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直流稳压电源技术稳压电源基础.doc

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    • 直流稳压电源技术——稳压电源基础第二章稳压电源基础一、电子元件基础知识直流稳压电源中主要使用这些电子元件:电阻、电容、变压器、电感、二极管、三极管、场效应管、 集成电路等,有些直流稳压电源可能还有发光二极管、电流表、电压表元件用于工作状态的指示这些电 子元件主要分为无源器件和冇源器件两人类其中无源器件是电阻、电容、变压器、电感;冇源器件是二 极管、三极管、场效应管、集成电路无源器件就不必说了,下而我们主婆介绍一下有源器件的基础知识1、二极管二极管是我们通常借况下的俗称,它的学名叫晶体二极管或半导体二极管二极管就是III一个PN 结,加上相应的电极引线封装而成二极管按材料分类冇硅材料和箔材料;按功能分类又可以分为整流二 极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管、肖特基二极管、发光二极管等常川的二极 管主要是利用PN结的单向导电性进行工作如:整流二极管、检波二极管、开关二极管等但是二极管还 冇一些比较特姝的性能,比如稳压二极管反向击穿后两端电压保持不便;变容二极管PN结间的结电容会随 着外加电压的变化而发生变化;发光二极管通电后能够发光1)二极管的主要参数正向电流Ip在额定功率下,允许通过二极管的电流值。

      正向电压降Vf二极管通过额定正向电流时,在两极间所产生的电压降最大整流电流(平均值)5在半波整流连续工作的情况下,允许的最大半波电流的平均值反向击穿电压Vb二极管反向电流急剧增人到出现击穿现彖时的反向电压值正向反向峰值电压vRM二极管正常工作时所允许的反向电压峰值,通常V戒为Vp的三分之二或略小一些反向电流Ir在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值结电容C电容包括电容和扩散电容,在高频场合下使用时,要求结电容小于某一规定数值最高工作频率Fm二极管具冇单向导电性的最高交流信号的频率2)直流稳压电源中常用的二极管直流稳圧电源中常川的二极管有整流二极管、稳压二极管和发光二极管整流二极管将交流电流变为直流电流的二极管叫作整流二极管,它足面结合型晶体二极管,因结电容大,故工作 频率低通常,If在1安以上的二极管采用金属壳封装,以利于散热;If在1安以下的采用塑料封装由 于近代工艺水平的提高,也有一些较人功率的二极管也采用塑封形式在电路原理图中整流二极管用图2 -1-1的符号表示图2—1—1!整涼二极管的电路图符号稳压二极管稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管,它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流 的变化而变化的特点來达到稳压的H的。

      因为它能在电路中起稳压作用,故称为稳压二极管(简称稳压管) 在电路原理图中稳压二极管用图2-1-2的符号衣示图2—1—2:稳压二极管的电路图符号稳压管的伏安特性曲线如图2-1-3所示当反向电压达到色时,即使电压有一微小的增加,反向电 流亦会猛增(反向击穿曲线很徙宜)这时,二极管处于击穿状态,如果把击穿电流限制在一定的范围内, 管子就可以长时间在反向击穿状态下稳定工作图2-1-3:稳压二极管的伏安特性曲线2、三极管三极管的学名叫晶体三极管或半导体三极管,可以说它是电子电路中最重要的器件三极管最基木的 作用是放大作用它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号,当然这种转换仍然遵循能量守恒,它只是 把电源的能量转换成信号的能量罢了三极管还可以作电子开关,配合其它元件还可以构成振荡器三极 管顾名思义具有三个电极二极管是由一个PN结构成,而三极管由两个PN结构成共用的一个电极称为 三极管的基极(用字母b农示),其他的两个电极称为集电极(用字母c农示)和发射极(用字母e表示) 由于不同的组合方式,形成了一种是NPN型的三极管,另一种是PNP型的三极管因此三极管的电路图符 号冇两种:箭头朝外的足NPN型三极管,而箭头朝内的是PNP熨。

      有一个箭头的电极是发射极,实际上箭 头所指的方向是电流的方向这两种类型的三极管电路图符号见图:2 — 1一4NPN三极管 PM三极管图2—1 —4:三极管的电路图符号三极管的种类很多,并且不同型号各有不同的用途前面说PNP型和NPN型是从结构工艺上来分类按照制造材料分类,有错管和碇管;按照工作频率分类,有低频管和拓频管;一般低频管用以处理频率在 3MHz以下的电路中,高频管的丄作频率可以达到儿百兆赫按照允许耗散的功率大小分类,冇小功率管 和大功率管;一般小功率管的额定功耗在1W以下,而大功率管的额定功耗可达几十瓦以上常见的三极 管大多采用是犁料封装或金属封装1)三极管的主要参数电流放大系数B在静态情况下,三极管集电极的直流电流h与基极电流L,的比值,称为三极管的静态电流放人系数 在动态情况下,集电极电流的变化MAI..与基极电流的变化量△ L,的比值,称为三极管的动态电流放大系 数(或交流放大系数)因为通常情况下三极管的静态电流放大系数与动态电流放大系统相差很小,实际 使用时一般混用这两个参数而不加以区别集电极反向饱和电流Icbo发射极开路,在集电极与基极Z间加上一定的反向电压时,所对应的反向电流。

      穿透电流Iceo指基极开路,集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流Icbo 与 Ice的关系为:Icz= (B+l) IcboUo和Iz都是衡量三极管热稳定性的重要参数共射极截止频率fB三极管的B值是频率的函数,中频段p = 几乎与频率无关但是随着频率的增高,B值下降当B 值下降到中频段0. 707 3 o时,所对应的频率,称为共射极截止频率,川“农示特征频率fT当三极管的B值下降到B=1时所对应的频率,称为特征频率在仇〜f「的范圉内,0值与f几乎成 线性关系,f越高,B越小,当工作频率f>fT,时,三极管便失去了放大能力最大允许集电极耗散功率PoU时,B值已减小到不实用的程度,且有烧毁三极管的可能反向击穿电压BV閒与BV®是指基极开路时,集电极与发射极间的反向击穿电压1曲>是指发射极开路时,集电极与基极间的 反向击穿电压。

      2)三极管的三种工作状态截止状态当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零, 三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极Z间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状 态放大状态当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电圧,并处丁•某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置, 集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放人作用,其电流放人倍 数p = ATc/ATb,这时三极管处放大状态饱和导通状态当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并当基极电流增大到一定程度时,集电极电流不再 随着基极电流的増大而增大,而是处于某一定值附近不怎么变化,这时三极管失去电流放大作川,集电极 与发射极Z间的电压很小,集电极和发射极Z间相当于开关的导通状态三极管的这种状态我们称Z为饱 和导通状态3、场效应管场效应晶体管(FET)简称场效应管,它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高(10'•〜10'Q)、 噪声小、功耗低、没有二次击穿现彖、安全工作区域宽等优点,现己成为双极型晶体管和功率晶体管的强 大竞争者场效应管分结型、绝缘栅型两人类。

      结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)则因栅极与其它电极完全绝缘而得名目前在绝缘栅型场效应管中,应用最为广泛的是MOS场效 应管,简称MOS管(即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET):此外述有PMOS、NMOS和VHOS功率场效应 管,以及最近刚问世的心I0S场效应管、VMOS功率模块等按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种若按导电方式來划分,场效应管 又可分成耗尽型与増强型结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既冇耗尽型的,也冇増强型的部分场效应管的电路图符号见图2-1-5所示N沟道MOS场效应管P沟道MO换效应管P沟道结型场效应管图2-1-5:部分场效应管的电路图符号由于场效应管的种类比较多,后而介绍具体电路时在详细介绍每种场效应管的内容,这里就不详细介绍了二、直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标可以分为两•人类:一类是特性指标,反映直流稳压电源的固有特性,如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围;刘-•类是质量指标,反映吉流稳压电源的优劣,包括稳 定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电床及温度系数等1、特性指标(1) 输出电压范围符合直流稳压电源工作条件悄况下,能够正常工作的输出电压范围。

      该指标的上限足山最大输入电压 和最小输入一输出电压差所规定,而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定2) 最大输入一输出电压差该指标农征在保证直流稳压电源正常工作条件下,所允许的最人输入一输出Z间的电压差值,其值主 要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标3) 最小输入一输岀电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下,所需的最小输入一输岀之间的电压差值4) 输出负载电流范围输出负载电流范围乂称为输出电流范围,在这一电流范围内,吉流稳压电源应能保证符合指标规范所 给出的指标2、质量指标(1)电压调整率Sv电压调整率是农征直流稳压电源稳压性能的优劣的重耍指标,乂称为稳压系数或稳定系数,它表征当 输入电压V]变化时直流稳压电源输出电压讥稳定的程度,通常以单位输出电压下的输入和输出电压的和对 变化的百分比表示电压调整率公式见图2-2-10图2 — 2—1:电压调整率公式(2)电流调整率Si电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主耍自指标,乂称为电流稳定系数它表征当输入电 压不变时,直流稳压电源对由于负载电流(输出电流)变化而引起的输出电压的波动的抑制能力,在规定 的负载电流变化的条件下,通常以单位输出电斥下的输出电用变化值的百分比來表示直流稳用电源的电流 调整率。

      电流调整率公式见图2 — 2 — 2^ = ^-xlOO%%图2-2-2:电涼调整率公式(3) 纹波抑制比Sr纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力,当直流稳压电源输入和输出条 件保持不变时,纹波抑制比常以输入纹波电压峰一峰值与输出纹波电压峰一峰值Z比表示,一般用分贝数 表示,但是冇时也可以用百分数表示,或玄接用两者的比值表示4) 温度稳定性K集成直流稳圧电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度仁最大变化范围内(九WTiW T„.J直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值温度稳定性公式见图2 — 2—3^ = (£^2xlOO%)/A7图2 — 2—3:温度稳定性公式3、极限指标(1) 最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压2) 最大输岀电流是保证稳压器安全工作所允许的放人输岀电流三、基础电路-般玄流稳压电源都使用220伏市电作为电源,经过变压、整流、滤波后输送给稳压电路进行稳压, 最终成为稳定的直流电源这个过程中的变丿总整流、滤波等电路可以看作直流稳斥电源的基础电路,没 有这些电路对市电的前期处理,稳压电路将无法正常工作。

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