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第30章 直流稳压电源(2)

尽管具体电路有所改进,但基本工作原理相同。目前,集成稳压器已达百余种,并且成为模拟集成电路的一个重要分支。它具有输出电流大,输出电压高,体积小,安装调试方便,可靠性高等优点,在电子电路中应用十分广泛。

三端集成稳压器的输出电压有可调和固定两种形式:固定式输出电压为标准值,使用时不能再调节;可调式可通过外接元件,在较大范围内调节输出电压。此外,还有输出正电压和输出负电压的三端集成稳压器。

三端集成稳压器的型号有多种,常用的输出为固定正电压的型号有W78××系列;输出为固定负电压的型号有W79××系列;输出为可调正电压的型号有W317系列;输出为可调负电压的型号有W337系列。

1-固定输出的三端集成稳压器

固定输出的三端集成稳压器的三端指输入端(1脚)、输出端(2脚)及公共端(3脚)3个引出端,其外形及符号如图10-10所示。固定输出的三端集成稳压器W78××系列和W79××系列各有7个品种,输出电压分别为±5V、±6V、±9V、±12V、±15V、±18V、±24V;最大输出电流可达1-5A;公共端的静态电流为8mA。型号后两位数字(××)为输出电压值,例如W7815表示输出电压Uo=+15V。在根据稳定电压值选择稳压器的型号时,要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2~3V(输出负电压时要低2~3V),但不宜过大。因为输入与输出电压之差等于加在调整管上的UCE,如果过小,调整管容易工作在饱和区,降低稳压效果,甚至失去稳压作用;若过大,则功耗过大。

1)基本应用电路

固定输出的三端集成稳压器的基本应用电路如图10-11所示。图10-11中C1用以抑制过电压,抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡;C2用以改善负载的瞬态响应,即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C1,C2一般选涤纶电容,容量为0-1μF至几个μF。安装时,两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。

图10-10固定输出三端集成稳压器的外形及符号图10-11固定输出三端集成稳压器基本应用电路2)扩展输出电压的应用电路

如果需要高于三端集成稳压器的输出电压,可采用如图10-12所示的升压电路。图10-12中三端集成稳压器工作在悬浮状态,稳压电路的输出电压为图10-12所示电路的缺点是,当稳压电路输入电压Ui变化时,IQ也发生变化,这将影响稳压电路的稳压精度,特别是R2较大时这种影响更明显。为此,可引入集成运放,利用集成运放输入电阻高、输出电阻低的特性来克服三端集成稳压器静态电流变化的影响。

3)同时输出正负电压的电路

图10-13所示为一个双向稳压电路。利用W7815和W7915两个三端集成稳压器,则可构成同时输出+15V和-15V两种电压的双向稳压电源。

图10-12提高输出电压电路图10-13双向稳压电路2-可调输出的三端集成稳压器

可调输出的三端集成稳压器W317(正输出)、W337(负输出)是近几年的产品,它既保持了三端的简单结构,又实现了输出电压连续可调,故有第二代三端集成稳压器之称。

W317、W337与W78XX固定式三端集成稳压器比较,它们没有接地(公共)端,只有输入、输出和调整三个端子,是悬浮式电路结构。W317、W337三端集成稳压器内部设置了过流保护、短路保护、调整管安全区保护及稳压器芯片过热保护等电路,因此使用十分安全可靠。W317、W337最大输入、输出电压差极限为40V,输出电压1-2~35V(或-1-2~-35V)连续可调,输出电流0-5~1-5A,最小负载电流为5mA,输出端与调整端之间基准电压为1-25V,调整端静态电流IQ为50μA。不同系列的W317、W337引脚功能不同,选用时要查阅说明书。

图10-14所示是W317可调输出三端集成稳压器应用电路。最大输入电压不超过40V;固定电阻R1(240)接在三端集成稳压器输出端至调整端之间,其两端电压为1-25V,调节可变电阻RP(0~6-8k),就可以从输出端获得1-25~35V连续可调的输出电压。

由于三端集成稳压器有维持电压不变的能力,所以R1上流过的是一个恒流,其值为IR1=1-25V/240=5mA。W317最小负载电流为5mA,所以240是电阻R1的最大值。流过RP的电流是IR1和三端集成稳压器调整端输出的静态电流IQ(50μA)之和,因此调节可变电阻RP能改变输出电压。由图10-14可知,输出电压为图10-14中VD1是为了防止输出短路,C3放电而损坏三端集成稳压器内部调整管发射结而接入的如果输出不会短路、输出电压低于7V时,VD1可不接。VD2是为了防止输入短路时,C2放电损坏三端集成稳压器而接入的,如果RP上电压低于7V或C2容量小于1μF时,VD2也可省略不接。

W317是依靠外接电阻给定输出电压的,所以R1应紧接在稳压器输出端和调整端之间,否则输出端电流大时,将产生附加压降,影响输出精度。RP的接地点应与负载电流返回点的接地点相同。同时,R1、RP应选择同种材料做的电阻,精度尽量高一些。输出端电容C2应采用钽电容或采用33μF的电解电容。

10-3开关稳压电路

串联稳压电路,虽具有输出稳定度高、电路简单、工作可靠等优点,但调整管必须工作在放大状态,当负载电流较大时,调整管会产生很大的功耗,这不仅降低了电路的转换效率,对节约能源不利,而且为解决散热问题,必须增大散热片,增加了电源的体积和重量。

为降低调整管的管耗,可使调整管工作在开关状态。这样调整管只有在由饱和导通转换到截止或由截止转换到饱和导通的瞬间,才进入放大区而消耗一定的能量。这种调整管工作在开关状态的稳压电路称为开关稳压电路,习惯上称开关稳压电路中的调整管为开关调整管或开关管。开关稳压电路效率高,但电路复杂,对元器件要求较高,因此造价较串联稳压电路高。目前,计算机、电视机等都采用开关稳压电路。

开关稳压电路种类繁多,现以脉宽调制式串联型开关稳压电路为例,来介绍开关稳压电路的工作原理。

10-3-1脉宽调制式串联型开关稳压电路

脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图10-15所示。图10-15中,Ui为开关稳压电路的输入电压,是经整流滤波后输出的直流电压;R1、R2组成取样单元,取样电压即反馈电压Uf;A1为比较放大器,同相输入端接基准电压UR,反相输入端接Uf,它将两者差值进行放大;A2为脉宽调制式电压比较器,同相端接A1的输出电压uo1,反相端与三角波发生器输出电压uT相连,A2输出的矩形波电压uo2就是驱动调整管通、断的开关信号;T是开关调整管;L、C为形滤波器,VD为续流二极管;RL为负载,Uo为稳压电路输出电压。

10-3-2工作过程

由电压比较器的特点可知,当uo1uT时,u+u-,uo2为高电平,反之,uo2为低电平。当uo2为高电平时,VT饱和导通,输入电压Ui经滤波电感L加在滤波电容C和负载RL两端,在此期间,iL增长,L和C储存能量,VD因反偏而截止。当uo2为低电平时,VT由饱和导通转换为截止,由于电感电流iL不能突变,iL经RL和续流二极管衰减而释放能量,此时滤波电容C也向RL放电,因而RL两端仍能获得连续的输出电压。当开关调整管在uo2的作用下又进入饱和导通,L、C再一次充电,以后VT又截止,L、C又放电,如此循环不已。

输出电压Uo与输入电压Ui的关系为式中:ton——开关调整管导通时间;T——重复周期,由三角波发生器电压uT的周期决定。

10-3-3稳压原理

当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时,都将引起输出电压Uo的改变,由于负反馈作用,电路能自动调整而使Uo基本上维持稳定不变。稳压过程如下:

若为负值uo2输出高电平变窄(ton)Uo从而使输出电压基本不变。

反之,若UoUf(URUf)uo1为正值uo2输出高电平变宽(ton)Uo同样使输出电压基本不变。

稳压过程的波形分析如图10-16所示。

小结

(1)电子线路需要直流电源来使其正常工作,一个直流电源电路应包含整流、滤波和稳压三个基本组成部分。整流元件为二极管,整流电路常选用桥式整流。由于整流输出脉动较大,因而需要滤波,滤波元件有电容和电感,滤波电容应与负载并联,滤波电感应与负载串联。滤波后的直流电压仍受到电网波动及负载变化的影响,为此要采取稳压措施。

(2)稳压电路主要有线性稳压电路和开关稳压电路两种。小功率电源多用线性调整型稳压电路,其中三端集成稳压器由于使用方便,应用越来越广泛。大功率电源多采用开关型稳压电路,一般采用脉宽调制实现稳压。

习题

10-1直流稳压电源由几个部分组成?

10-2整流电路的作用是什么?所用的元件是什么?利用了元件的什么特性?

10-3一般在什么情况下应采用三相桥式整流电路?

10-4三相桥式整流电路与单相桥式整流电路相比有哪些优点?

10-5滤波电路的作用是什么?所用的主要元件是什么?与负载怎样连接?利用了元件的什么特性?

10-6电容滤波有哪些特点?

10-7开关稳压电路与串联稳压电路比较有何优缺点?

10-8开关稳压电路中的调整管工作在什么状态?

10-9脉宽调制式串联开关稳压电路中各元件的作用是什么?

10-10调整管是如何实现稳定输出电压的?

10-11习题10-11图所示是万用表中测量交流电压的整流电路。问:

(1)电路是属于半波整流,还是桥式整流;(2)标出使电表M的表针偏转的电表正,负端;(3)若忽略电表内阻和二极管正向导通电阻,试计算当被测正弦交流电压为250V(有效值)时,使电表满偏的电阻R的大小,已知表头的满偏电流为100μA。

10-12已知单相桥式整流如习题10-12图所示,u2=212sint(V),求负载电压UL,并选择整流二极管。

10-13已知单相桥式整流滤波电路有RLC=(3~5)T2,f=50Hz,u2=25sint(V)(1)画出电路图,标出滤波电容C上的电压极性。

(2)估算负载电压UL,如果RL断开时,输出电压为多少?

(3)滤波电容C开路时,UL为多少?

(4)整流器中有一只二极管虚焊,滤波电容C开路时,UL为多少?正,负极接反,将产生什么后果?

(5)整流器中有一只二极管正负极接反了,将产生什么后果?

10-14指出习题10-14图(a)、(b)中的错误,并进行修改。

10-15在习题10-15图所示电路中,已知三端集成稳压器的型号为W7818。若R1=400,R2=200,试求输出电压Uo的值。

10-16试求习题10-16图所示电路的Uo的可调范围。