第六章直流電源

(7-1)第六章直流穩(wěn)壓電源§6.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能§6.5集成穩(wěn)壓電源§6.3濾波電路§6.2單相整流電路§6.4穩(wěn)壓電路(7-2)電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓u0的穩(wěn)定?！?.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能(7-3)整流電路的任務(wù)是把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓。常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。下面主要介紹前三種。為分析簡單起見，我們把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大?！?.2單相整流電路(7-4)§6.2.1單相半波整流電路的工作原理u2>0時(shí)，二極管導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通i0u1u2aTbDRLu0忽略二極管正向壓降：

u0=u2(7-5)§6.2.1單相半波整流電路的工作原理u2<0時(shí)，二極管截止,輸出電流為0。二極管截止u0=0u1u2aTbDRLu0i0(7-6)輸出電壓波形與大小uo輸出電壓平均值（U0）：輸出電壓波形：u1u2aTbDRLu0i0(7-7)輸出電壓波形與大小二極管上承受的最高電壓：二極管上的平均電流：ID=I0u1u2aTbDRLu0i0uo輸出電壓波形：(7-8)§6.2.2單相全波整流電路的工作原理只給出分析結(jié)果，請自行分析。u1u2aTbD1RLu0D2u2i0(7-9)輸出電壓波形與大小u0平均值U0：U0=0.9U2輸出電壓波形：二極管上承受的最高電壓：二極管上的平均電流：uou1u2aTbD1RLu0D2u2i0(7-10)§6.2.3單相橋式整流電路的工作原理橋式整流電路+-u2正半周時(shí)電流通路u1u2TD4D2D1D3RLu0(7-11)§6.2.3單相橋式整流電路的工作原理橋式整流電路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負(fù)半周時(shí)電流通路(7-12)u2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:由+經(jīng)D1RLD3-u2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:由-經(jīng)D2RLD4+輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLu0+-(7-13)輸出電壓波形與大小u0平均值U0：U0=0.9U2輸出電壓波形：二極管上承受的最高電壓：二極管上的平均電流：uo輸出是脈動的直流電壓！(7-14)幾種常見的硅整流橋+AC-~+~-~+-~(7-15)§6.2.4整流電路的主要參數(shù)

1、整流輸出電壓平均值（U0）負(fù)載電壓U0的平均值為:負(fù)載上的(平均)電流:恒量整流電路的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)，其一是整流輸出電壓的平均值Uo；其二是輸出電壓的脈動系數(shù)S。(7-16)

S定義為整流輸出電壓的基波峰值U01M與平均值U0之比。2、脈動系數(shù)Ｓ用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出u0分解后可得:(7-17)平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。例如，

在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負(fù)載平均電流的一半。

二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：整流電路中整流管的選擇(7-18)§6.3濾波電路濾波原理:交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。(7-19)§6.3.1電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SC以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。1、濾波原理(7-20)u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL未接入時(shí)u2tu0t設(shè)t1時(shí)刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束忽略整流電路內(nèi)阻沒有電容時(shí)的輸出波形(7-21)u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCRL接入（且RLC較大）時(shí)u2tu0t忽略整流電路內(nèi)阻電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充電，u0會逐漸下降。(7-22)u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCu2tu0t忽略整流電路內(nèi)阻只有整流電路輸出電壓大于u0的時(shí)間區(qū)間，才有充電電流。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。整流電路的輸出電流RL接入（且RLC較大）時(shí)(7-23)u1u2u1abD4D2D1D3RLu0SCu2tu0t考慮整流電路內(nèi)阻電容充電時(shí)，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RL接入（且RLC較大）時(shí)RLC越小，輸出電壓越低(7-24)一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:U0=1.2U2,當(dāng)RL開路時(shí),U0=1.4U2(2)流過二極管瞬時(shí)電流很大RLC越大U0越高,負(fù)載電流的平均值越大整流管導(dǎo)電時(shí)間越短iD的峰值電流越大故一般選管時(shí)，取2、電容濾波電路的特點(diǎn)(1)輸出電壓U0與時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)RLC愈大電容器放電愈慢U0(平均值)愈大，(7-25)輸出波形隨負(fù)載電阻RL或C的變化而改變,U0和S也隨之改變。如:RL愈小(I0越大),U0下降多,S增大。電容濾波電路適用于輸出電壓較高,負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。(3)、輸出特性(外特性):uL電容濾波純電阻負(fù)載1.4U20.9U20IL結(jié)論(7-26)§6.3.2電感濾波電感濾波電路電路結(jié)構(gòu):在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。u2u1RLLu0(7-27)（1）濾波原理:對直流分量(f=0):XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在XL上。因此,在輸出端得到比較平滑的直流電壓。U0=0.9U2

當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：u2u1RLLu0(7-28)（2）電感濾波的特點(diǎn):

整流管導(dǎo)電角較大,峰值電流很小,輸出特性比較平坦,適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重,體積大,易引起電磁干擾。u2u1RLLu0(7-29)§6.3.3RC-濾波為了改善濾波特性，可采取多級濾波的辦法,如在電容濾波后再接一級RC濾波電路，或在電感濾波后面再接一電容。從而構(gòu)成RC-型或L-C型濾波電路，其性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。u0Ru2u1C1C2u0′RL(7-30)§6.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設(shè)備)在小功率設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電路有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時(shí)有限，這里不做介紹。以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。(7-31)§6.4.1穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)1、穩(wěn)壓系數(shù)S

穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動時(shí)對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。2、輸出電阻R0

輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。(7-32)§6.4.2串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路一、電路結(jié)構(gòu)的一般形式串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。(7-33)T+_UI+_+_UO比較放大基準(zhǔn)取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件調(diào)整元件T與負(fù)載串聯(lián)，通過全部負(fù)載電流。比較放大器可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運(yùn)算放大器。調(diào)整元件可以是單個(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)?；鶞?zhǔn)電壓可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。(7-34)一種實(shí)際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源二、穩(wěn)壓原理U0UB2UBE2=（UB2-UZ）UC2U0當(dāng)UI增加或輸出電流減小使U0升高時(shí)R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(7-35)三、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍四、影響穩(wěn)壓特性的主要因素

1、比較放大部分的AV和電壓反饋系數(shù)F愈大越好；

2、基準(zhǔn)電壓愈穩(wěn)定越好；

3、放大部分的電源愈穩(wěn)定越好；

4、調(diào)整管rce愈大越好(rce小則UI引起的UO大)。(7-36)五、改進(jìn)措施串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路在運(yùn)放理想條件下(AV=

ri=)：1、增加放大級數(shù)或選用增益高的集成運(yùn)放UITR1R2UFUR+-RLUOAv+-(7-37)2、采用輔助電源(比較放大部分的電源)。3、用恒流源負(fù)載代替集電極電阻以提高增益。六、過流保護(hù)為避免使用中因某種原因輸出短路或過載致使調(diào)整管流過很大的電流,使之燒壞故需有快速保護(hù)措施。常見保護(hù)電路有兩類——

限流型:把電流限制在允許范圍內(nèi),不再增大；

截留型:過流時(shí)使調(diào)整管截止或接近截止。七、缺點(diǎn)調(diào)整管工作在線性放大區(qū),當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí),其損耗(P=UCEI0)大；電源的效率(=P0/Pi=U0I0/UiIi)較低。為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。(7-38)§6.5集成穩(wěn)壓電源§6.5.1簡介隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。(7-39)1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123(7-40)分類:型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值W78系列(輸出正電壓)W79系列(輸出負(fù)電壓)輸出電壓額定電壓值有:5V、9V、12V、18V、24V等。(7-41)

一、輸出為固定電壓的電路W7800系列穩(wěn)壓器基本接線圖§6.5.2應(yīng)用電路輸出為固定正壓時(shí)的接法如圖所示。輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！COW7800CIUI+_+_UO1320.1~1F1μF(7-42)正負(fù)電壓同時(shí)輸出電路二、輸出正負(fù)電壓的電路W78XXCIUI+