稳压电路.docx
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稳压电路
穩壓電路
a.c.
輸入
d.c.
輸出
穩壓定義:
1.電壓調整(LineRegulation):
輸入電壓改變時,輸出電壓維持一定。
2.負載調整(LoadRegulation):
負載電阻改變(輸出電流)時,輸出電壓維持不變。
然納二極體(Zenerdiode):
是一種專門工作於反向(崩潰,Breakdown)區域的二極體,如有一適量的
電流流經此二極體,則其兩端點間産生一固定不變的電壓,名爲:
”然納電壓”,
由於其電壓穩定,故被廣泛用於穩壓電路或用作參考電壓源。
崩潰現象:
在PN結上,加以反向電壓時,反向電流很小,叫反向飽和電流,當反向電壓加大到一定值時,反向電流會突然增加,這現象叫PN結的擊穿。
電路符號和曲線圖:
-
工作原理:
-
然納二極體特性曲線中,當反向電壓達到擊穿電壓後,二極體由截止轉爲導通,此時的電流爲最低然納電流IZ(Min),而形成的電壓爲最低然納電壓VZ(Min),
如繼續加大反向電壓,則電流便急速變大,但然納二極體有一定的最大可通過電流IZ(Max),若通過的電流超過IZ(Max),會損壞此二極體。
(簡單來說:
反向電壓到達VZ後,相對電流不斷增加,電壓變化卻很少。
)
然納二極體穩壓器:
下圖電路中,然納二極體負起調節作用,當負載電流減少時,限流電阻兩端電壓降便下降,輸出電壓上升,即相對地加大然納二極體的反向電壓,然納電流IZ上升,使IRS亦上升,限流電阻RS的降壓便上升,輸出電壓下降,結果輸出電壓保持不變。
缺點是不能獲得較大輸出電流。
電壓調節百份比:
%V.R.
電壓的穩定程度,比數愈低愈好,當直流電壓輸入VS或負載電流IL變動
其輸出Vo可以保持在一定範圍內不變。
VNL:
無負載時的電壓輸出VFL:
滿載時的電壓輸出
例:
如上圖的穩壓器,在沒有負載時其輸出電壓爲7.5V,而在額定電流輸出時,其輸出電壓爲7.4V,求此穩壓器的電壓穩定度。
VR=1.35%
限流電阻的計算:
限流電阻(RS):
-
(1)提供VZ之工作電流。
(2)保護VZ不受過流損壞。
兩個極端情況:
1.VS=VS(Min),IL=IL(Max)
2.VS=VS(Max),IL=IL(Min)VRS=VS-VZ
IS=IL+IZ
當VS=VS(Min),IL=IL(Max)時,
,RS=RS(最大值),IZ(Min)=最低工作電流。
當VS=VS(Max),IL=IL(Min)時,
,RS=RS(最小值),IZ(Max)=最大工作電流。
例1:
如輸入電壓的變化爲15V~18V,負載電流變化爲5mA~15mA,而然納二極體之VZ=12V,IZ(Min)=0.25mA,IZ(Max)=50mA,求RS的數值。
解:
VS(Max)=18V,VS(Min)=15V,IZ(Min)=0.25mA,IZ(Max)=50mA
RS=100Ω或200Ω
例2:
如上圖:
VS=16V,RS=1K,VZ=10V,RL=2K,計算VO,VR,IZ,PZ
解:
VO=VZ=10V=10V
VR=VS–VZ=16V–10V=6V
IZ=IRS–IL
PZ=IZ´VZ=1mA´10V=10mW
基本串聯式穩壓器:
-
利用控制基極電流IB而改變集極的電流IC,使能獲得特性優越的大容量穩壓電路。
圖中的輸出電壓Vout=然納電壓–射基極電壓
Vout=VZ–VBE
輸入電壓(VS)的改變,會同時引致基極電壓改變,
然納管的電壓穩定作用可使到輸出電壓(VOUT)恒定不變。
例:
在上圖若輸入電壓是18V,然納二極體的然納電壓是12.6V,VBE=0.7V,
負載電流是1.5A,求輸出電壓和Q所損耗的功率。
輸出電壓=12.6V–0.7V=11.9V
Q所損耗的功率=(18V–11.9V)´1.5A=9.15W
串聯穩壓器電路:
-控制元件和負載成串聯。
VSISRS=VLTRANSISTOR
VSIL(IS)RS¯(VRS不變)=VLTRANSFER+RESISTOR
方塊圖:
電路:
電路分爲四部份:
1.回輸取樣電路:
由分壓電路(R1,R2)組成,從輸出端抽取樣本,監視輸出端電壓之變化,把變化(Vf)送到誤差放大器,此電路由(R1,R2)電阻組成。
2.基準電壓電路:
由一電阻和一個然納二極體組成,利用然納二極體的穩壓特性輸出一穩定的參考電壓Vref.。
R4用以限制然納二極體的工作電流。
取樣電路基準電壓電路
3.誤差放大:
由一負載電阻和電晶體所構成的共射極放大器組成,把回輸電壓和參考電壓作出比較,把誤差電壓輸出到控制元件。
4.控制元件:
由一個電晶體構成,電晶體的內阻受輸入基極的誤差電壓所影響,
當其內阻變大時,輸出電壓便下降,反之則上升。
所以控制元件可看成一個
可變電阻,而電阻值由誤差電壓所控制,誤差電壓愈高,Q1的內阻便愈低,
流經Q1的電流便愈大。
誤差放大控制元件
輸出電壓:
由上式:
當R1=0時,Vo的輸出爲最低。
串聯穩壓電路的改良:
1.控制元件Q1使用達靈頓管:
提高電流增益。
2.前置穩壓器:
誤差電壓Ve除受參考電壓Vref之變化而改變外,也受輸入電壓VS的影響,爲使輸出電壓不受輸入電壓VS影響,可把R3的阻值加大,當R3爲無限大時,
Ve便不受VS的影響,但R3不可能無限大,因此用一恒流源代替R3,此恒流源稱爲
前置穩壓器,在上圖中DA,QA,RA1,RA2組成一個前置穩壓器。
3.短路保護:
QC,RC組成限流保護器,當Io增大RC兩端的電壓增加,若VRC的電壓增加至0.6V時,QC便會導通,相當數量的Q1基極電流轉移到QC集極,使Q1的電流固定在一定的數值內,改變RC的電阻值,便可設定穩壓器的最大輸出電流。
例:
以上圖的電路,設計一最大輸出爲2.5A的穩壓器。
解:
V=IR,V=0.6V,I=2.5A
V=IR
0.6V=2.5A´R
R=0.24Ω
以運算放大器構成的串聯式穩壓器:
-
工作原理:
參考電壓VZ接到運算放大器的正相輸入,而取樣電壓VF則接到反相輸入,
當輸出電壓正常時,VZ=VF,若調整電阻R3,Ve將會升高,這時Vo也向上升,直至VZ=VF,Vo才可以穩定下來。
開關式穩壓器(SwitchingRegulator)
特點:
線性穩壓器的控制元件….電晶體因在線性區工作,故其消耗功率很大,
特別是輸出電壓很低時,其消耗工率P=(Vin–Vo)´Io,故其功率大部份消耗在電晶體上,輸出效率在10%至50%之間,平均約40%。
但開關式穩壓的輸出效率約60%至90%,平均可達90%,效率大大提高。
在各種電子設備中廣泛應用。
優點:
1.輸出效率約60%至90%,平均可達80%,效率很高。
2.由於損耗較低,故發出熱量亦較低。
3.體積較小和較輕。
缺點:
1.産生噪音。
2.發出高頻電磁波,做成干擾。
3.成本較高。
電路:
工作原理:
調整管之開關動作由一連串脈波控制,然後調整管之輸出脈衝電壓,
經LC濾波電路變為一平穩之直流電壓輸出。
1.當Q1導通時,綫圈L產生一感應電勢,二極管D1因反偏壓而截止,電容C將充電,IL作綫性增加。
(輸出+充電)
2.當Q1截止,L之感應電勢極性顛倒,使D1導通,貯存在L之能量輸送到負載,
IL作綫性下降,當IL下降到負載電流以下,負載電流由C供應。
電感L,
電容C和續流二極管D1構成了儲能電路。
3.當VOUT增加或減少時,Q1開的時間減少或增加,電容充電減少或增加,
使輸出下降或上升至原有之值。
4.輸出電壓為:
T為Q1開關之週期,亦為頻率之倒數,即
。
此周期亦為電晶體開與關時間之總和,即:
4.由於晶體管Q1只工作於導通和截止兩種狀態,在導通時,因VCE只在1V以下,
故此其損耗很低,在截止時,由於完全沒有電流通過,所以損耗為零,
故其整體效率達90%,由於其電壓輸出由L和C的充電和放電取得,
所以其輸出電壓會含有紋波成份。
結構:
控制元件:
開關晶體管Q1。
低通濾波器:
L1和C1組成,使輸出電壓由脉衝變為平穩直流。
續流二極管:
D1。
取樣電路:
抽取輸出電壓高低變化的樣本。
基準電路:
產生一基準電壓作為參考。
誤差放大器:
將取樣電路所得的輸出變化電壓與基準電路之參考電壓互相比較,
得出一誤差訊號到比較器。
鋸齒波產生器:
產生一鋸齒波。
比較器:
把誤差訊號與鋸齒波比較,輸出一另一鋸齒波,其寬度與差訊號有的鋸齒波。
脈衝寬度調節器:
輸出一頻率固定,但脈衝寬度受比較訊號控制的脈衝波,
它控制了開關晶體管Q的開關時間。
線路:
工作原理:
假設可調Vo增加時,比較器就產生更高的輸出電壓,因此提升三角波對
脈波轉換的參考電壓。
即更狹的脈波推動控制管的基極。
因為工作週期較低,
所以濾波輸出減少,而抵消原來想要增加的電壓值。
反之一樣。
當VTR>Vm,Q1將會導通。
VOVm1Vpt(收窄)VO
VOVm2Vpt(增闊)VO
穩壓專用積體集成電路–μA723
下圖是μA723的方塊圖,整個IC的組成包括:
(A)參考電壓輸出,第六腳輸出7.15V。
(B)由運算放大器組成的誤差放大器。
(C)Q14,Q15組成的串聯達靈頓晶體管。
(D)用作限流的Q16晶體管。
(E)輸入電壓範圍:
9.5V~40V。
(F)輸出電壓範圍:
2V~37V。
(G)參考電壓輸出:
7.15V。
(H)最大輸出電流:
150mA。
(I)輸出電阻:
0.1。
(J)溫度系數:
0.003%/oC。
(K)%V.R.=0.03%(50mA)。
特性表:
Parameter
Symbol
Value
Unit
PulseVoltageFromV+toV-(50ms)
VI(P)
50
VPEAK
ContinuousVoltagefromV+toV-
VI
40
V
Input-OutputVoltageDifferential
VI-VO
40
V
MaximumOutputCurrent
IO
150
mA
DifferentialInputVoltage
VID
±5
V
VoltageBetweenNon-InvertingInputandV-
VIE
8
V
CurrentFromVZ
IZ
25
mA
CurrentFromVREF
IREF
15
mA
PowerDissipation
PD
1000
mV
OperatingTemperatureRange
TOPR
0~+70
C
StorageTemperatureRange
TSTG
-65~+150
C
ElectricalCharacteristics
(Unlessotherwisespecified,TA=25C,VIN=V+=VC=12V,V-=O,VOUT=5V,IL=1mA,RSC=0,CI=100pF,CREF=0anddividerimpedanceasseenbyerroramplifier10Kconnectedasshown)
Parameter
Symbol
Conditions
Min.
Typ.
Max.
Unit
LineRegulation
VO
VI=12Vto15VVI=12Vto40V
-
0.01
0.1
0.1
0.5
%
TMINTATMAX
VI=12Vto15V
-
-
0.3
LoadRegulation
IO=1mAto50mA
-
0.03
0.2
%
VO
TMINTTMAX
IO=1to50mA
-
-
0.6
RippleRejection
dB
f=100kHzto10kHz,CREF=0
-
74
-
dB
f=100kHzto10kHz,CREF=5F
-
86
-
AverageTemperatureCoefficientof
OutputVoltage
VO/T
TMINTTMAX
-
0.003
0.015
%/C
ShortCircuitCurrentLimit
ISC
RSC=10,VO=0
-
65
-
mA
ReferenceVoltage
VREF
-
6.80
7.15
7.50
V
OutputNoiseVoltage
VN
f=100kHzto10kHz,CREF=0
-
20
-
Vms
f=100kHzto10kHz,CREF=5F
-
2.5
-
Long-termStability
ST
-
-
0.1
-
%/
1000HR
StandbyCurrentDrain
ID
IL=0,VI=30V
-
2.0
4.0
mA
InputVoltageRange
VI
-
9.5
-
40
V
OutputVoltageRange
VO
-
2.0
-
37
V
Input-OutputVoltageDifferential
VD
-
3.0
-
38
V
Notes:
1.Lineandloadregulationspecificationsaregivenfortheconditionofconstantchiptemperature.
2.Temperaturedriftsmustbetakenintoaccountseparatelyforhitdissipationconditions.
典型電路:
可選擇輸出(S2a)
0.7~6volts或3~30volts.
三端點電壓調整器:
編號末二位數字,代表輸出電壓之大小。
可分為5V,6V,8V,12V,18V和24V等七種。
負載電流可高至1.5A。
VREG=定值輸出電壓。
由於外接電晶體,使能供應比調整器更多的負載電流。
電阻R1決定Q1是否導通,
而將調整器旁路。
穩壓電路堂課姓名:
1.在串聯式穩壓器線路中,下列那一項是用作參考電壓。
A.電阻B.電容C.然納二極管D.二極管
2.開關式電源穩壓器的主要優點為:
A.成本低B.雜音低C.效率高D.電路簡單
3.然納二極管在正常工作情況下是:
A.順向偏壓B.反向偏壓C.電壓為零D.電流為零
4.以下那一種穩壓器因紋波較大,不適用於一般放大電路,而適用於數碼邏輯電路。
A.然納二極管穩壓器B.串聯式穩壓器
C.IC723穩壓器D.開關式穩壓器
5.一般開關式電源穩壓器的直流轉換效率是:
A.90%B.50%C.100%D.75%
6.
(a)上圖電阻R的作用是甚麼?
(b)設VBE=0.6V,若最大輸出電流為3A,求R數值。
7.請將下列開關式穩壓器結構圖的空白方塊填上正確名稱。
穩壓電路功課
1.下圖穩壓電路中:
試計算:
(a)然納電壓VZD。
(b)負載電流IL。
2.求下圖Vo之電壓值,設VBE=0.7V。
3.求下圖Vo之電壓值,設VBE=0.7V。
4.下圖的穩壓電路:
VZ=12V,VS=30V±3V,IZ(Min)=5mA,IZ(Max)=23mA,RL=2KΩ。
求RS=?
Ω