以看出，电感滤波电路输出电压平均值小于整流电路输出电压平均值，在线圈电阻可忽略的情况下，UO(AV)0.9U2。u 输出电压的交流分量77三、其它形式的滤波电路u 从上式可以看出，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小（即负载电流愈大），输出电压的交流分量愈小，脉动愈小。注意，只有在RL远远小于L时，才能获得较好的滤波效果。显然，L愈大，滤波效果愈好。u 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。78三、其它形式的滤波电路u2、复式滤波电路u 当单独使用电容或电感进行滤波，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。电容和电感是基本的滤波元件，利用它们对直流量和交流量呈现不同电抗的特点，只要合理地接入电路都可以达到滤波的目的。79三、其它形式的滤波电路u下图为“”型LC滤波电路：80三、其它形式的滤波电路u下图为型LC滤波电路:81三、其它形式的滤波电路u下图为型RC滤波电路:82三、其它形式的滤波电路u3、各种滤波电路的比较83作业uP555 10.7uP556 10.9,10.108410.4 稳压二极管稳压电路u 虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是:u 1、由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；u 2、由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。8510.4 稳压二极管稳压电路u 为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。本节将对稳压管稳压电路的组成、工作原理和电路参数的选择一一加以介绍。8610.4 稳压二极管稳压电路u一、稳压管稳压电路的组成u二、稳压原理u三、稳压管稳压电路的性能指标u四、电路参数的选择87一、稳压管稳压电路的组成u 由稳压二极管 DZ和限流电阻 R所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源，如下图中虚线框内所示。其输入电压UI是整流滤波后的电压，输出电压UO就是稳压管的稳定电压UZ，RL是负载电阻。88一、稳压管稳压电路的组成u从稳压管稳压电路可得两个基本关系式 UI UR UO IR=IDZ+ILu 从下图所示稳压管的伏安特性中可以看出，在稳压管稳压电路中，只要能使稳压管始终工作在稳压区，即保证稳压管的电流IZIDZIZM，输出电压UO就基本稳定。89二、稳压原理u 对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；设负载变化，研究其输出电压是否稳定。90二、稳压原理u当电网电压变化时u 当电网电压升高时，稳压电路的输入电压UI随之增大，输出电压UO也随之按比例增大；但是，因为UO=UZ，因而根据稳压管的伏安特性，UZ的增大将使IDZ急剧增大；IR必然随着IDZ急剧增大，显然，UR会同时随着IR而急剧增大；UR的增大必将使输出电压 UO减小。91二、稳压原理u 因此，只要参数选择合适，R上的电压增量就可以与UI的增量近似相等，从而使UO基本不变。上述过程可简单描述如下：92二、稳压原理u 当电网电压下降时，各电量的变化与上述过程相反，UR的变化补偿了UI的变化，以保证UO基本不变。过程如下：u 由此可见，当电网电压变化时，稳压电路通过限流电阻R上电压的变化来抵消UI的变化，即 UR UI，从而使UO基本不变。93二、稳压原理u当负载电阻变化时u 当负载电阻RL减小即负载电流IL增大时，导致 IR增加，UR也随之增大；UO必然下降，即UZ下降；根据稳压管的伏安特性，UZ的下降使IZ急剧减小，从而IR随之减小。94二、稳压原理u 如果参数选择恰当，就可使IDZ-IL，使 IR基本不变，从而 UO也就基本不变。上述过程可简单描述如下：95二、稳压原理u 相反，如果RL增大即IL减小，则IDZ增大，同样可使IR基本不变，从而保证UO基本不变。u 由此可见，当负载变化时，稳压电路通过稳压管电流的变化来抵消IL的变化，在电路中只要能使IDZ-IL，就可以使IR基本不变，从而保证负载变化时输出电压基本不变。96二、稳压原理u 综上所述，在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。限流电阻R是必不可少的元件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合以达到稳压的目的。一般情况下，在电路中如果有稳压管存在，就必然有与之匹配的限流电阻。97三、稳压管稳压电路的性能指标u 对于任何稳压电路，均可用稳压系数Sr和输出电阻RO来描述其稳压性能。u1、稳压系数Sr Sr定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即 Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。式中UI为整流滤波后的直流电压。98三、稳压管稳压电路的性能指标u2、输出电阻ROu RO定义为稳压电路输入电压一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比，即uRO表明负载电阻对稳压性能的影响。99三、稳压管稳压电路的性能指标u 在仅考虑变化量时，稳压管稳压电路的等效电路如下图所示：100u 其中rz为稳压管的动态电阻。因而所以稳压系数为101三、稳压管稳压电路的性能指标u 上式表明，为使Sr数值小，需增大R；而在UO（UZ）和负载电流确定的情况下，若R的取值大，则UI的取值必须大，这势必使Sr增大；可见R和UI必须合理搭配，Sr的数值才可能比较小。u 稳压管稳压电路的输出电阻为102三、稳压管稳压电路的性能指标u 在一些文献中，也常用电压调整率和电流调整率来描述稳压性能。u 电压调整率SV 在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的相对变化量 UO/UO称为电压调整率；u电流调整率SI 在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的相对变化量 UO/UO称为电流调整率。103四、电路参数的选择u 设计一个稳压管稳压电路，就是合理地选择电路元件的有关参数。在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax（或者负载电阻RL的最大值RLmax和最小值RLmin），输入电压UI的波动范围（一般为 10）。u1、稳压电路输入电压UI的选择 根据经验，一般选择UI确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。104四、电路参数的选择u2、稳压管的选择u 在稳压管稳压电路中 UOUZ；当负载电流 IL变化时，稳压管的电流将产生一个与之相反的变化，即IDZ-IL，所以稳压管工作在稳压区所允许的电流变化范围应大于负载电流的变化范围，即 IZM-IZ Ilmax-ILmin。105四、电路参数的选择u 当输入电压UI随电网电压升高而增大时，限流电阻R的电压增量与UI的增量几乎相等，它所引起的IR的增大部分几乎全部流过稳压管；另外电路空载时稳压管流过的电流 IZ将与 R上电流 IR相等，所以稳压管的最大稳定电流 IZM的选取应留有充分的余量。u 换言之，当输入电压最高、负载开路时，流过稳压管的电流最大，该电流应小于稳压管的最大稳定电流IZM。u 而当输入电压最低、负载最小时，流过稳压管的电流最小，该电流应大于稳压管的最小稳定电流IZ。106四、电路参数的选择u综上所述，选择稳压管的一般原则可归纳为：107四、电路参数的选择u3限流电阻R的选择u R的选择必须满足两个条件：稳压管流过的最小电流IDZmin应大于稳压管的最小稳定电流Izmin(即手册中的IZ）；稳压管流过的最大电流IDZmax应小于稳压管的最大稳定电流 IZmax（即手册中的 IZM）。即108四、电路参数的选择u当电网电压最低（即UI最低）且负载电流最大时，流 过稳压管的电流最小，因此由此得出限流电阻的上限值为109四、电路参数的选择u当电网电压最高（即UI最高）且负载电流最小时，流过稳压管的电流最大，因此由此得出限流电阻的下限值为uR的阻值一旦确定，其功率也可随之而确定。110u例 4、电路如图所示，已知 UI 15 V，负载电流为 1020 mA；稳压管的稳定电压UZ6 V，最小稳定 电流IZ=5 mA，最大稳定电流 IZM 40 mA，动态电 阻 rz 15。u （1）求解R的取值范围；u （2）若 R=250 ，则稳压系数及和输出电阻 RO各为多少？u （3）为使稳压性能好一些，在允许范围内，R的取值应当偏大些，还是偏小些？为什么？111四、电路参数的选择u 解：（1）112四、电路参数的选择u（2）u（3）在允许范围内，R的取值应当偏大些。因为当其余参数确定的情况下，R愈大，Sr愈小，RO愈接近rz。113u例 5电路如图所示，已知 UI 12 V，电网电压允许波 动范围为 10；稳压管的稳定电压 UZ 5 V，最 小稳定电流 IZ 5 mA，最大稳定电流IZM=30 mA，负载电阻R L 250350。试求解：u （l）R的取值范围；u （2）设滤波电容足够大，变压器副边电压有效值U2约为多少。114四、电路参数的选择u 解：（1）首先求出负载电流的变化范围：再求出R的最大值和最小值：（2）当 C足够大时，可以近似认为 U2 UI/1.2=10 V。115四、电路参数的选择u 稳压管稳压电路的优点是电路简单，所用元件数量少；但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调节，因此只适用于负载电流较小、负载电压不变的场合。11610.5 串联型稳压电路u 稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，在很多场合下不能满足使用要求。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。11710.5 串联型稳压电路u一、串联型稳压电路的工作原理u二、集成稳压器中的保护电路u三、集成稳压器电路u四、三端稳压器的应用118一、串联型稳压电路的工作原理u1、基本调整管电路u 在下图所示稳压管稳压电路中，负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳定电流之差，即（IZM IZ）。119一、串联型稳压电路的工作原理u 扩大负载电流最简单的方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出形式，因而引入了电压负反馈，可以稳定输出电压，如下图所示。120一、串联型稳压电路的工作原理u常见画法如下图所示。121一、串联型稳压电路的工作原理u 上图所示电路与一般共集放大电路有着明显的区别：其工作电源UI不稳定，“输入信号”为稳定电压Uz，并且要求输出电压UO在UI变化或负载电阻RL变化时基本不变。122一、串联型稳压电路的工作原理u 其稳压原理简述如下：当电网电压波动引起 UI增大，或负载电阻RL增大时，输出电压UO将随之增大，即晶体管发射极电位UE升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位UB基本不变；故晶体管的UBE=(UB UE）减小，导致IB(IE)减小，从而使UO减小；因此可以保持UO基本不变。123一、串联型稳压电路的工作原理u 当UI 减小或负载电阻RL减小时，变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使UO稳定，所以称晶体管为调整管，称该电路为基本调整管电路。u 根据稳压管稳压电路输出电流的分析已知，晶体管基极的最大电流为（IZM IZ）。由于晶体管的电流放大作用，最大负载电流为 124u 这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为u 从上述稳压过程可知，要想使调整管起到调整作用，必须使之工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降UCES；换言之，电路应满足 UI UO UCES的条件。125一、串联型稳压电路的工作原理u 由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。126一、串联型稳压电路的工作原理u2、具有放大环节的串联型稳压电路u 上式表明基本调整管稳压电路的输出电压仍然不可调，且输出电压将因UBE的变化而变，稳定性较差。为了使输出电压可调，也为了加深电压负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。u电路的构成u 若同相比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，则其输出电压就可调节；同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，就构成具有放大环节的串联型稳压电路，如下图所示。127一、串联型稳压电路的工作原理u输出电压为由于集成运放开环差模增益可达 80 dB以上，电路引入深度电压负反馈，输出电阻趋近于零，因而输出电压相当稳定。128u下图所示为电路的常见画法。129一、串联型稳压电路的工作原理u稳压原理u 当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压UO升高（降低）时，取样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端电位UZ进行比较放大；A的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；因为电路采用射极输出形式，所以输出电压UO必然降低（升高），从而使UO得到稳定。u 可见，电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压。130一、串联型稳压电路的工作原理u 输出电压的可调范围u 在理想运放条件下，净输入电压为零；即 UN=UP UZ。所以，当电位器的滑动端在最上端时，输出电压最小，为131一、串联型稳压电路的工作原理u 当电位器比的滑动端在最下端时，输出电压最大，为 若R1=R2=R3=300，UZ=6V，则输出电压18V UO 9V。132一、串联型稳压电路的工作原理u调整管的选择u 在串联型稳压电路中，调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证。调整管一般为大功率管，因而选用原则与功率放大电路中的功放管相同，主要考虑其极限参数ICM、U(BR)CE0、PCM。调整管极限参数的确定，必须考虑：输入电压UI由于电网电压波动而产生的变化，输出电压的调节所产生的影响，负载电流的变化所产生的影响。133一、串联型稳压电路的工作原理u 从串联型稳压电路可知，调整管T的发射极电流IE等于采样电阻中电流和负载电流之和；T的管压降 等于输入电压与输出电压之差。显然，当负载电流最大时，流过T管发射极的电流最大。调整管的最大集电极电流 ICmaxILmaxu 当电网电压最高，即输入电压最高，同时输出电压又最低时，调整管承受的管压降最大，即 UCEmax=UImax-UOmin134一、串联型稳压电路的工作原理u 当晶体管的集电极（发射极）电流最大，且管压降最大时，调整管的功率损耗最大，即 Pomax=IOmaxUCEmax 在选择调整管T时，应使135一、串联型稳压电路的工作原理u 实际选用时，不但要考虑一定的余量，还应按手册上的规定采取散热措施。u 如果最大负载电流为 500 mA；输出电压调节范围为 1020 V；输入电压 25 V，波动范围为10；那么选择 T管时，其极限参数应为136一、串联型稳压电路的工作原理u3、串联型稳压电路的方框图u 根据上述分析，实用的串联型稳压电路至少包含调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路四个部分组成。此外，为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路，因此串联型稳压电路的方框图如下图所示。137一、串联型稳压电路的工作原理u例6电路如图所示，已知输入电压UI的波动范围为 10，调整管的饱和管压降 UCES=2 V，输出电 压UO的调节范围为 5 20 V，R1=R3 200。试问：u （1）稳压管的稳定电压UZ和R2的取值各为多少？u （2）为使调整管正常工作，在电网电压为 220 V时，UI的值至少应取多少？138一、串联型稳压电路的工作原理u解：（1）输出电压最小值和最大值为将UOmin5V，UOmax20V、R1R3200代入上二式，解二元方程，可得R2600 ，UZ 4 V。139一、串联型稳压电路的工作原理u （2）所谓调整管正常工作，是指在输入电压波动和输出电压改变时调整管应始终工作在放大状态。研究电路的工作情况可知，在输入电压最低且输出电压最高时管压降最小，若此时管压降大于饱和管压降，则在其它情况下管子一定会工作在放大区。140一、串联型稳压电路的工作原理u用式子表示为141一、串联型稳压电路的工作原理u例7对图示电路，已知集成运放输出电流IO最大值为 2mA，调整管的电流放大倍数为30。试问：u （1）最大负载电流 ILmax约为多少？u （2）若稳压电路的输出电流为1A，应采取什么办u法？画出改进部分的电路图来。142一、串联型稳压电路的工作原理u 解：（1）最大负载电流 ILmax IEmax ICmax IO 30 2 mA 60 mA。u （2）可以将调整管采用复合管，如下图所示143二、集成稳压器中的保护电路u 在集成稳压器电路内部含有各种保护电路，如过流保护、短路保护、调整管安全工作区保护、芯片过热保护电路等，使集成稳压器在出现不正常情况时不至于损坏。而且，因为串联型稳压电路的调整管是其核心器件，它流过的电流近似等于负载电流，且电网电压波动或输出电压调单时管压降将产生相应的变化，所以这些保护电路都与调整管紧密相关。144二、集成稳压器中的保护电路u 下面我们主要介绍过流保护电路。u 过流保护电路能够在稳压器输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。凡在过流时使调整管发射极电流限制在某一数值的电路，称为限流型过流保护电路；凡在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路，称为截流型（或减流型）过流保护电路。145二、集成稳压器中的保护电路u 1、限流型过流保护电路u 限流型过流保护电路如下图所示。T1为调整管，T2和RO构成保护电路，右图为集成稳压电路中的画法。146二、集成稳压器中的保护电路u RO为电流取样电阻，其电流近似等于稳压电路的输出电流IO，故其电压正比于IO。正常工作时，T2的be间电压 UBE2=IO RO Uon，Uon为be间的开启电压，因而T2处于截止状态。当过流，即输出电流增大到一定数值时，RO上的电压足以使T2导通，便从T1管的基极电流分流，因而限制了调整管的发射极电流。RO的取值不同，调整管发射极的限定值将不同，其表达式为：IOmaxIEmax UBE2/RO147二、集成稳压器中的保护电路u右图为其输出特性。上述分析表明，限流型保护电路虽然组成简单，但是在保护电路起作用后调整管仍有较大的工作电流，因而也就有较大的功耗，所以不适用于大功率电路。148二、集成稳压器中的保护电路u2、截流型过流保护电路u 截流型过流保护电路如下图所示。T1为调整管，RO为电流取样电阻，它与 T2、R1和R2构成保护电路，右图为集成稳压电路中的画法。149二、集成稳压器中的保护电路u电路中A、B点的电位分别为150二、集成稳压器中的保护电路u 上式表明，IO增大，UBE2将随之增大。未过流时，UBE2 U on，使T2截止。当IO增大到一定数值或输出端短路时，T2导通，对调整管T1的基极分流使IO减小，从而导致输出电压 UO减小；此时虽然 UB随 UO的下降而下降，但是UO下降的幅值大于UB下降的幅值，使得T2的电流进一步增大，T1的电流进一步减小，最终减小到较小数值。151二、集成稳压器中的保护电路u输出特性如右图所示。设T2导通时be间电压为U on，令输出电压UO为零，并代入上式，可以求出输出电流的最小值为：152三、集成稳压器电路u 从外形上看，集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器。按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路；前者的输出电压不能进行调节，为固定值；后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。本节首先对型号为 W7800固定式集成稳压器电路加以简要分析，然后介绍型号为Wll7可调式集成稳压器的特点。153三、集成稳压器电路u1、固定式正压输出三端稳压器u 基本型号为78，前边的字头依生产厂家不同而不同，如W 78、LM 78、CA 78等等。顾名思义，它只有三个端点，输出电压是固定的。u 按输出电压分成7805、7806、7809、7812、7815、7818和7824七个档次，型号后面的两个数字表示输出电压值。u 按输出电流分成六个档次：154三、集成稳压器电路u 78P 10Au 78H 5Au 78T 3Au 78 1.5Au 78M 0.5Au 78L 0.1Au它因性能稳定、价格低廉而得到广泛的应用。155三、集成稳压器电路u电路分析u W7805电路原理图如下图所示156三、集成稳压器电路u其中稳压电路部分如下图所示157三、集成稳压器电路u 由T16和T17管构成的复合管作为调整管，用以增大电流放大系数。u 以T3和T4复合管作为放大管、以T9管为有源负载组成的共射放大电路作为比较放大电路。基准电压UREF通过T6管（T2管为有源负载）的发射极输入到T3管的基极。u T3、T4、T5、T6管和电阻R2组成基准电压电路，为能隙基准电压电路。基准电压UREF为158三、集成稳压器电路u W7800系列电源还设有安全工作区保护电路、芯片过热保护电路以及启动电路。159三、集成稳压器电路u 电路中的一些元件出现在多个功能电路中，如DZ1既作为启动电路的一部分，又作为过热保护电路的一部分；为使各管子的作用更清晰，画出W7800的原理框图，如下图所示。图中标注出各部分电路所包含的管子。160三、集成稳压器电路u主要参数u在温度为 25C条件下 W7805的主要参数如下表 所示：161三、集成稳压器电路u2、固定式负压输出三端稳压器u 基本型号为79，前边的字头依生产厂家不同而不同，如W 79、LM 79、CA 79等等。顾名思义，它只有三个端点，输出电压是固定的。u 与78一样，按输出电压也分成7905、7906、7909、7912、7915、7918和7924七个档次，型号后面的两个数字表示输出电压值。u 与78一样，按输出电流分成六个档次：162三、集成稳压器电路u 79P 10Au 79H 5Au 79T 3Au 79 1.5Au 79M 0.5Au 79L 0.1A163三、集成稳压器电路u3、可调式正压输出三端稳压器u Wll7为可调式正压输出三端稳压器。u 原理框图u Wll7的原理框图如下图所示。164三、集成稳压器电路u 它有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端（简称调整端）。调整端是基准电压电路的公共端。T1和T1组成的复合管为调整管；基准电压电路为能隙基准电压电路；比较放大电路是共集一共射放大电路；保护电路包括过流保护、调整管安全区保护和过热保护三部分。R1和R2为外接的取样电阻，调整端接在它们的连接点上。165三、集成稳压器电路u 当输出电压UO因某种原因（如电网电压波动或负载电阻变化）而增大时，比较放大电路的反相输入端电位（即采样电压）随之升高，使得放大电路输出端电位下降，UO势必随之减小；当输出电压UO因某种原因（如电网电压波动或负载电阻变化）而减小时，各部分的变化与上述过程相反；因而输出电压稳定。可见，与一般串联型稳压电路一样，由于Wll7电路中引入了电压负反馈，使得输出电压稳定。166三、集成稳压器电路u因为调整端的电流很小，约为 50 A，所以输出电压为其中UREF的典型值为1.25V。167三、集成稳压器电路u主要参数u 与W7800系列产品一样，Wll7、Wll7M和Wll7L的最大输出电流分别为1.5 A、0.5 A和 0.1A。Wll7、W217和 W317具有相同的引出端、相同的基准电压和相似的内部电路，它们的工作温度范围依次为一55150、25150、0125。它们在25时主要参数如下表所示。168三、集成稳压器电路169三、集成稳压器电路u对上表作以下说明：u 对于特定的稳压器，基准电压UREF是1.21.3V中的某一个值，在一般分析计算时可取典型值 1.25 V；u Wll7、W217和 W317的输出端和输入端电压之差为 340 V，过低时不能保证调整管工作在放大区，从而使稳压电路不能稳压；过高时调整管可能因管压降过大而击穿；u 外接取样电阻必不可少，根据最小输出电流IOmin可以求出R1的最大值；170三、集成稳压器电路u 调整端电流很小，且变化也很小；u 与W7800系列产品一样，Wll7W217和W317在电网电压波动和负载电阻变化时，输出电压非常稳定。u 输出电压一般是1.2V37V，但317HV的输出电压是1.2V47(57)V。171三、集成稳压器电路u4、可调式负压输出三端稳压器u 与可调式正压输出三端稳压器相对应，可调式负压输出三端稳压器的型号分别是137、237和337，电流也分1.5A、0.5A、0.1A。172四、三端稳压器的应用u1、三端稳压器的外形和方框图u 与其它大功率器件一样，三端稳压器的外形便于自身散热和安装散热器。封装形式有金属封装和塑料封装两种形式。下图分别为W7800系列、Wll7系列、W7900系列和 Wl37系列产品金属封装、塑料封装的外形图和方框图。173四、三端稳压器的应用174四、三端稳压器的应用175四、三端稳压器的应用u2、W7800的应用u 基本应用电路u 基本应用电路如下图所示176四、三端稳压器的应用u 输出电压和最大输出电流决定于所选三端稳压器。图中电容Ci用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于 lF。电容 CO用于消除输出电压中的高频噪声，可取小于 l F的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流。但是若CO容量较大，一旦输入端断开，CO将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此，可在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，如图中虚线所画，起保护作用。177四、三端稳压器的应用u正、负输出稳压电路u 只要特别注意输入电压和输出电压的极性。W7900与W7800相配合，可以得到正、负输出的稳压电路，如下图所示。178四、三端稳压器的应用u 图中两只二极管起保护作用，正常工作时均处于截止状态。若W7900的输入端未接入输入电压，W7800的输出电压将通过负载电阻接到W7900的输出端，使 D2导通，从而将 W7900的输出端钳位在 0.7 V左右，保护其不至于损坏；同理，D1可在W7800的输入端未接入输入电压时保护其不至于损坏。179四、三端稳压器的应用u(3)扩大输出电流的稳压电路u 若所需输出电流大于稳压器标称值时，可采用外接电路来扩大输出电流。下图为实现输出电流扩展的一种电路。180四、三端稳压器的应用u 该电路的输出电压 UO=UO UD UBE，UO为三端稳压器的输出电压；在理想情况下，即UD=UBE时，UO UO。可见，二极管用于消除UBE对输出电压的影响。设三端稳压器的最大输出电流为IOmax，则晶体管的最大基极电流IBmax=Iomax-IR。因而负载电流的最大值为：181四、三端稳压器的应用u（4）输出电压可调的稳压电路u 下图电路为利用三端稳压器构成的输出电压可调的稳压电路。图中电阻R2中流过的电流为 IR2，R1中的电流为IR1，稳压器公共端的电流为Iw，因而IR2=IR1+Iw182四、三端稳压器的应用u 由于电阻R1上的电压为稳压器的输出电压UO，IR1=UO R1，输出电压UO等于R1上电压与R2上电压之和，所以输出电压为u改变R2滑动端位置，可以调节UO的大小。183四、三端稳压器的应用u 在上图中，三端稳压器既作为稳压器件，又为电路提供基准电压。其主要缺点是当公共端电流Iw变化时将影响输出电压。因此，实用电路中常加电压跟随器将稳压器与取样电阻隔离，如下图所示。184四、三端稳压器的应用u 图中电压跟随器的输出电压等于其输入电压，也等于三端稳压器的输出电压UO，也就是说电阻R1与R2上部分的电压之和为UO，是一个常量。此时，以输出电压UO的正端为参考点，当电位器滑动端的位置变化时，输出电压出将随之变化，其调节范围是u 设R1 R2 R3 300，UO 12 V，则输出电压的调节范围为1836V。可以根据输出电压的调节范围及输出电流大小选择三端稳压器及取样电阻。185四、三端稳压器的应用u3、Wll7的应用u 基准电压源电路u 下图是由Wll7组成的基准电压源电路u 输出端和调整端之间的电压是非常稳定的电压，其值为 1.25 V。输出电流可达 1.5 A。图中 R为泻放电阻，根据最小负载电流（取 5 mA）可以计算出 R的最大值。Rmax1.250.005=250，实际取值可略小于 250 ，如 240 。186四、三端稳压器的应用u典型应用电路u 可调式三端稳压器的主要应用是要实现输出电压可调的稳压电路。正如前面所述，可调式三端稳压器的外接取样电阻是稳压电路不可缺少的组成部分，其典型电路如下图所示。u 图中R1取值原则与基准电压源电路中的 R相同，可取 240 。输出电压为187四、三端稳压器的