模擬電子技術(shù)（5-7章）

1、第7章 直流電源 7.1 直流電源的組成7.2 單相整流電路7.3 濾 波 電 路7.4 穩(wěn) 壓 電 路本章首先介紹單相半波、單相全波和單相橋式整流電路的工作原理，其次介紹電容和其他形式的濾波電路的性能，最后介紹集成穩(wěn)壓電路和開關(guān)穩(wěn)壓電路的工作原理。7.1 直流電源的組成幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源，通常都是由交流電網(wǎng)供電，因此需要把交流電變成穩(wěn)定的直流電。直流穩(wěn)壓電源就是把交流電經(jīng)過整流變成脈動(dòng)的直流電，然后通過濾波穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電的儀器。它由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路3部分組成。 整流電路整流電路的目的是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方

2、向的脈動(dòng)電壓。這種單方向的脈動(dòng)電壓有很大的脈動(dòng)成分。 濾波電路濾波電路的功能是將整流后的單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分盡可能地濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。它由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成。 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的功能是采取一些措施，當(dāng)市電電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，使輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。7.2 單相整流電路整流電路的作用是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)電壓。整流電路中基本上都包含了電源變壓器，一方面是“變壓”（大多情況下是進(jìn)行“降壓”，即將220V降為較低的交流電壓）；另一方面是“隔離”，把電子設(shè)備與電網(wǎng)隔開。在小功率直流電源中，經(jīng)常采用單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。7.2

3、.1單相半波整流電路帶有純阻負(fù)載的單相半波整流電路如圖7.1（a）所示，這是一種最簡單的整流電路。它由變壓器T、整流二極管VD及負(fù)載RL3部分組成。二極管VD具有正向?qū)?、反向截止的開關(guān)作用，所以將交流電變成了脈動(dòng)的直流電，稱為整流二極管；負(fù)載RL將電能轉(zhuǎn)換成其他能量。圖7.1單相半波整流電路1. 工作原理及輸入輸出波形電路中各處的波形如圖7.1（b）所示。由圖可知，利用二極管的單向?qū)ㄟ@一特性，使變壓器副邊的交流電壓轉(zhuǎn)換成為負(fù)載兩端的單向脈動(dòng)電壓，從而達(dá)到整流的目的。由于這種電路只在交流電壓的半個(gè)周期內(nèi)才有電流流過負(fù)載，因此稱為單相半波整流電路。2. 參數(shù)計(jì)算(1) 負(fù)載上輸出的平均電壓U0

4、 (2) 整流二極管正向平均電流ID(3) 整流二極管所承受的最大反向電壓UDRM 單相半波整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單，使用元件少的優(yōu)點(diǎn)。但是也存在著一些缺點(diǎn)：如輸出波形脈動(dòng)大、直流的成分較低、變壓器只有半個(gè)周期導(dǎo)電，利用率低；變壓器電流含有直流成分，容易飽和。因此，一般只在輸出電流較低，要求不太高的電路中運(yùn)用。7.2.2單相全波整流在半波整流電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)就得到了全波整流電路，它由變壓器、兩個(gè)整流二極管和負(fù)載組成。變壓器具有中心抽頭，因此，VD1、VD2在正半周和負(fù)半周內(nèi)輪流導(dǎo)電，并且兩者流過RL的電流保持同一方向，使得負(fù)載RL在正半周和負(fù)半周均有輸出電壓。1. 工作原理和輸入輸出波形全波整

5、流的原理圖見圖7.3。2. 參數(shù)計(jì)算(1) 負(fù)載上輸出的平均電壓UO(2) 整流二極管正向平均電流ID (3) 整流二極管所承受的最大反向電壓UDRM 全波整流電路也存在著明顯的缺點(diǎn)：二極管所承受的反向峰值電壓高，是半波整流電路的兩倍；全波整流電路必須采用具有中心抽頭的變壓器，并且每個(gè)線圈只有一半時(shí)間參與導(dǎo)電，因此變壓器的利用率也不高。 7.2.3單相橋式整流電路單相橋式整流電路如圖7.5(a)所示。圖中，4個(gè)整流二極管VD1VD2接成電橋的形式，其中一個(gè)對角線接變壓器的次級，另一個(gè)對角線接負(fù)載電阻RL，但二者不能互換。故有橋式整流電路之稱。圖7.5(b)是它的簡化畫法。圖7.5橋式整流電路的

6、其他畫法1. 工作原理2. 參數(shù)計(jì)算(1) 負(fù)載上輸出的平均電壓U0(2) 流過負(fù)載的平均電流IO (3) 整流二極管所承受的最大反向電壓UDRM 橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，電壓紋波小，管子所承受的最大反向電壓比較低，同時(shí)由于電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器的利用率高。因此，此電路在整流電路中有了較為廣泛的運(yùn)用。缺點(diǎn)是二極管用得較多 。7.3 濾 波 電 路從前面的分析可知，無論何種整流電路，它們的輸出電壓都含有較大的脈動(dòng)成分。為了減少脈動(dòng)，就需要采取一定的措施，即濾波。濾波的作用是一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面又要盡量保留其中的直流成分，使輸出電壓接近

7、于理想的直流電壓。濾波電路一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容器、電感器復(fù)合而成的各種組合式濾波電路。常見的結(jié)構(gòu)如圖7.7所示。圖7.7濾波電路的基本形式因?yàn)殡娍乖陔娐分心軆?chǔ)存能量，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量儲(chǔ)存起來，當(dāng)電壓降低時(shí)，能量就釋放出來，因此負(fù)載得到的電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它把能量儲(chǔ)存起來，當(dāng)電流減小時(shí)，就將能量釋放出來，因此負(fù)載電流也較平滑，即電感L也有平波作用。濾波電路的形式多種多樣，可分為電容輸入式（電容C接在最前面，如圖7.7中的a、c）和電感

8、輸入式（電感L接在最前面，如圖7.7中的b）。前一種濾波電路常用于小功率的電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中。本節(jié)重點(diǎn)分析小功率整流電源中常用的電容濾波電路，然后簡要分析其他形式的濾波電路。 7.3.1電容濾波電路為了便于說明電容濾波的工作原理，先來分析一下圖7.8(a)所示的橋式整流、電容濾波電路。1. 電容的濾波作用圖7.8橋式整流、電容濾波電路2. 濾波電容后電路的特點(diǎn)(1) 提高了輸出電壓的直流成分(2) 降低了輸出電壓的脈動(dòng)成分(3) 二極管導(dǎo)通角度變小而導(dǎo)通時(shí)的最大電流變大(4) 電容濾波電路的外特性差7.3.2其他形式濾波電路1. RC-型濾波電路在前一節(jié)橋式整流濾波電

9、路的基礎(chǔ)上，再加上一級RC濾波電路就構(gòu)成了如圖7.11所示的RC-型濾波電路。圖7.11RC型濾波電路2. 電感濾波電路、LC濾波電路和LC-型濾波電路在橋式整流電路和負(fù)載電阻RL之間串入一個(gè)電感器L，如圖7.12所示。圖7.12電感濾波電路采用電感濾波以后，有延長整流管導(dǎo)電角的趨勢，因此電流的波形比較平滑，輸出特性好。其缺點(diǎn)是由于鐵芯的存在，笨重，體積大，容易引起電磁干擾。一般只適用于低電壓、大電流場合。此外，為了進(jìn)一步減少負(fù)載電壓中的紋波，電感后面可再接一電容而構(gòu)成LC濾波電路，如圖7.13所示。此電路在負(fù)載電流較大或較小時(shí)均有良好的濾波作用，因此，它對負(fù)載的適應(yīng)性比較強(qiáng)。圖7.13LC濾

10、波電路若在LC濾波電路的輸入端再加上一個(gè)電容，就構(gòu)成了LC-濾波電路，如圖7.14所示。該電路的特點(diǎn)是輸出電壓的脈動(dòng)成分小，波形更加平滑。缺點(diǎn)是濾波電路的外特性較差，整流管的沖擊電流比較大。圖7.14LC-型濾波電路 7.4 穩(wěn) 壓 電 路和理想的直流電源相比，整流濾波電路的輸出電壓還有一定的差距，問題是，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，導(dǎo)致輸出直流電壓的變化；以及當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，整流電路的輸出電壓也隨之相應(yīng)地變化。因此，就引出了穩(wěn)壓電路。所謂穩(wěn)壓電路，就是在負(fù)載不變而輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓不變；并且當(dāng)輸入電壓不變而負(fù)載改變時(shí)，輸出電壓也不變的電路。 7.4.1穩(wěn)壓電路及其主要技術(shù)指標(biāo)1. 主要技術(shù)指標(biāo)(1

11、) 內(nèi)阻（也稱輸出電阻）R0(2) 穩(wěn)壓系數(shù)Sr(3) 電壓穩(wěn)定度SV2. 硅穩(wěn)定管穩(wěn)定電路(1) 電路組成和工作原理穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖7.16所示。圖7.16硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(2) 各參數(shù)的估算 內(nèi)阻R0 穩(wěn)壓系數(shù)Sr 限流電阻的選擇3. 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路(1) 電路組成和工作原理串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路如圖7.21所示。 (2) 輸出電壓的調(diào)整范圍圖7.21串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路 7.4.2集成穩(wěn)壓電路為了適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)壓電路也迅速實(shí)現(xiàn)集成化。集成穩(wěn)壓器具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、大規(guī)模生產(chǎn)、使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，越來越為大量電子設(shè)備所使用。特別是具有輸入端、輸出端和公共引出端的三端式

12、穩(wěn)壓器，因?yàn)椴恍枰饨釉?，并且本身有限流、過壓和過流保護(hù)電路，所以運(yùn)用更加安全可靠。三端集成穩(wěn)壓器可分輸出電壓固定和輸出電壓可調(diào)兩種形式。本節(jié)以具有正電壓輸出的78LXX系列為例介紹電路的組成、工作原理、主要參數(shù)以及它們的外形和應(yīng)用電路。1. 三端集成穩(wěn)壓器的組成和工作原理現(xiàn)結(jié)合一個(gè)實(shí)例對三端集成穩(wěn)壓器的各部分電路作簡要說明。如圖7.22所示為一具有正電壓輸出的78LXX系列三端集成穩(wěn)壓器。(1) 啟動(dòng)電路(2) 基準(zhǔn)電壓電路(3) 取樣比較放大電路和調(diào)整電路圖7.2278L型為輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器原理圖(4) 保護(hù)電路 限流保護(hù)電路 過熱保護(hù)電路2. 三端集成穩(wěn)壓器外形及主要參數(shù)3

13、. 三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路7.4.3開關(guān)型穩(wěn)壓電路前面介紹的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓器均屬于線性穩(wěn)壓電路，這是因?yàn)檎{(diào)整器工作在放大區(qū)。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，調(diào)整管的集電極損耗相當(dāng)大，電源效率較底，一般為20%40，通常還要配備龐大的散熱裝置。采用開關(guān)式電路，就克服了上述缺點(diǎn)。開關(guān)型穩(wěn)壓電路的串聯(lián)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，即調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。 根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制方式不同，可分為脈沖寬度調(diào)制型（即開關(guān)工作頻率不變，控制導(dǎo)通脈沖的寬度）、脈沖頻率調(diào)制型(即開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，控制開關(guān)的工作頻率)和混合調(diào)制型（即脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均變化）。以上3種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器中，脈沖寬度調(diào)制型用得較多，典型產(chǎn)品有CW3420/CW3520、CW295和X63等。如圖7.