数字化测量技术
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数字化测量技术. 河北科技大学信息科学与工程学院. 2009.4. 第六章 通用集成稳压电源. 稳压电源是各种电子设备的动力之源。 稳压器是稳压电源的核心部分,它属于非隔离式 DC/DC 变换器,利用稳压器可将一种直流电压转换成另一种或几种直流电压。若给稳压器配上变压器、整流滤波器等电路,即可构成与电网隔离的稳压电源。. 第六章 通用集成稳压电源. 第一节 集成稳压电源的分类 第二节 三端固定式线性稳压器的原理与应用 第三节 三端可调式线性稳压器的原理与应用 第四节 低压差线性稳压器的基本原理 第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点

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数字化测量技术

河北科技大学信息科学与工程学院

2009.4


第六章 通用集成稳压电源

稳压电源是各种电子设备的动力之源。

稳压器是稳压电源的核心部分,它属于非隔离式DC/DC变换器,利用稳压器可将一种直流电压转换成另一种或几种直流电压。若给稳压器配上变压器、整流滤波器等电路,即可构成与电网隔离的稳压电源。


第六章 通用集成稳压电源

第一节 集成稳压电源的分类第二节 三端固定式线性稳压器的原理与应用

第三节 三端可调式线性稳压器的原理与应用

第四节 低压差线性稳压器的基本原理

第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点

第六节 由脉宽调制器构成的开关电源

第七节 单片开关式稳压器的原理与应用

第八节 散热器的设计

第九节 稳压电源测量技术


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类

美国仙童公司(现更名为飞兆公司)于20世纪70年代初首先推出μA7800系列和μA7900系列三端固定式集成稳压器。它能以最简方式(类似于三极管)接入电路,并具有较完善的过电流、过电压、过热保护功能。目前,7800系列和7900系列已成为世界通用系列,是用途最广、销量最大的集成稳压器。其优点是使用方便,不需作任何调整,外围电路简单,工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的稳压电源。其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称值电压,电压稳定度还不够高。


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类

可调式是20世纪70年代末至80年代初发展起来的、由美国国家半导体公司(NSC)首创的第二代三端集成稳压器。它既保留了三端固定式稳压器结构简单之优点,又克服了电压不可调整的缺点,并且在电压稳定度上比前者提高了一个数量级。适合制作实验室电源及多种供电方式的直流稳压电源。它也可以设计成固定式来代替三端固定式稳压器,进一步改善稳压性能。


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类

低压差集成稳压器(LDO)属于高效率线性集成稳压器,其输入-输出压差约为500mV,电源效率明显高于NPN型线性稳压器。超低压差线性稳压器(VLDO)是21世纪初在LDO的基础上发展起来的新型线性集成稳压器。它采用通态电阻非常低的场效应管来代替PNP型功率管作为调整管,其输入-输出压差可低至45~150mV。


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类

开关电源亦称低损耗电源,由于内部器件工作在高频开关状态,所以本身消耗的能量很低。单片开关电源属于AC/DC电源变换器。单片开关电源集成电路自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点,现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。


三端固定式

固定式

多端固定式

标准线性稳压器

效率为45%左右

三端可调式

线

可调式

多端可调式

PNP型低压差线性稳压器

效率80%~95%

低压差线性稳压器

准低压差线性稳压器

超低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

效率70%~90%

开关稳压器

单片开关电源

第一节 集成稳压电源的分类


第二节 三端固定式线性稳压器的原理与应用

一、三端固定式线性稳压器的产品分类

三端固定式线性稳压器分为78和79两个系列,其中78系列输出电压为正极性,79系列输出电压为负极性。一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等七个电压档次。输出电流分为1.5A,L:0.1A,M:0.5A三个档次。

LM78L05:输出电压+5V,最大输出电流0.1A;

CW7915:输出电压-15V,最大输出电流1.5A。


二、标准线性稳压器的基本原理

UI(RL)↑→UO↑→UQ↑→Ur↓→UB↓→UO↓



二、标准线性稳压器的基本原理

最小压差ΔU=UI-UO=2UBE+UCES



Cw7800
CW7800电路原理图


Cw78001
CW7800的原理框图


电压调整率:给稳压电源接上额定负载,首先测出在标称输入电压时的输出电压值电压调整率:给稳压电源接上额定负载,首先测出在标称输入电压时的输出电压值UO,然后连续调节输入电压,使之从规定的最小值一直变化到最大值,记下输出电压与标称值的最大偏差△UO,则电压调整率为


负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值U1、U2,则负载调整率为


三、三端固定式线性稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

———————典型应用

电容CI用来滤除高频纹波,防止电路产生自激振荡;CO为输出电容,利用其两端压降不能突变的特性可改善负载的瞬态响应。


线性稳压电源的组成负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

电源变压器:把高压或220V电网电压降至所需电压。


线性稳压电源的组成负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

整流电路:利用二极管的单向导电性,把交流电压

转换成脉动的直流电压。


线性稳压电源的组成负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

滤波电路:利用电容上的电压或者电感上的电流不

能突变的特性构成,以减小脉动使输出

电压平滑。


线性稳压电源的组成负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

稳压电路:在电网电压波动或负载电流变化时保持

输出电压基本不变。


整流电路负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

正半周时,D1、D3导通, D2、D4截止。

负半周时,D2、D4导通, D1、D3截止。


滤波电路负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

整流电路的输出信号虽为单一方向的直流信号,但脉动较大。为了进一步平滑输出信号,利用滤波电路,消除输出信号的交流成分。


电容滤波电路负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

当RLC=(3~5)T/2时:

当负载开路时:


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————正、负压固定输出

许多电子仪器设备、运算放大器需要正、负对称的双电源供电。将7800与7900搭配使用,即可构成同时输出正压和负压的稳压电源。


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————正、负压可调输出

电路实质上是通过改变公共端的电位,来控制稳压器输出电位的高低。需要注意的是,当|±UO|<2.5V时,稳压器可能无法正常工作,此时输出电压不确定。


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————恒流源电路

恒流原理:因为稳压器的输出电压UO稳定不变,所以通过R的电流(亦即通过外部负载RL上的电流)IH也不变。计算IH的公式为

IH=UO/R


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————提高输入电压的方法

偏置电阻R的阻值:


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————提高输出电压的方法

如果实际需要的电压高于现有三端稳压器的输出电压,可用升压电路来解决。设稳压值为UZ

U'O=UO+UZ


三、三端固定式线形稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————扩展输出电流的方法

外部功率调整管的偏置电阻


第三节 三端可调式线性稳压器的原理与应用负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

可调式是20世纪70年代末至80年代初发展起来的、由美国国家半导体公司(NSC)首创的第二代三端集成稳压器。它既保留了三端固定式稳压器结构简单之优点,又克服了电压不可调整的缺点,并且在电压稳定度上比前者提高了一个数量级。适合制作实验室电源及多种供电方式的直流稳压电源。它也可以设计成固定式来代替三端固定式稳压器,进一步改善稳压性能。


一、三端可调式线性稳压器的产品分类负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值


二、三端可调式线性稳压器的工作原理负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

LM317的主要技术指标为UI=2~40V,UO=1.25~37V,IOM=1.5A。其电压调整率SV=0.02%,负载调整率SI=0.1%,比7800系列提高近一个数量级。


输出电压的计算公式为负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

UO=1.25×(1+ )

三、三端可调式线性稳压器的应用技巧

——————典型应用


三、三端可调式线性稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

——————典型应用

R1的阻值有两种取法:

①取R1=240Ω,此时IL=1.25V/240Ω≈5mA,R2选用6.8kΩ可调电阻;

②取R1=120Ω,IL≈10mA,R2可选3.4kΩ。

调整R2时均可获得1.25~37V的稳压输出。


三、三端可调式线性稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————软启动线性稳压器

刚通电时由于C2上的压降不能突变,使VT处于导通状态,R2被短路,UO=1.25V。随着UO经过R1、R3给C2充电,VT的基极电位逐渐升高,使之从导通状态过渡到截止状态,UO也从1.25V逐渐升高到额定值+15V。UO的上升速率取决于时间常数τ=(R1+R3)C2。


三、三端可调式线性稳压器的应用技巧负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

—————宽范围跟踪式线性稳压器

当-UO变得更负时,会使UB降低,导致UC和UADJ升高,+UO也随之升高,最终使+UO=|-UO|,正、负压输出达到平衡。


第一节 数字仪表的在线测量电路负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

在线测量技术亦称等电位隔离技术。它能在不破坏电路完整性的前提下,准确测量电子设备印制线路中的电流、电阻、晶体管等参数。近年来在线测量技术正在逐步推广应用,它不仅简便易行,而且能够测量印制板上的电流分布情况,还能对单元电路及元器件进行故障诊断。因此,在线测量技术具有很高的实用价值,也为设计、检修仪器仪表或家用电器提供了新的测试手段。


一、在线测量直流电流负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

1.测量原理

采用四线制以减小接触电阻,并且利用两组双探针和运算放大器一起对电路进行隔离,被测在线电流经过I/U转换后,由毫安表直接测出电流值。


一、在线测量直流电流负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

UO=-KUI=-KIxR0=I1RI

I1=- =-

I1=IX

1.测量原理


一、在线测量直流电流负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

1.测量原理

局部短路测量法:用I1去抵消R0上的电流Ix,使R0上的压降为零,a、b两点呈等电位。因R0很小,故不会影响Ix。


一、在线测量直流电流负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

2. 在线电流测量仪的电路设计

UO=UI


二、在线测量电阻负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

1.测量原理

在线测量电阻Rx的基本原理是,无论电路多么复杂,总可以把与Rx相并联的元件等效为两只互相串联的电阻R1和R2,由此构成三角形电阻网络。只要使R1(或R2)两端呈等电位,此时UR1=0,则R1相当于开路,R2变成运放的负载电阻,R1和R2就不起分流作用,这样即可直接测量Rx的阻值。E为测试电压,IS为测试电流。


二、在线测量电阻负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

IS=Ix+I1+IIB

IS=Ix

IS=E/R0

1.测量原理


二、在线测量电阻负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值

2. 4量程在线电阻测量仪

在线测量电阻的误差是由运放的输入偏流IIB和R1上的电流I1所引起的。I1的形成是由于Ucd≠0,Ucd与运放失调电压UI0和开环电压增益AVD有关。因此所用运放的UI0要尽量低,而AVD要足够大。


三、在线测量晶体管的负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值hFE

首先由集成恒流源向被测晶体管提供恒定的基极电流IB


三、在线测量晶体管的负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值hFE

采用隔离技术使图中b、m、n三点呈等电位,迫使晶体管的上、下偏流I1=I2=0,即恒定电流IH=IB+I1+I2=IB


三、在线测量晶体管的负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值hFE

选EC作集电极电源,EC经过取样电阻R0接在C-E极之间,再用数字电压表测出UR0值并除以R0,得到集电极电流IC


三、在线测量晶体管的负载调整率:若将输入电压固定在标称值上,分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值hFE

代入公式hFE=IC/IB,求出电流放大系数。


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