《電工電子技術(shù)及應(yīng)用》課件-第11章

第11章直流穩(wěn)壓電源11.1直流穩(wěn)壓電源的組成

11.2整流電路的分類及原理11.3濾波電路的分類及原理

電路中的負(fù)反饋11.4穩(wěn)壓電路的分類及原理11.5仿真實驗習(xí)題11

11.1直流穩(wěn)壓電源的組成

圖11.1.1為小功率直流穩(wěn)壓電源的原理框圖,它清晰地表述了直流電是怎樣由交流電轉(zhuǎn)換過來的。圖中各環(huán)節(jié)的功能如下。圖11.1.1小功率直流穩(wěn)壓電源原理框圖

變壓環(huán)節(jié):變壓環(huán)節(jié)主要是一個降壓變壓器。該環(huán)節(jié)將來自于電網(wǎng)的工頻交流電的電壓變換為符合整流需要的交流電壓。

整流環(huán)節(jié):該環(huán)節(jié)是利用具有單向?qū)щ娦缘钠骷?將交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓。這個環(huán)節(jié)可以用單相半波整流、單相橋式整流、三相半波整流、三相橋式整流等。

濾波環(huán)節(jié):該環(huán)節(jié)的作用是濾掉脈動直流電中的脈動成分(交流分量),保留直流分量。通過濾波環(huán)節(jié)后的直流電趨向平滑。這個環(huán)節(jié)可以用電容濾波、電感濾波、電感電容濾波、π型濾波等。

穩(wěn)壓環(huán)節(jié):該環(huán)節(jié)可以使輸出的直流電壓更穩(wěn)定。這個環(huán)節(jié)可以用穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓、也可以用三端集成穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓,要求更高的話還可以用開關(guān)穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。

如果對直流電壓的穩(wěn)定程度要求不高,此環(huán)節(jié)可以不用。

11.2整流電路的分類及原理

11.2.1單相半波整流電路1.結(jié)構(gòu)圖11.2.1給出了單相半波整流電路的電路圖。它是最簡單的整流電路,由整流變壓器T、整流二極管VD和負(fù)載電阻RL組成。圖11.2.1單相半波整流電路圖11.2.2單相半波整流電路波形圖

4.整流二極管的選擇

在選擇整流二極管的型號時,要根據(jù)二極管承受的最大反向峰值電壓UDRM和流過二極管的平均電流IVD

來確定。選管時要求整流二極管額定電流IOM>IVD,整流二極管額定電壓URWM>UDRM。

11.2.2單相橋式整流電路

1.結(jié)構(gòu)

圖11.2.3給出了單相橋式整流電路常見的幾種畫法。該電路由一個變壓器、四個整流二極管、一個負(fù)載構(gòu)成。目前市場上已有封裝好的整流橋售賣,它是將四個整流二極管封裝在一個集成塊中,稱為硅橋堆,其實物圖如圖11.2.4所示。圖11.2.3單相橋式整流電路常見畫法圖11.2.4常見硅橋堆實物圖

單相橋式整流電路的波形如圖11.2.5所示。從圖11.2.5可知,輸出的電壓波形同樣是單方向的,但是電壓隨時間的變化而變化,因此輸出電壓同樣為脈動的直流電。圖11.2.5單相橋式整流電路波形圖

3.公式

通過圖11.2.5可知,單相橋式整流電壓的平均值為

流過負(fù)載的整流電流的平均值為

流過每個整流二極管的電流平均值為

每個整流二極管承受的最大反向峰值電壓為

變壓器副邊電流有效值為

例11.2.1圖11.2.3所示單相橋式整流電路,已知交流電網(wǎng)電壓為220V,負(fù)載電阻RL=30Ω,負(fù)載電壓Uo=50V。試求變壓器的變比和容量,并選擇二極管。

解變壓器副邊電壓有效值

考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降,變壓器副邊電壓一般應(yīng)高出5%~10%,即取

每只二極管承受的最高反向電壓

整流電流的平均值

流過每只二極管的電流平均值

可選用二極管2CZ11A,其最大整流電流為1A,反向工作峰值電壓為100V。

變壓器變比為

變壓器副邊電流有效值

變壓器容量為

11.2.3常見整流電路總結(jié)

整流電路除了上述的單相半波整流電路、單相橋式整流電路外,還有其他一些整流電路,這些整流電路的結(jié)構(gòu)、波形、計算公式如表11.2.1所示

11.3濾波電路的分類及原理

11.3.1電容濾波電路1.結(jié)構(gòu)電容濾波電路是最簡單的濾波電路。其結(jié)構(gòu)如圖11.3.1所示,它在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)一個電容器C,利用電容上電壓不能突變的原理進行濾波。圖11.3.1單相半波整流電容濾波電路

2.原理

電容濾波電路的濾波過程及波形如圖11.3.2所示。設(shè)電容器事先未充電,在電源電壓u的正半周時,二極管VD受正壓導(dǎo)通,電源電壓一方面給電容C充電,一方面給負(fù)載RL提供能量。電容C上的電壓就是負(fù)載RL上的電壓,若忽略二極管VD的壓降,則uo

=u。當(dāng)電源電壓在正半周達到峰值后開始按照正弦規(guī)律下降,電容C放電,由于電容C的放電速度慢于電源電壓正弦下降速度,因此當(dāng)電源電壓正弦下降到A點以后,uC>u,二極管VD受反壓而關(guān)斷,電容C向負(fù)載RL

放電,負(fù)載RL

上電壓就是電容C指數(shù)放電電壓uo=uC。

這個狀態(tài)一直維持到電源的下一個正半周的B點,B點以后,uC<u,二極管VD受正壓再次導(dǎo)通,電源電壓又開始給電容C充電的同時向負(fù)載RL提供能量,uo=u。如此反復(fù)循環(huán)上述過程,得到圖11.3.2所示波形。

圖11.3.2單相半波整流電容濾波電路波形

3.Uo的大小及電容C的選擇

從圖11.3.2所示波形上看,由于電容的不斷充放電,使得輸出電壓的脈動大大減小,而且輸出電壓的平均值有所提高。輸出電壓的平均值Uo

的大小與電容C的充放電快慢有關(guān),

而電容C的充放電快慢由τ=RL

C決定。RL

越大或C越大,充電越慢,Uo

越高?？紤]極限情況,當(dāng)RL

=∞時,電容C無放電回路,電容C上電壓充到電源電壓的峰值后無法放電,則電容C上電壓維持這個峰值,即Uo

=UC=2U,輸出電壓平滑無脈動。

當(dāng)RL=0時,電容C放電很快,則電容C開始放電的起點A下移到電源正半周的過零點,此時輸出電壓幾乎和沒

有濾波一樣,Uo=UC=0.45U,輸出電壓脈動大,此時帶負(fù)載能力差。在工程上一般采用經(jīng)驗值估算Uo的大小,當(dāng)滿足RLC≥(3~5)T/2(式中,T為電源電壓的周期)時,輸出電壓的平均值為

例11.3.1圖11.3.3為單相橋式整流濾波電路,已知交流電源頻率f=50Hz,負(fù)載電阻RL=200Ω,要求直流輸出電壓Uo=100V,選擇整流二極管及濾波電容器。圖11.3.3單相橋式整流濾波電路

解(1)選擇整流二極管。

流過二極管的電流

變壓器副邊電壓的有效值

二極管承受的最高反向電壓

(2)選擇濾波電容器。

取RLC=5×T/2,則

則

可選用C=250μF、耐壓為200V的極性電容器。

電容濾波一般適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場合。

11.3.2電感濾波電路

圖11.3.4所示為單相橋式整流電感濾波電路。它利用流過電感的電流不能突變的特點來達到使得輸出電流平滑的目的。另外,根據(jù)電感的頻率特性可知,頻率越高,電感上的感抗越大,則整流電路輸出電壓中的交流成分大部分降在電感上,而電感對于直流電來講相當(dāng)于短路,因此整流電路輸出電壓中的直流成分全降在負(fù)載電阻上。工程上認(rèn)為,該電路輸出電壓為

電感濾波電路一般適合于大電流或負(fù)載變化較大的場合。圖11.3.4單相橋式整流電感濾波電路

11.3.3電感電容濾波電路

圖11.3.5所示為單相橋式整流電感電容濾波電路。首先由于電感的存在,交流分量大部分降在了電感上,輸出電壓中的交流成分較小,然后在電容和負(fù)載并聯(lián)的回路中,再進一步濾掉交流分量。這樣,使得輸出的直流電壓更加平滑。這種濾波電路對于大、小負(fù)載均能達到很好的濾波效果。電感電容濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合,用于高頻時更為合適。圖11.3.5單相橋式整流電感電容濾波電路

11.3.4π型濾波電路

圖11.3.6所示為π型CLC濾波電路。此電路是為了使輸出電壓的波形更加的平滑,因此在LC濾波電路前面再并聯(lián)一個電容進行濾波。但是由于電感體積大且笨重,成本又高,因此在負(fù)載電流較小的場合,常常用電阻代替電感,構(gòu)成了如圖11.3.7所示的π型CRC濾波電路。圖11.3.6π型CLC濾波電路圖11.3.7π型CRC濾波電路

在π型CRC濾波電路中,整流輸出的脈動電壓首先通過C1進行濾波,C1兩端電壓的交流分量通過電阻R和電容C2、負(fù)載RL

并聯(lián)的阻抗分壓,由于電容的交流阻抗很小,所以交流分量絕大部分降在電阻R上,因此輸出電壓中交流分量大大地減少。對于直流分量,C2相當(dāng)于開路。當(dāng)RL

遠遠大于R時,直流電壓絕大部分降落在負(fù)載電阻RL

上。在該電路中R和C的值越大,濾波效果越好,但R太大,將使得直流電壓降增加,因此該電路主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。

11.4穩(wěn)壓電路的分類及原理

11.4.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路圖11.4.1為典型的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管VDZ和限流電阻R構(gòu)成。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電流變化時,通過調(diào)節(jié)R上的壓降來保持輸出電壓基本不變。圖11.4.1典型的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

1.原理

(1)當(dāng)負(fù)載RL不變,電網(wǎng)電壓增加導(dǎo)致輸出電壓Uo增加時,穩(wěn)壓原理如下:

由此可見,輸出電壓得到了調(diào)整,基本穩(wěn)定。反之亦然。

(2)當(dāng)電網(wǎng)電壓不變,負(fù)載RL減小(Io增加)時,穩(wěn)壓原理如下:

從分析可見,負(fù)載的減小不會使輸出電壓改變。反之亦然。

通過上述的分析可見,穩(wěn)壓管起到了電流調(diào)節(jié)的作用。輸出電壓的微小變化,會導(dǎo)致穩(wěn)壓管中電流的較大變化,通過限流電阻的壓降來對輸出電壓進行調(diào)整,使其穩(wěn)定。

2.參數(shù)選擇

1)穩(wěn)壓管選擇

針對穩(wěn)壓管,一般選擇

2)限流電阻選擇

在圖11.4.1中,限流電阻R是重要的元件,阻值的適當(dāng)選擇可以使電路實現(xiàn)很好的穩(wěn)壓作用。若R值過大,則IR過小,當(dāng)Io增大時,由IR=IZ+Io可知,IZ

會很小,使得穩(wěn)壓管的電流降低到穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓臨界值以下,從而失去了穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用。若R值過小,則IR過大,當(dāng)負(fù)載RL

很大或開路時,IR都流向穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管可能會燒壞。因此,穩(wěn)壓管正常工

作必須滿足下列關(guān)系:

當(dāng)電網(wǎng)電壓最高并且負(fù)載電流最小時,IZ的值最大,此時IZ不能超過允許的最大值,即

式(11.4.4)和式(11.4.5)中,Uimax為電網(wǎng)電壓最高時的整流輸出電壓,ILmin

為負(fù)載電流最小值,IZmax

為穩(wěn)壓管允許的最大工作電流,UZ為穩(wěn)壓管的標(biāo)稱穩(wěn)壓值,Uimin為電網(wǎng)電壓最低時的整流輸出電壓,ILmax

為負(fù)載電流最大值,IZmin為穩(wěn)壓管允許的最小工作電流。

例11.4.1如圖11.4.1所示穩(wěn)壓電路,如果負(fù)載RL由開路變到2kΩ,整流濾波后的電壓Ui=30V,若要求輸出的直流電壓Uo=10V,試確定穩(wěn)壓管VDZ型號。

解由(11.4.2)可知,UZ=Uo=10V。

負(fù)載由最大值開路變?yōu)樽钚≈?kΩ,則負(fù)載的電流就從0A變?yōu)樽畲笾?此最大值為

由(11.4.3)可知,IZmax=3Iomax=15mA。

選穩(wěn)壓管2CW18。該管穩(wěn)定電壓10~12V,穩(wěn)定電流5mA,最大穩(wěn)定電流20mA。

11.4.2三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路

圖11.4.2是廣泛使用的塑料封裝的W78XX系列和W79XX系列三端集成穩(wěn)壓器的外形和管腳圖。W78XX系列集成穩(wěn)壓器輸出正電壓,W79XX系列集成穩(wěn)壓器輸出負(fù)電壓。對于具體的器件,“XX”用數(shù)字表示,表示輸出電壓值,如W7805表示輸出穩(wěn)定電壓為+5V,W7905表示輸出穩(wěn)定電壓為-5V。W78XX系列和W79XX系列集成穩(wěn)壓器的輸出電壓系列有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等,最大輸出電流有1.5A。使用時除了要注意輸出電壓和最大輸出電流外,還要注意輸入電壓的大小。輸入電壓的絕對值至少要高于輸出電壓2~3V,但也不能超過最大輸入電壓(一般為35V左右)。

三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓有可調(diào)和固定兩種形式,上述的W78XX系列和W79XX系列集成穩(wěn)壓器就是輸出電壓固定形式的。輸出電壓可調(diào)式的可通過外接元件,在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓,常用的有W317系列和W337系列。W317系列輸出可調(diào)正電壓,W337系列輸出可調(diào)負(fù)電壓。

三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用十分方便、靈活。下面介紹幾種常用的電路。圖11.4.2W78XX系列和W79XX系列穩(wěn)壓器外形和管腳圖

1.基本輸出電路

圖11.4.3為輸出固定正電壓的電路,圖11.4.4為輸出固定負(fù)電壓的電路。其中,Ui為整流濾波后的直流電壓;Ci用來抵消輸入端接線較長時的電感效應(yīng),防止產(chǎn)生自激振蕩,即用以改善波形,一般取值為0.1~1μF;Co是為了瞬時增減負(fù)載電流時,不致引起輸出電壓有較大的波動,即用來改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng),一般取值為1μF。圖11.4.3輸出固定正電壓電路圖11.4.4輸出固定負(fù)電壓電路

2.同時輸出正負(fù)電壓電路

圖11.4.5為一個雙向穩(wěn)壓電路。利用W7815和W7915兩個三端集成穩(wěn)壓器,可構(gòu)成同時輸出+15V和-15V兩種電壓的雙向穩(wěn)壓器。圖11.4.5雙向穩(wěn)壓電路

3.提高輸出電壓電路

圖11.4.6為一種可提高輸出電壓電路。圖中UXX為W78XX集成穩(wěn)壓器的固定輸出電壓,UZ為穩(wěn)壓管VDZ的標(biāo)稱穩(wěn)壓值,則圖11.4.6提高輸出電壓電路1

也可采用圖11.4.7所示的電路提高電壓。這種電路中的電阻R1

和R2

為外接電阻,R1

兩端的電壓為三端集成穩(wěn)壓器的額定輸出電壓UXX

,R1

上流過的電流為IR1

=UXX

/R1

,三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流為IQ,等于兩個電阻上電流之和。此穩(wěn)壓電路的輸出電壓在忽略集成穩(wěn)壓器靜態(tài)電流的情況下,有圖11.4.7提高輸出電壓電路2

4.提高輸出電流電路

圖11.4.8為可提高輸出電流電路。當(dāng)所需的負(fù)載電流Io超過穩(wěn)壓器的最大輸出電流IOM時,可以采用外接功率三極管VT的方法擴大電路的輸出電流。當(dāng)Io較小時,UR

較小,VT截止,IC

=0,此時不需要擴流。當(dāng)Io>IOM

時,UR

較大,VT導(dǎo)通,Io=IOM+IC

,此時進行了擴流。其中,R為采樣電阻,可由功率管VT的UBE和穩(wěn)壓器的IOM

確定,即R≈UBE

/IOM。圖11.4.8提高輸出電流電路

5.三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

圖11.4.9為塑料封裝的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器CW117和CW137的引腳圖。三個引腳端分別為輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。在輸出端與調(diào)節(jié)端之間具有1.25V基準(zhǔn)電壓。這種三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器既保持了三端的簡單結(jié)構(gòu),又能在1.

25~37V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖11.4.9CW117和CW137引腳圖

CW117的基本接線圖如圖11.4.10所示。其中,C用于濾去R2兩端的紋波電壓,接入的R1和R2使得輸出電壓可調(diào)。通過分壓公式可知

由式(11.4.10)可知,改變R1和R2的比值,就可實現(xiàn)輸出電壓的1.25~37V可調(diào)。另外,CW137的輸入輸出電壓均為負(fù)值,其應(yīng)用電路與CW117的應(yīng)用電路類似,可以對應(yīng)

套用。圖11.4.10CW117三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器基本電路

11.4.3開關(guān)型穩(wěn)壓電路

前述穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整晶體管工作在線性放大狀態(tài),功率損耗大,電源效率低,通常只有30%~50%。為了克服這個缺點,隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展,出現(xiàn)了開關(guān)型穩(wěn)壓器。該

電路中使用的晶體管工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種開關(guān)狀態(tài),管耗小,電源效率大大提高,電源效率可達80%~90%,其體積小、質(zhì)量輕,在電氣、電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

1.MAX668升壓穩(wěn)壓電源

MAX668是MAXIM公司的產(chǎn)品,被廣泛用于便攜產(chǎn)品中。它具有低的靜態(tài)電流(220μA),工作頻率可調(diào)(100~500kHz),輸入電壓范圍3~28V,輸出電壓可高至28V。

該芯片具有10個引腳。

引腳1———LDO:內(nèi)置5V線性穩(wěn)壓器輸出,該引腳應(yīng)該接1μF的陶瓷電容。

引腳2———FREQ:工作頻率設(shè)置。

引腳3———GND:模擬地。

圖11.4.11給出了MAX668芯片用于升壓的典型電路,該電路把5V電壓升壓成12V電壓。該電路在輸出電流為1A時,轉(zhuǎn)換效率高于92%。圖11.4.11MAX668芯片典型升壓電路

2.LT3481降壓穩(wěn)壓電源

LT3481芯片是一款超高頻的單片降壓穩(wěn)壓電源。它的輸出電壓達到3.6~36V,輸出電流達到2A,輸出紋波很小,工作頻率200kHz~2.8MHz。

LT3481芯片具有11個引腳。

引腳1———BD:接升壓二極管陽極。

引腳2———BOOST:用于給內(nèi)部NPN晶體管提供驅(qū)動電壓。

引腳3———SW:內(nèi)部功率開關(guān)的輸出端子。外接電感及回流二極管,BOOST電容也接于此端。

引腳4———VIN:供電端。使用時需并接旁路電容。

引腳5———RUN/SS:關(guān)斷控制。接地,則關(guān)斷芯片輸出;接到2.3V以上,則芯片正常工作;若不用此功能,將其接到VIN端。

引腳6———PG:內(nèi)部比較器的開路集電極輸出端子。在最終穩(wěn)定電壓的10%以內(nèi)時,PG為低電平,在VIN端及RUN/SS端升到3.5V以上時,PG才有輸出。

引腳7———BIAS:支持LT3481內(nèi)部的供電穩(wěn)壓器。

引腳8———FB:輸出電壓反饋端。外接電阻分壓器,此端電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1.265V。

引腳9———VC:內(nèi)部誤差放大器的輸出端。外接一個RC網(wǎng)絡(luò),從而形成補償環(huán)路。

引腳10———RT:振蕩頻率設(shè)置。外接一個電阻到GND,設(shè)置工作頻率。

引腳11———GND:外殼接地端。

圖11.4.12給出了LT3481芯片用于降壓的典型電路,該電路可將6.3~34V電壓降為5V的直流穩(wěn)壓電輸出。圖11.4.12LT3481芯片典型降壓電路

11.5仿真實驗

我們對典型的+15V穩(wěn)壓電源進行仿真實驗,搭建的仿真電路圖如圖11.5.1所示。從元件庫中找到相關(guān)的交流電源、整流橋、變壓器、電容、穩(wěn)壓器;從儀器庫里找到萬用表。再進行線路的連接和參數(shù)的設(shè)置,啟動仿真后,從圖11.5.2所示的萬用表中可以看到輸出的直流電壓在15V左右,交流電壓在600nV左右,交流分量很小,由此,可以說這種典型的穩(wěn)壓電源輸出電壓基本穩(wěn)定。圖11.5.1仿真電路圖圖11.5.2萬用表

習(xí)題11

11.1單相橋式整流電路,已知交流電網(wǎng)電壓為220V,負(fù)載電阻RL

=9Ω,負(fù)載平均電壓Uo

=9V。試求變壓器的副邊電壓有效值、整流二極管上最高反向電壓及流過二極管的電流平均值。11.2單相橋式整流電路,已知負(fù)載平均電流IL＝100mA,負(fù)載平均電壓Uo=20V。試求變壓器的副邊電壓有效值。若電網(wǎng)電壓波動范圍為±10%,則在選擇整流二極管時,確定最大平均電流和最高反向電壓的下限值。

11.3電路如題11.3圖所示,試求輸出電壓Uo1、Uo2及各個二極管承受的最高反向電壓。題11.3圖

11.4單相橋式整流濾波電路,已知交流電源頻率f=50Hz,負(fù)載電阻RL=100Ω,要求直流輸出電壓Uo=50V。試確定整流二極管上最高反向電壓、流過二極管的電流平均值及濾波電容器的電容值。

11.5單相橋式整流濾波電路,已知交流電源頻率f50Hz,變壓器二次側(cè)電壓有效值為20V,電網(wǎng)電壓波動范圍為±10%,電容的容量滿足RLC=(3~5)T/2,負(fù)載電阻RL=40Ω。試求整流二極管上最高反向電壓、流過二極管的電流平均值及濾波電容器的電容取值范圍。

11.6電路如題11