第4章_直流穩(wěn)壓電源.ppt

1、第4章 直流穩(wěn)壓電源,先導(dǎo)案例 4.1 整流電路 4.2 濾波電路 4.3 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 4.4 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 4.5 集成穩(wěn)壓電源 先導(dǎo)案例解決,先導(dǎo)案例,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，主要采用交流電，但是在某些場(chǎng)合，例如電解、電鍍、蓄電池的充電、直流電動(dòng)機(jī)等，都需要用直流電源供電。此外，幾乎所有的電子電路都需要穩(wěn)定的直流電源，在檢定檢修指示儀表時(shí)，除了要有合適的標(biāo)準(zhǔn)儀器外，還必須要有合適的直流電源及調(diào)節(jié)裝置。為了得到直流電，除了采用直流發(fā)電機(jī)、干電池等直流電源外.目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。 圖4-1所示是半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的原理框圖，它表示把交流電變換為直流電的過(guò)程。,返回,4.1

2、 整流電路,4.1.1 單相半波整流電路 1.工作原理 單相半波整流電路如圖4-2(a)所示 設(shè)整流變壓器副邊電壓為 當(dāng)u2為正半周時(shí)，其極性為上正下負(fù)。二極管D導(dǎo)通，輸出電壓的波形與變壓器副邊電壓相同 當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，其極性為上負(fù)下正。D截止 在負(fù)載電阻得到的是如圖4-2 (b)所示的單向脈動(dòng)電壓。,下一頁(yè),返回,4.1 整流電路,(1)負(fù)載上電壓平均值和電流平均值。 單相半波整流電壓的平均值為 流過(guò)負(fù)載電阻的電流平均值為,下一頁(yè),上一頁(yè),返回,4.1 整流電路,(2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。流經(jīng)二極管的電流平均值就是流經(jīng)負(fù)載電阻R的電流平均值，即 二極管截止時(shí)承受的最

3、高反向電壓,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,例4.1 有一個(gè)單相半波整流電路，如圖4-2(a)所示。已知負(fù)載電阻RL= 750 變壓器副邊電壓U2=20 V，試求Uo，Io,并選用二極管。 單相半波整流的特點(diǎn)是:電路簡(jiǎn)單，使用的器件少，但是輸出電壓脈動(dòng)大。由于只利用了電源電壓的半個(gè)周期，理論計(jì)算表明其整流效率僅40%左右，因此只能用于小功率以及對(duì)輸出電壓波形和整流效率要求不高的設(shè)備。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,4.1.2單相橋式整流電路 為了克服單相半波整流的缺點(diǎn)，常采用全波整流電路，其中最常用的是單相橋式整流電路。 1.工作原理 單相橋式整流電路是由四個(gè)整流二極管接成電

4、橋的形式構(gòu)成的，如圖4-3 (a)所示。圖4-3(b)所示為單相橋式整流電路的一種簡(jiǎn)便接法。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,單相橋式整流電路的工作情況如下 設(shè)整流變壓器副邊電壓為 當(dāng)u2為正半周時(shí)，其極性為上正下負(fù)，D1,D3導(dǎo)通，此時(shí)電流的路徑如圖4-4(a)所示 當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，其極性為上負(fù)下正，D2,D4導(dǎo)通，此時(shí)電流的路徑如圖4-4(b)所示 可見無(wú)論電壓u2是在正半周還是在負(fù)半周，負(fù)載電阻尺上都有相同方向的電流流過(guò)。因此在負(fù)載電阻得到的是單向脈動(dòng)電壓和電流，忽略二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖4-5所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,2.參

5、數(shù)計(jì)算 (1)負(fù)載上電壓平均值和電流平均值 單相全波整流電壓的平均值為 流過(guò)負(fù)載電阻的電流平均值為,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,(2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。因?yàn)闃蚴秸麟娐分校績(jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)導(dǎo)通半個(gè)周期，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，即 每個(gè)二極管在截止時(shí)承受的最高反向電壓為u2的最大值，即,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 整流電路,(3)整流變壓器副邊電壓有效值為 整流變壓器副邊電流有效值為 由以上計(jì)算，可以選擇整流二極管和整流變壓器。 單相整流橋模塊的實(shí)物接線圖如圖4-6所示。 常見的幾種整流電路如表4-1所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4

6、.1 整流電路,例4.2 試設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出電壓為24V,輸出電流為1A的直流電源，電路形式可以采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。 例4.3 有一直流負(fù)載，要求電壓為Uo=36 V，電流為Io=10 A，采用圖4-3所示的單相橋式整流電路。 (1)試選用所需的整流元件; (2)若D2因故損壞開路，求Uo和Io,并畫I出其波形; (3)若D2短路，會(huì)出現(xiàn)什么情況。,返回,上一頁(yè),4.2 濾波電路,整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動(dòng)較大，電源中的整流電路后面還需要加濾波電路將交流成分濾除。 濾波電路利用電容或電感在電路中的儲(chǔ)能作用，當(dāng)

7、電源電壓(或電流)增加時(shí)，電容(或電感)把能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)(或磁場(chǎng))中;當(dāng)電源電壓(或電流)減小時(shí)，又將儲(chǔ)存的能量逐漸釋放出來(lái)，從而減小了輸出電壓(或電流)中的脈動(dòng)成分。得到比較平滑的直流電壓。實(shí)用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波電路等，如圖4-10所示。,下一頁(yè),返回,4.2 濾波電路,4.2.1 電容濾波電路 圖4-11所示，為單相橋式整流電容濾波電路。此時(shí)整流二極管工作在非線性區(qū)域 經(jīng)過(guò)周期性電容充放電過(guò)程，在輸出端得到一個(gè)近似為鋸齒波的直流電壓，如圖4-12中實(shí)線所示。 由濾波過(guò)程分析可知，采用電容濾波后: (1)負(fù)載直流平均電壓升高，脈動(dòng)程度大大降低。 (2)負(fù)載電壓

8、平均值有所提高 (3)二極管導(dǎo)通時(shí)間減小 (4)外特性變差 由此可見，電容濾波適用于負(fù)載電流較小，而且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 濾波電路,例4.4 設(shè)計(jì)一單相橋式整流、電容濾波電路，要求輸出電壓Uo= 48 V，已知負(fù)載電阻RL= 100 ，交流電源頻率為f=50 Hz，試選擇整流二極管和濾波電容器。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 濾波電路,4.2.2 電感濾波電路 電感濾波中路如圖4-14所示,電感濾波電路輸出電壓較低，但輸出電壓波動(dòng)小，隨負(fù)載變化也很小，因而適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。由于電感量大時(shí)體積也大，在小型電子設(shè)備中很少采用電感濾波方式。,下一頁(yè),返回,上一

9、頁(yè),4.3 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,所謂穩(wěn)壓電路，就是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能使輸出電壓穩(wěn)定的電路。最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源是硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。 圖4-19是利用硅穩(wěn)壓管組成的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路。 1.穩(wěn)壓電路的工作原理 若負(fù)載RL不變，當(dāng)交流電源電壓增加， 其穩(wěn)壓過(guò)程可以表示為： 電源電壓 u2 Ui UL IzI=Iz+IoUR UO 穩(wěn)定,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,若電源電壓不變，此時(shí)若負(fù)載減小,其穩(wěn)壓過(guò)程為： 負(fù)載 Io I=Iz+Io UR UO Iz I=Iz+IoUR UO穩(wěn)定 2.穩(wěn)壓元件的選擇 在穩(wěn)壓調(diào)整討程中.限流電阻R是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的關(guān)鍵,R必須滿足兩個(gè)條件：

10、 （1）當(dāng)輸入直流電壓最小而負(fù)載電流最大時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最小，這個(gè)電流 應(yīng)大于穩(wěn)壓管的最小工作電流 （2）當(dāng)輸入直流電壓最高而負(fù)載電流最小時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大，這個(gè)電流應(yīng)不超過(guò)穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,所以限流電阻可在下列范圍內(nèi)選擇 例 4.5 設(shè)計(jì)一直流穩(wěn)壓電源，要求輸入的交流電源的電壓為220V，直流電壓輸出為6V,負(fù)載電阻為RL=300歐，采用橋式整流、電容濾波、硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，選擇各元件參數(shù)。 解：直流穩(wěn)壓電源電路如圖4-19所示。,返回,上一頁(yè),4.4 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,若要獲得穩(wěn)定性高且連續(xù)可調(diào)的輸出直流電壓，采用由三極管或集成運(yùn)算放

11、大器所組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的基本原理如圖4-20所示。 整個(gè)電路由四部分組成： （1）取樣環(huán)節(jié) （2）基準(zhǔn)電壓 （3）比較放大環(huán)節(jié) （4）調(diào)整環(huán)節(jié),下一頁(yè),返回,4.4 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,該電路的自動(dòng)調(diào)壓過(guò)程可表示如下：若Uo上升 Uo Uf IB2 IC2 UC2 IB1 UCE1 Uo 比較放大環(huán)節(jié)也可采用集成運(yùn)算放大器，如圖4-21所示,返回,上一頁(yè),4.5 集成穩(wěn)壓電源,集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)用最為普遍的是三端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器，三端式是指穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端。 圖4-22給出其外形圖。 圖4-23為其電路圖形符號(hào)。,下一

12、頁(yè),返回,4.5 集成穩(wěn)壓電源,4.5.1 三端集成穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部原理框圖如圖4-24所示。它采用了串聯(lián)式穩(wěn)壓電源的電路，并增加了啟動(dòng)電路和保護(hù)電路，使用時(shí)更加可靠。 集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)有： （1）最大輸入電壓Uimax （2）最大輸出電壓Uo （3）最大輸出電流Iomax 表4-2列出了CM7800系列三端集成穩(wěn)壓器的部分主要參數(shù),下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.5 集成穩(wěn)壓電源,4.5.2 三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用 1. 基本穩(wěn)壓電路 電路圖如圖4-25所示 電路中輸入電容和輸出電容是用來(lái)減小輸入/輸出電壓的脈動(dòng)和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，防止自激振蕩。 2. 可同時(shí)輸出正負(fù)電

13、壓的電路 如圖4-26連接電路，若選用輸出電壓大小相同、極性相反的三端集成穩(wěn)壓器，則可同時(shí)輸出正負(fù)對(duì)稱的電源。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.5 集成穩(wěn)壓電源,3. 擴(kuò)大輸出電流的電路 當(dāng)負(fù)載所需電流大于穩(wěn)壓器的最大輸出電流時(shí)，可外接功率管采用擴(kuò)展輸出電流，如圖4-27所示，外接PNP型功率管來(lái)擴(kuò)展輸出電流。由圖可得： 負(fù)載電流為 可見輸出電流被擴(kuò)大了。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.5 集成穩(wěn)壓電源,4.5.3 三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器 三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖4-28所示。 調(diào)節(jié)RP（即改變了R2值）就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。 RP應(yīng)按最大輸出電壓值來(lái)選擇 電阻R的作用是使功率管在輸出電流較大

14、時(shí)才能導(dǎo)通,返回,上一頁(yè),先導(dǎo)案例解決,如圖4-29所示的電路可將90VAC-264VAC輸入范圍的50/60Hz交流電壓變換為直流+5V輸出，精度優(yōu)于3%,輸出功率4W，最大輸出電流可達(dá)0.8A。典型變換效率為70%。,返回,圖4-1 半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的原理框圖,返回,圖4-2 單相半波整流電路及其輸出電壓波形圖,返回,圖4-2 單相半波整流電路及其輸出電壓波形圖,返回,圖4-3 單相橋式整流電路圖,返回,圖4-4 單向橋式整流電路圖,返回,圖4-5 單向橋式整流電路的波形圖,返回,圖4-6 單相整流橋模塊實(shí)物接線圖,返回,表4-1 各種整流電路性能比較表,返回,圖4-3 單相橋式整流電路圖,返回,圖4-10 濾波電路圖,返回,圖4-11 單相橋式整流電容濾波電路圖,返回,圖4-12 橋式整流電容濾波電路工作波形圖,返回,圖4-14 單相橋式整流電感濾波電路圖,返回,圖4-19 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,