2023-2024学年高二物理竞赛教学设计——直流稳压电源

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2023-2024学年高二物理竞赛教学设计——直流稳压电源

一、教学要求
知 识 点
教 学 要 求
学时
掌握
理解
了解
直流稳压电源的组成
 
 
√

单相桥式整流电路的工作原理及其主要性能指标
 
√
 

滤波电路的工作原理及其主要参数
 
√
 

稳压电路的主要性能指标
 
√
 

串联型线性稳压电路的组成及工作原理
 
√
 

高精度基准电源
 
 
√

集成三端稳压器
√
 
 

高效率低压差线性集成稳压器
 
 
√

开关型稳压电路
 
 
√

二、重点和难点
本章的重点是：桥式整流电容滤波电路和串联反馈型线性稳压电路的工作原理及相关分析计算，三端集成稳压器的应用。
本章的难点是： 高精度的基准源、高效率低压差线性集成稳压器的工作原理。
三、教学内容
10.1 直流稳压电源的组成
1．采用直流稳压电源的意义
    电子设备中需要直流电源，它们可以采用干电池、蓄电池或其它直流能源供电。但是这些电源成本高、容量有限。在有交流电网的地方，一般采用将交流电变为直流电的直流稳压电源。
2．直流稳压电源的组成
    （l）电源变压器  将电网供给的交流电压变换为符合整流电路需要的交流电压；
    （2）整流电路   将变压器次级交流电压变换为单向脉动的直流电压；
    （3）滤波电路   将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压；
    （4）稳压电路  使直流输出电压稳定。
10.2 整流及滤波
1．整流电路的分类
    （1）按输入交流电源类型可分单相整流和三相整流等。
    （2）按输出功率可分为小功率和大功率。小功率直流电源通常采用单相整流，而对于较大功率的直流电源，通常采用三相整流。
    （3）按整流元件的类型可分为可控整流和不可控整流电路。在可控整流电路中，通过改变整流元件的导通时间来控制输出电压的大小；在不可控整流电路中，整流元件的导通时间是不可控的，当整流电路的输入电压和负载一定时，输出电压一定。
2．整流电路的基本工作原理
    整流电路利用整流二极管的单向导电性，将交流电变成单向脉动电，输出电压中包含有一定的直流分量。
3．单相整流电路及其主要性能指标
    设为变压器副边电压有效值，为负载电阻，为电路输出电压的直流分量，为二极管承受的最高反向电压，为流过二极管的电流平均值。单相整流电路及其主要性能指标如表10.1。
表10.1 单相整流电路及其主要性能指标
名称
电路
性能指标
特点




半波整流





电路简单，输出电压纹波大，变压器利用率低。
全波整流





输出电压纹波小，变压器的利用率低，二极管承受的反向电压高。
桥式整流





电路复杂，输出电压纹波小，变压器的利用率高。二极管承受的反向电压比全波整流电路低。
4．滤波电路
    (1)滤波电路的作用
         滤波电路是利用电容、电感在电路中的储能作用及其对不同频率有不同电抗的特性来组成低通滤波电路，以减小输出电压中的纹波。
    (2) 电容滤波电路
        单相桥式整流电容滤波电路如图10.1 所示，本电路的外特如图10.2 所示。

    (3) 电容滤波电路的特点
        ① 输出电压的平均值大于变压器副边电压的有效值。
            当(为交流电压的周期)时，输出电压平均值

        ② 输出直流电压的大小受负载变化的影响较大，适合于负载不变或输出电流不大的场合。
        ③滤波电容越大，滤波效果越好。
        ④流过二极管的冲击电流较大，选择二极管的电流参数时应当留有2～3倍的裕量。
    (4) 其它形式的滤波电路
        除电容滤波电路外，还有电感滤波、RC—π型滤波、LC—π型滤波等电路。
10.3 稳压电路
1．稳压电路的功能
    维持输出直流电压稳定，使其不随电源电压和负载电流的变化而变化。
2．稳压电路的主要技术指标
    （1）稳压系数                     
    （2）输出电阻                      
    （3）输出电压的温度系数        
3．串联型线性稳压电路
    （1）电路组成
        串联型线性稳压电路如图10.3所示。它由基准环节、取样环节、比较放大环节和调整环节组成。
实际上，串联型线性稳压电源就是一个电压串联负反馈电路。
      
图10.3 串联型线性稳压电路的组成
    （2） 输出电压及其调节范围                 
    
    （3）电路的主要特点
        ①  电压稳定度高、纹波电压小、响应速度快。
        ②  输出电压可调，输出电流范围较大，输出电阻小。
        ③ 调整管工作在线性状态，管压降较大（通常在3～5V之间） ，电路的功率变换效率较低，约30%～50%。
    （4）线性集成稳压器
        线性集成稳压器的电路结构与工作原理与图 10.3所示电路类似。表10.2列出了几种常用的线性集成稳压器及其特点。
表10.2 几种常用的线性集成稳压器及其特点
名称
主要特点
三端集成稳压器
输出电
压可调
LM317，LM117
输出正电压
调整管工作在线性状态，管压降较大，效率低。
LM337，LM137
输出负电压
输出电
压固定
LM78××
输出正电压
LM 79××
输出负电压
低压差线性集成稳压器
1.调整管工作于临界饱和状态。
2.管压降最小。
3.电路的效率很高。
4．高精度基准电压源
    该类基准电压源具有精度高、噪声低、温漂系数小、长期稳定度好等特点，但输出电流比较小，一般只有几毫安到几十毫安。广泛应用于稳压电路、数据转换（A/D、D/A）及大多数传感器等电路之中。
5．开关型稳压电路
    当稳压电源中的调整管在控制脉冲作用下，工作于开关状态，通过适当调整开通和关断的时间，可使输出电压稳定的稳压电源称为开关稳压电源。
    调整管开通和关断时间的控制方式有两种，一种是固定开关频率，控制脉冲宽度（PWM——脉冲宽度调制）；一种是固定脉冲宽度，控制开关频率（PFM——脉冲频率调制）。无论是那一种控制方式，开关稳压电源仍然是一个负反馈控制系统。
    开关型稳压电路有以下几个主要特点
        ① 调整管在控制脉冲的作用下工作于开关状态，功耗低，电源的功率转换效率高，约60%～80%，甚至可高达90%以上。
        ② 由于控制脉冲的频率高，一般在几十千赫兹以上，所以滤波电感、电容的数值较小。故大多数开关电源没有工频电源变压器，体积小，重量轻。
        ③ 电路的其它性能指标略低于线性电源。
四、典型例题
整流滤波电路
　　　　 例10-1　　 例10-2　　 例10-3
　　稳压电路
　　　　 例10-4　　 例10-5　　 例10-6　　 例10-7
　　集成稳压电路
　　　　 例10-8　　 例10-9　
【例10-1】在某一具有电容滤波的桥式整流电路中，设交流电源的频率为1000HZ，整流二极管正向压降为0.7V，变压器的内阻为2。要求直流输出电流IO=100mA，输出直流电压UO=12V，试计算：
　　 （1）估算变压器副边电压有效值U2。
　　 （2）选择整流二极管的参数值。
　　 （3）选择滤波电容器的电容值。
【相关知识】
　　 电容滤波的桥式整流电路。
【解题思路】
　　 （1）根据估算变压器副边电压有效值U2。
　　 （2）根据电路中流过二极管的电流及二极管承受的最高反压电压选择整流二极管。
　　 （3）根据及电容器的耐压选择滤波电容器。
【解题过程】
　　 (1) 由可得
。
　　 (2) 流过二极管的电流

　　 二极管承受的反压为

　　 选2CP33型二极管，其参数为URM＝25V，IDM＝500mA。
　　 (3) 由，，可得

　　 取，那么

　　 选C＝22μF，耐压25V的电解电容。
【例10-2】倍压整流电路如图所示，假设图中负载电阻很大，可视为开路，变压器副边电压的有效值U2=100V。试求：
　　 （1）各个电容器上的直流电压；
　　 （2）负载电阻两端的电压；
　　 （3）每个二极管所承受的反向电压。

【相关知识】
　　 倍压整流电路。
【解题思路】
　　 分别讨论电压u2正、负半周时各电容上所充电压的最大值，并由此确定负载两端电压和每个二极管所承受的反向电压。
【解题过程】
　　 （1）当电压u2正半周期，及极性上正下负时，电源通过二极管D1对电容C1充电，C1两端的电压
；
　　当电压u2负半周期，及极性上负下正时，电源经电容C1通过二极管D2对C2充电，C2两端的电压
；
　　当电压u2再次处于正半周期，上正下负，电源经C2通过D3、C3和C1对C3充电，C3两端的电压

　　（2）负载电阻两端的电压

　　（3）每个二极管所承受的反压

【例10-3】直流稳压电源电路如图所示，输出电压和输出电流的数值如图所示，试分析电路是否有错误？如有错误，请加以改正 。

【相关知识】
　　 整流、滤波和稳压电路。
【解题思路】
　　 从整流、滤波和稳压电路的结构、输入输出关系、元器件参数等方面考虑电路的正确性。
【解题过程】
　　 图示电路有两处错误：
　　 （1）是整流滤波电路的滤波电容（0.33μF）太小。
　　 滤波电容的选取应满足的关系，当T＝20ms时

　　 则滤波电容

　　选取滤波电容C大于2000μF。
　　 （2）变压器副边电压U2（有效值）15V太小。
　　 选择变压器副边电压U2的大小时，不仅要考虑输出直流电压UO的大小，也要考虑调整管工作在放大区（压降约为3V）之要求。因而LM7824的输入直流电压UI至少应为27V。另外考虑到输入端滤波电容（以2000μF为例）两端电压近似为锯齿波电压，其峰—峰值

　　 因此，要求滤波后的电压平均值不低于27+5/2＝29.5V，也就是说，变压器副边电压有效值应为

　　 若要考虑电网电压±10%波动时，变压器次级电压有效值应为

【例10-4】 要求硅稳压管稳压电路的输出电压为10V，负载电阻可由变到，输入直流电压有32V、24V和15V可供选择。试选择拟采用的输入电压值以及电路的元器件参数。
【相关知识】
　　 硅稳压管稳压电路。
【解题思路】
　　 （1）根据电路的输出电压及输出最大电流选择稳压管。
　　 （2）由选择输入电压。
　　 （3）由确定限流电阻。
【解题过程】
　　 （1）选择稳压管
　　 根据题意，输出电压为10V，应选择为10V的稳压管。本题中

。
　　要求稳压管的电流变化范围应大于负载电流的变化范围。为了稳压性能好些，一般取


　　现可取

     查半导体器件手册，可选2CW74型硅稳压管，其在10V左右，最大稳定电流为23mA，最小稳定电流可按5mA计，动态电阻，稳定电压温度系数。为了改进性能，还可选用和的温度系数更小的管子。
　　 （2）确定输入电压
　　 为了提高稳定性，可取高一些的值，一般取。今选用题中给出的32V输入电压。
　　 （3）确定限流电阻
　　 设允许偏离规定值，则，，则由公式

　　可得


　　可选的限流电阻。这时在规定的32V输入电压下流经它的电流为
I=（32–10）/1.5≈14.7mA
　　功耗约为
PR=323mW
　　 当达时，功耗将达423mW。
　　 因此为安全计，可选用功耗为1W、阻值为的电阻。
【例10-5】串联型稳压电路如图所示。已知稳压管的稳定电压，负载。
　　 (1) 标出运算放大器A的同相和反相输入端。
　　 (2) 试求输出电压的调整范围。
　　 (3) 为了使调整管的，试求输入电压的值。

【相关知识】
　　 串联型稳压电路。
【解题思路】
　　 (1) 运算放大器的同相和反相输入端的连接要保证电路引入电压负反馈。
　　 (2) 根据确定输出电压的调整范围。
　　 (3) 由，并考虑到电网电压有波动，确定输入电压的值。
【解题过程】
　　 (1) 由于串联型稳压电路实际上是电压串联负反馈电路。为了实现负反馈，取样网络（反馈网络）应接到运放的反相输入端，基准电压应接到运放的同相输入端。所以，运放A的上端为反相输入端（–），下端为同相端（+）。
　　 (2)  根据串联型稳压电路的稳压原理，由图可知

　　式中，为可变电阻滑动触头以下部分的电阻，。
　　当时，最小

　　当时，最大

　　因此，输出电压的可调范围为。
　　（3）由于    
　　当时，为保证，输入电压

　　若考虑到电网电压有波动时，也能保证，那么，实际应用中，输入电压应取。
【常见的错误】
      容易忽视电网电压有波动。
【例10-6】图为运算放大器组成的稳压电路，图中输入直流电压UI=30V，调整管T的b=25，运算放大器的开环增益为100dB、输出电阻为100、输入电阻为2M，稳压管的稳定电压UZ=5.4V，稳压电路的输出电压近似等于9V。在稳压电路工作正常的情况下，试问：
　　 （1）调整管T的功耗PT和运算放大器的输出电流等于多少？
　　 （2）从电压串联负反馈电路详细分析计算的角度看，该稳压电路的输出电压能否真正等于9V，无一点误差，如不能，输出电压的精确值等于多少？
　　 （3）在调整管的集电极和基极之间加一只5.1k的电阻R4（如图中虚线所示），再求运算放大器的输出电流；
　　 （4）说明引入电阻R4的优点。

【相关知识】
　　 串联型稳压电路，负反馈。
【解题思路】
　　 （1）调整管的功耗，运算放大器的输出电流。
　　 （2）根据，可得输出电压的精确值。
　　 （3）运算放大器的输出电流。
　　 （4）考虑引入电阻R4后，对运放的输出电流、功耗的影响，以及对稳压电路输出电压调整能力的影响等问题进行讨论。
【解题过程】
　　 （1）调整管功耗

　　运算放大器的输出电流IAO即为调整管的基极电流IB

　　（2）由于本电路中运放的电压放大倍数是有限值，所以UO只能近似等于9V。按负反馈电路增益计算方法可得闭环增益


　　（3）增加电阻R4后，流过R4的电流为

　　运放的输出电流为

　　（4）R4接入后减小了运放A的输出电流，从而降低运放的功率损耗。但是运放A对调整管的基极电流的控制作用则有所削弱。
【例10-7】某串联反馈型稳压电路如图所示，图中输入直流电压UI=24V，调整管T1和误差放大管T2的UBE均等与0.7V，稳压管的稳定电压UZ等于5.3V，负载电流等于100mA。试问：
　　 （1）输出电压UO的最大值和最小值各等于多少伏？
　　 （2）当C1的电容量足够大时，变压器副边电压U2等于多少伏？
　　 （3）当电位器RW的滑动端处于什么位置（上端或下端）时，调整管T1的功耗最大？调整管T1的极限参数PCM至少应选多大（应考虑电网有10%的波动）？

【相关知识】
　　 串联反馈型稳压电路。
【解题思路】
　　 （1）由，可求得输出电压的最大值和最小值。
　　 （2）由关系，确定变压器副边电压的大小。
　　 （3）调整管T1的极限参数。
【解题过程】
　　 （1）图中，晶体管T2的基极电位

　　故 输出电压的最大值与最小值分别为


　　（2）           
　　（3）T1的最大功耗出现在RW的最上端

　　考虑电源10％波动时
，
【例10-8】图示电路为W117组成的输出电压可调的稳压电源。
　　 已知W117的输出电压UREF＝1.25 V，输出电流I′O允许的范围为10 mA～1.5 A，输入端和输出端之间的电压U12允许的范围为3～40 V，调整端3的电流可忽略不计。回答下列问题：
　　 （1）R1的上限值为多少？
　　 （2）输出电压UO的最小值为多少？
　　 （3）若R1＝100 Ω，要想使输出电压的最大值为30 V，则R2应为多少？ 
　　 （4）输出电压的最大值能够达到50 V吗？简述理由。

【相关知识】
　　 W117的基本用法及参数的选择方法。
【解题思路】
　　 （1）为使W117正常工作，任何情况下都必须保证I′O≥10 mA。负载开路时I′O最小，此时R1的取值必须保证I′O≥10 mA。
　　 （2）当R2调节到最小时，输出电压达到最小值。
　　 （3）根据UO 与R1、R2之间的关系求解R2的值。
　　 （4）输出电压变化范围受到U12变化范围的限制。
【解题过程】
　　 （1）考虑到电路可能开路，

　　 （2）输出电压的最小值UOmin=UREF＝1.25 V。
　　 （3）输出电压

　　 代入数据可得

　　 （4）输出电压的最大值不能够达到50 V。因为电路输出电压的最小值为1.25 V，若调到最大值为50 V，W117的U12的变化范围为（50－1.25）V超过其允许的参数（40～3）V，说明将在输出电压较低时1、2间电压将超过其耐压值。
【方法总结】
　　 W117是串联型稳压电源，1、2相当于调整管的集电极和发射极。I′O为10 mA～1.5 A，说明W117输出电流大于10 mA才能稳压，小于1.5 A才不至于损坏；U12为3～40 V，说明U12大于3 V调整管才工作在放大区，U12大于40 V，调整管将被击穿。
【例10-9】图中画出了两个用三端集成稳压器组成的电路，已知静态电流IQ=2mA。
　　 （1）写出图（a）中电流IO的表达式，并算出其具体数值；
　　 （2）写出图（b）中电压UO的表达式，并算出当R2=0.51k时的具体数值；
　　 （3）说明这两个电路分别具有什么功能？
   
图(a)                                                   图(b)
 【相关知识】
　　 三端集成稳压器。
【解题思路】
　　 (4) 写出图(a)电路输出电流与稳压器输出电压的表达式。
　　 (5)写出图(b)电路输出电压与稳压器输出电压的表达式。
　　 (6)由表达式分析各电路的功能。
【解题过程】
　　 （1）
　　 （2）
　　 （3）图（a）所示电路具有恒流特性，图（b）所示的电路具有恒压特性。