模擬電路基礎(chǔ)：第10章 直流電源

1、第10章 直流電源10.1 整流電路10.2 濾波電路10.3 穩(wěn)壓電路10.4 集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用習(xí)題：10-5 、10-10、 10-11 、10-17、 10-19直流穩(wěn)壓電源原理框圖及波形圖將交流電壓變成直流電壓功能（1）電源變壓器 其作用是將來(lái)自電網(wǎng)的有效值為220V 的交流電壓轉(zhuǎn)換為符合整流需要的有效值較低的交流電壓。（2）整流電路 利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，?正弦交流電壓u2變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓u3。（3）濾波電路 利用電容、電感元件的頻率特性，將直 流脈動(dòng)電壓中的諧波成分濾除掉，使電壓u3成為比較平滑 的脈動(dòng)直流電壓u4。 （4）穩(wěn)壓電路 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，經(jīng)濾波

2、 后的直流電壓大小還會(huì)變動(dòng)。穩(wěn)壓電路的作用是使直流輸 出電壓基本不受上述因素的影響。 10.1 整流電路10.1.1 單相半波整流電路1.電路組成及工作原理2.電路參數(shù)分析（1）輸出電壓平均值: (負(fù)載電阻上電壓的平均值）t= 0時(shí)：t= 2時(shí)：解得:UO(AV)=（2）負(fù)載電流的平均值:IO(AV)=UO(AV)RL =0.45U2RL（3）輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)： 整流輸出電壓的基波峰值與輸出電壓平均值之比。S越大，脈動(dòng)越大。經(jīng)推導(dǎo)：S 1.57半波整流電路的輸出脈動(dòng)很大。3.二極管的選擇一般根據(jù)流過(guò)二極管的正向平均電流和它所承受的最大反向電壓來(lái)選擇。ID(AV)= IO(AV) 0.45U2

3、 /RL半波整流電路中，二極管的正向平均電流等于負(fù)載電流平均值: URM= 2U2二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓:4.半波整流的特點(diǎn)1）單相半波整流電路簡(jiǎn)單易行;2）由于它僅利用了交流電路的半個(gè)周期，所以輸出電壓低，脈動(dòng)大（即交流分量大）， 效率低。3）只適用于整流電流較小，對(duì)脈動(dòng)要求不高的場(chǎng)合。10.1.2 單相橋式整流電路1.電路組成及工作原理一般畫(huà)法 簡(jiǎn)化畫(huà)法工作原理D1和D2導(dǎo)通,D3和D4截止(相當(dāng)于開(kāi)路)Tio+u2u1RLuo+D4D2D3D1+（1）u2正半周時(shí)D3 和 D4導(dǎo)通, D1和 D2截止。 u2Tu1RLD4D2D3uoioD1+（2）u2負(fù)半周時(shí)

4、o t23u22U2 touo232U2 touD2U223 toiDIm23D1、D2電流D3、D4電流D3、D4電壓D1、D2電壓2.電路參數(shù)分析, 解得:UO(AV) 0.9U2（1）輸出電壓平均值:（2）負(fù)載電流的平均值:（3）脈動(dòng)系數(shù):在變壓器副邊電壓相同且負(fù)載相同的情況下，全波整流電路的輸出電壓與輸出電流的平均值是半波整流電路的兩倍，輸出電壓的脈動(dòng)減小，變壓器利用率高，應(yīng)用廣泛。0.9U2RLIO(AV)=UO(AV)RL 3.二極管的選擇實(shí)際選用時(shí)，應(yīng)至少有10%的余量。ID(AV)= IO(AV) / 2 0.45U2 /RL（同半波整流電路）URmax= 2U2（同半波整流電

5、路）每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個(gè)周期通過(guò)電流，故每個(gè)二極管的平均電流只有負(fù)載上平均電流的一半。二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓。4.橋式整流的特點(diǎn)1） 橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的 變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管要求相同。2）橋式整流電路的輸出電壓與輸出電流的平均值是 半波整流電路的兩倍。3）輸出電壓高，脈動(dòng)小，變壓器利用率高，因此得 到廣泛應(yīng)用。（1）如何選用二極管?解:（1）負(fù)載電流例10-1 已知交流電源電壓 ，負(fù)載電阻 ，采用單相橋式整流電路供電，要求輸 出電壓 。（2）求電源變壓器的電壓比與容量?二極管的平均電流變壓器二次電壓有效值考慮到變壓器二次側(cè)及管

6、子的壓降，變壓器二次電壓大約需提高10% ，即因此可選用型號(hào)為2CZ54C的二極管，其最大整流電流為500mA，反向工作峰值電壓為100V。 （2）變壓器的電壓比變壓器二次電流有效值二極管最大反向電壓電源變壓器容量如果考慮小功率電源變壓器的效率為 ，則10.2 濾波電路二極管導(dǎo)通時(shí)給電容充電,二極管截止時(shí)電容向負(fù)載放電10.2.1 電容濾波電路1.濾波原理u2Tu1RLD1D4D2D3uoioCuC濾波后輸出電壓 uo 的波形變得平滑,平均值提高。+-注意電容器兩端電壓uc對(duì)整流元件導(dǎo)電的影響。tiD0tuO2U2t1t4t3t202.輸出電壓的平均值紅：U2正半周；綠： U2負(fù)半周。放電時(shí)間

7、常數(shù)由RLC決定。AB段D1、D2通，C充電uo= uc = u2 BC段D1、D2止，C放電uo= uc u2 CD段D1、D2止，C放電uo= uc u2Uo(AV) 1.2U2當(dāng)滿足RLC =（25）T/2時(shí)為獲得較好的濾波效果，C的容量應(yīng)選大些。導(dǎo)通角ABCD例10-2 有一單相橋式整流電容濾波電路如圖所示。已知交流電源頻率 ，負(fù)載電阻 ，要求直流輸 出電壓 ，試選擇整流二極管及濾波電容。解:（1）選擇整流二極管 流過(guò)二極管的電流 （2）選擇濾波電容10.2.2 電感電容濾波電路 為了減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，在濾波電容之前串接一個(gè)鐵心線圈，就組成了電感電容濾波（LC濾波）電路。 由于通

8、過(guò)電感線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化，因而使負(fù)載電流和負(fù)載電壓的脈動(dòng)大大減小。 頻率越高，電感越大，濾波效果越好。10.2.3 形濾波電路 LC - 形濾波電路相當(dāng)于在LC 濾波電路的前面并聯(lián)一個(gè)濾波電容 。這樣，濾波效果比LC 濾波更好，但整流二極管的沖擊電流較大。 由于電感線圈體積大而且笨重，成本又高，所以有時(shí)用電阻R代替 形濾波電路中的電感線圈，構(gòu)成了RC - 形濾波電路。它是利用R和C對(duì)輸入回路整流后電壓的交直流分量的不同分壓作用來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波作用的。10.2.4 倍壓整流電路1. 二倍壓整流電路當(dāng)變壓器二次電壓為正半周（u2的極性為上正下負(fù)）時(shí)，二極管VD1導(dǎo)

9、通，在理想情況下，將電容C1充電至u2的最大值 , 極性如圖中所示。在負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通, 將電容C2充電至 , 極性如圖中所示。由圖中可見(jiàn)，負(fù)載RL上的輸出電壓是兩個(gè)電容電壓之和，即為 。2.多倍壓整流電路當(dāng)u2為正半周（極性為上正下負(fù)）時(shí)，電源電壓通過(guò)VD1將電容C1充電至 。然后，在u2負(fù)半周（上負(fù)下正）時(shí)，VD2導(dǎo)通。此時(shí)C1上的電壓 與u2的極性一致，它們共同將電容C2充電到 。10.3 穩(wěn)壓電路 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)，整流濾波電路的輸出電壓會(huì)隨之變化。為了能夠提供更加穩(wěn)定的直流電源，需要在整流濾波后面加入穩(wěn)壓電路。10.3.1 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)穩(wěn)壓系數(shù)Sr 負(fù)載及環(huán)境

10、溫度T 不變時(shí),直流輸出電壓 的相對(duì)變化量與穩(wěn)壓電路輸入電壓 的相對(duì)變化量之比。Sr表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。2. 輸出電阻Ro 穩(wěn)壓電路輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓變化量與輸出 電流變化量之比的絕對(duì)值。Ro表明負(fù)載電阻對(duì)穩(wěn)壓性能的影響。3. 最大紋波電壓 穩(wěn)壓電路輸出端的交流分量，用有效值或幅值表示。10.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 電路中由于穩(wěn)壓管VS與負(fù)載電阻 并聯(lián)，所以也叫做“并聯(lián)型穩(wěn)壓電路” 。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理RL IO I UO(UZ) IZ I UO 當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)（設(shè)輸入電壓保持不變）：UI UO (UZ) IZ I UR UO當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)（設(shè)負(fù)載電阻保持不變）： 穩(wěn)壓管穩(wěn)

11、壓電路所以能使輸出電壓保持穩(wěn)定，是利用了穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性，即 ：電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 可基本保持一定。同時(shí)，限流電阻R是必不可少的，它起了調(diào)節(jié)電壓的作用。2.限流電阻的選擇當(dāng)電網(wǎng)電壓最高而負(fù)載電流最小時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大當(dāng)電網(wǎng)電壓最低而負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最小 限流電阻必須使穩(wěn)壓管處在穩(wěn)壓區(qū),即 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路在輸出電壓不需調(diào)節(jié)、負(fù)載電流比較小的情況下，效果比較好。1.輸出電壓由穩(wěn)壓管的型號(hào)決定，不可隨意調(diào)節(jié)；2.電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的變化太大時(shí)，電路將不能適應(yīng)。缺點(diǎn)：10.3.3 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成 2.穩(wěn)壓原理 當(dāng)輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化引起

12、輸出電壓UO升高時(shí)，輸出電壓的變化通過(guò)取樣值Uf反饋到運(yùn)放的反相輸入端。因同相輸入端接基準(zhǔn)電壓UZ，經(jīng)比較放大后，使運(yùn)放A的輸出電壓（即VT的基極電壓）降低。因?yàn)閂T接成了射極跟隨器，所以輸出電壓UO也隨之降低。這一穩(wěn)壓過(guò)程可簡(jiǎn)單表示為： UZ一定UO Uf UB UO 3.輸出電壓及其調(diào)節(jié)范圍理想情況下, UN=UP=UZ。所以輸出電壓為4.能隙基準(zhǔn)電壓源電路 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓密切相關(guān)，基準(zhǔn)電壓源的性能直接影響著穩(wěn)壓電源的性能。 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓管做基準(zhǔn)電壓源，它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但存在輸出電阻大、噪聲電平較高的弊端。 性能好的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)該輸出電阻小、噪聲低

13、、溫度穩(wěn)定性好。目前，被廣泛采用的能隙基準(zhǔn)電壓源（又叫帶隙基準(zhǔn)電壓源）就具備上述優(yōu)點(diǎn)。 10.3.4 開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電路 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出紋波小，穩(wěn)壓性能好。但是，在負(fù)載電流較大時(shí)，調(diào)整管的集電極損耗（PC=VCEIO）相當(dāng)大（調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)，通過(guò)負(fù)載電流），電源效率較低，一般為40%60%,往往需配置笨重的散熱裝置。 將穩(wěn)壓電源改為開(kāi)關(guān)式。即電源中的調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。在調(diào)整管飽和導(dǎo)通時(shí)，管子壓降UCES很??；在調(diào)整管截止時(shí)，管子電流ICE也很小，所以調(diào)整管的管耗很小，并且主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中。這樣，電源效率可提高到8

14、0%95%,同時(shí)省去了笨重的散熱裝置，體積小、重量輕。 開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是輸出電壓所含紋波較大，對(duì)電子設(shè)備有較大干擾。 開(kāi)關(guān)式串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的原理圖如下所示。1.開(kāi)關(guān)式串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 開(kāi)關(guān)式串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是在線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上增加了LC濾波電路、固定頻率三角波發(fā)生電路、比較放大電路和比較電路。電路中調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)，輸出電壓總是小于輸入電壓，這種電路屬于降壓型穩(wěn)壓電路。 UI是整流濾波電路的輸出電壓，uB是比較電路的輸出電壓，VT是調(diào)整管，它與負(fù)載RL相串聯(lián)。這里利用uB來(lái)控制調(diào)整管VT的通與斷，把UI變換成斷續(xù)的矩形脈沖電壓uE（uD），再經(jīng)LC濾波后輸出平滑的直流電壓UO

15、。 開(kāi)關(guān)頻率fT是影響穩(wěn)壓電路工作的重要性能指標(biāo)。提高fT，濾波元件L、C的數(shù)值可以減小，從而使電源的體積減小、重量減輕，成本也會(huì)降低。但同時(shí)會(huì)使調(diào)整管的轉(zhuǎn)換速率加快，使功耗加大，效率降低。2.開(kāi)關(guān)式并聯(lián)型穩(wěn)壓電路 開(kāi)關(guān)式并聯(lián)型穩(wěn)壓電路中調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)并與負(fù)載并聯(lián)。電路中利用電感的儲(chǔ)能作用，負(fù)載上的輸出電壓是輸入電壓和電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)共同作用的結(jié)果，使輸出電壓大于輸入電壓，故這類電路屬于升壓型穩(wěn)壓電路。 開(kāi)關(guān)式并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的主回路如圖所示。圖中輸入電壓UI來(lái)自整流濾波電路，VT為調(diào)整管，L、C為儲(chǔ)能濾波元件，VD為續(xù)流二極管 。 3.無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 50Hz的市電頻率又叫做“工

16、頻”，由于工作頻率低，工頻變壓器往往體積大而笨重。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，沒(méi)有工頻變壓器的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源在世界各工業(yè)化國(guó)家興起，成為穩(wěn)壓電源的主流。這類穩(wěn)壓電路直接從市電電網(wǎng)經(jīng)濾波整流供電，調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，穩(wěn)壓效率高，體積小，重量輕。目前在計(jì)算機(jī)中最常用的就是無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 。 無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源框圖如下所示。 10.3.4 穩(wěn)壓電路的保護(hù)措施1.限流式保護(hù)電路2.截流式保護(hù)電路10.4 集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用10.4.1 線性集成穩(wěn)壓器及其應(yīng)用 在線性集成穩(wěn)壓器件中，“三端集成穩(wěn)壓器”只有三個(gè)引腳，即輸入端、輸出端和公共端（或調(diào)整端），因此而得名。 三端集成穩(wěn)壓器按輸出電壓

17、是否可調(diào)分為“固定式”和“可調(diào)式”兩類。 1.輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器正電源W7800系列：輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V輸出電流： W7800系列1.5A； W78M00系列0.5A ； W78L00系列0.1A負(fù)電源W7900系列：輸出電壓：5V、6V、9V、12V、 15V、 18V、24V輸出電流：同上W78XX型三端集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)如圖所示CW7800CW79001+23_2_三端集成穩(wěn)壓器的電路符號(hào)31負(fù)輸出正輸出W7805的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖2.輸出電壓可調(diào)的三端集成穩(wěn)壓器 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是輸出電壓連續(xù)可調(diào)。這類器件是依靠外接電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍較寬。其外形、圖形符號(hào)如圖所示。 W7系列為可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器，其中W117、W217和W317為正電壓輸出，W137、W237和W337為負(fù)電壓輸出。與W78相類似，最大輸出電流也有0.1A(W117L)、0.5A(W117M)和1.5A(W117)三檔。 輸出電壓UO為R1和R2電壓之和,R1上的電壓即UREF。因調(diào)整端電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于I2,可忽略不計(jì) 。 1.25V（1）輸出正電壓 2.W78X