第十章 直流電源

1、第十章,直流電源,10.1 直流電源的組成,10.2 整流電路,10.3 濾波電路,10.4 穩(wěn)壓電路,10.1 直流電源的組成,直流電源的組成及各部分的作用,改變電壓值通常為降壓,交流變脈動的直流,減小脈動,1) 負(fù)載變化輸出電壓基本不變； 2) 電網(wǎng)電壓變化輸出電壓基本不變。,直流電源是能量轉(zhuǎn)換電路，將220V（或380V）50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。,半波整流,全波整流,在分析電源電路時要特別考慮的兩個問題：允許電網(wǎng)電壓波動10，且負(fù)載有一定的變化范圍。,10.1 直流電源的組成,10.2 整流電路,10.3 濾波電路,10.4 穩(wěn)壓電路,10.2 整流電路,單相整流電路,對整流電路要

2、研究清楚以下問題： 1. 電路的工作原理：二極管工作狀態(tài)、波形分析 2. 輸出電壓和輸出電流的平均值：輸出為脈動的直流電壓 3. 整流二極管的選擇：二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓,為分析問題簡單起見，設(shè)二極管為理想二極管，變壓器內(nèi)阻為0。,整流二極管的伏安特性：,實際特性,理想化特性,正向?qū)妷簽?，正向電阻為0。,1. 單相半波整流電路,（1）工作原理,u2的正半周，D導(dǎo)通， ADRLB，uO= u2 。,u2的負(fù)半周，D截止，承受反向電壓，為u2； uO=0。,（2）UO（AV）和 IL（AV）的估算 已知變壓器副邊電壓有效值為U2,考慮到電網(wǎng)電壓波動范圍為10，二極管的

3、極限參數(shù)應(yīng)滿足：,（3）二極管的選擇,2. 單相橋式整流電路,u2的正半周 AD1RLD3B，uO= u2,u2的負(fù)半周 B D2RLD4 A，uO= -u2,四只管子如何接？,集成的橋式整流電路稱為整流堆。,（1）工作原理,若接反了呢？,（2）估算,（3）二極管的選擇,考慮到電網(wǎng)電壓波動范圍為10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足：,10.1 直流電源的組成,10.2 整流電路,10.3 濾波電路,10.4 穩(wěn)壓電路,10.3 濾波電路,（1）工作原理,1. 電容濾波電路,按指數(shù)規(guī)律下降,濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動變小。,（1）工作原理：考慮變壓器和整流電路的內(nèi)阻,C 越大， RL越大， 放電將

4、越大，曲線越平滑，脈動越小。,內(nèi)阻使,（2）二極管的導(dǎo)通角,導(dǎo)通角,無濾波電容時。 有濾波電容時 ，且二極管平均電流增大，故其峰值很大！,小到一定程度，難于選擇二極管！,簡單易行，UO（AV）高，C 足夠大時交流分量較小；不適于大電流負(fù)載。,（3）電容的選擇及UO（AV）的估算,若負(fù)載開路 UO（AV）？,（4）優(yōu)缺點,2. 電感濾波電路,當(dāng)回路電流減小時，感生電動勢的方向阻止電流的減小，從而增大二極管的導(dǎo)通角。 電感對直流分量的電抗為線圈電阻，對交流分量的感抗為L。,適于大電流負(fù)載！,3. 復(fù)式濾波電路,為獲得更好的濾波效果，可采用復(fù)式濾波電路。,電感應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)，電容應(yīng)與負(fù)載并聯(lián)。,4.

5、倍壓整流電路,分析時的兩個要點：設(shè)負(fù)載開路，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。,u2負(fù)半周，u2加C1上電壓對C2充電：PD2C2A，最終,u2正半周C1充電：AD1C1B，最終,P,討論一,已知變壓器副邊電壓有效值為10V，電容足夠大，判斷下列情況下輸出電壓平均值UO（AV）？ 1. 正常工作； 2. C開路； 3. RL開路； 4. D1和C同時開路。,討論二,整流電路如圖所示，分別求解下列兩種情況下輸出電壓的波形和平均值、整流二極管的最大整流電流和最高反向工作電壓。 1. 變壓器副邊電壓有效值U21U2220V； 2. U2122V、 U2222V。,10.1 直流電源的組成,10.2 整流電路,10.3

6、濾波電路,10.4 穩(wěn)壓電路,10.4 穩(wěn)壓電路,一、穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo),1. 輸出電壓 2. 輸出電流 3. 穩(wěn)壓系數(shù) 表明電網(wǎng)電壓波動時電路的穩(wěn)壓性能。 在負(fù)載電流不變時，輸出電壓相對變化量與輸入電壓變化量之比。,4. 輸出電阻 表明負(fù)載電流變化時電路的穩(wěn)壓性能。 在電網(wǎng)電壓不變時，負(fù)載變化引起的輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量之比。,5. 紋波電壓 測試出輸出電壓的交流分量。,二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,穩(wěn)定電壓 UZ：穩(wěn)壓管的擊穿電壓 穩(wěn)定電流 IZ：使穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)的最小電流 最大耗散功率 PZM：允許的最大功率， PZM= IZM UZ 動態(tài)電阻 rz：工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，rzU /

7、 I,1. 穩(wěn)壓管的伏安特性和主要參數(shù),2. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理,3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的主要指標(biāo),（1）輸出電壓 UOUZ （2）輸出電流 IZmax IZmin IZM IZ （3）穩(wěn)壓系數(shù),（4）輸出電阻,簡單易行，穩(wěn)壓性能好。適用于輸出電壓固定、輸出電流變化范圍較小的場合。,4. 特點,5. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計,（1）UI的選擇 UI（23）UZ （2）穩(wěn)壓管的選擇 UZUO IZMIZ ILmax ILmin （3）限流電阻的選擇 保證穩(wěn)壓管既穩(wěn)壓又不損壞。,電網(wǎng)電壓最低且負(fù)載電流最大時，穩(wěn)壓管的電流最小。,電網(wǎng)電壓最高且負(fù)載電流最小時，穩(wěn)壓管的電流最大。,若求得RminRma

8、x，怎么辦？,討論一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計,依次選擇穩(wěn)壓管、 UI、 R、 C、U2、二極管 1. 輸出電壓、負(fù)載電流穩(wěn)壓管 2. 輸出電壓UI 3. 輸出電壓、負(fù)載電流、穩(wěn)壓管電流、 UI R 4. UI 、 R 濾波電路的等效負(fù)載電阻C 5. UI U2 6. U2、 R中電流整流二極管,已知輸出電壓為6V，負(fù)載電流為030mA。試求圖示電路的參數(shù)。,三、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,1. 基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路,為了使穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出大電流，需要加晶體管放大。,穩(wěn)壓原理：電路引入電壓負(fù)反饋，穩(wěn)定輸出電壓。,調(diào)整管的作用及如何提高穩(wěn)壓性能,不管什么原因引起UO變化，都將通過UCE的調(diào)節(jié)使UO穩(wěn)定，故稱晶體

9、管為調(diào)整管。,若要提高電路的穩(wěn)壓性能，則應(yīng)加深電路的負(fù)反饋，即提高放大電路的放大倍數(shù)。,2. 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,（1）穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使UO增大,（2）輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍,同相比例 運算電路,則 UO UN UB UO,（3）串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成及其作用,調(diào)整管,取樣電阻,調(diào)整管：是電路的核心，UCE隨UI和負(fù)載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定UO。,比較放大,基準(zhǔn)電壓,基準(zhǔn)電壓：是UO的參考電壓。,取樣電阻： 對UO 的取樣，與基準(zhǔn)電壓共同決定UO 。,比較放大：將UO 的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。,（4）串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇,IEmaxIR1ILmax

10、 ILmax ICM UCEmaxUImax UOmin U(BR)CEO PTmax IEmax UCEmax PCM,根據(jù)極限參數(shù)ICM、 U(BR)CEO、PCM 選擇調(diào)整管！,應(yīng)考慮電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載電流的變化！,討論二：對于基本串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論,3. 若電網(wǎng)電壓波動10， UI為28V ， UO為10V20V ；晶體管的電流放大系數(shù)為50，PCM5W，ICM1A；集成運放最大輸出電流為10mA，則最大負(fù)載電流約為多少？,1. 若UO為10V20V，R1R31k，則R3和UZ各為多少？ 2. 若電網(wǎng)電壓波動10， UO為10V20V，UCES3V，UI至少選取多少伏？,討論三：關(guān)

11、于實用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論,1. 標(biāo)出集成運放的同相輸入端和反相輸入端； 2. 電路由哪些部分組成？ 3. UI21V，R1 R2 R3300，UZ6V， UCES3V， UO？ 4. 如何選取R和R？,輸出電流取樣電阻,討論三：關(guān)于實用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論,5. 取樣電阻的取值應(yīng)大些還是小些，為什么？它們有上限值嗎？ 6. 若電路輸出紋波電壓很大，則其原因最大的可能性是什么？ 7. 根據(jù)圖中過流保護(hù)電路的原理組成一種限流型過流保護(hù)電路。,四、集成穩(wěn)壓器（三端穩(wěn)壓器）,輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 輸出電流：1.5A（W7800）、0.5A （W78M00）、0.

12、1A（W78L00）,1. W7800系列（1）簡介,（2）基本應(yīng)用,消除高頻噪聲,使Co不通過穩(wěn)壓器放電,抵銷長線電感效應(yīng)，消除自激振蕩,將輸入端接整流濾波電路的輸出，將輸出端接負(fù)載電阻，構(gòu)成串類型穩(wěn)壓電路。,（3）輸出電流擴(kuò)展電路,為使負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器的輸出電流，可采用射極輸出器進(jìn)行電流放大。,很小,三端穩(wěn)壓器的輸出電壓,若UBE= UD，則,二極管的作用：消除UBE對UO的影響。,（4）輸出電壓擴(kuò)展電路,IW為幾mA，UO與三端穩(wěn)壓器參數(shù)有關(guān)。,隔離作用,基準(zhǔn)電壓,電路復(fù)雜,2. 基準(zhǔn)電壓源三端穩(wěn)壓器 W117,輸出電壓UREF1.25V，調(diào)整端電流只有幾微安。,減小紋波電壓,討論

13、四：W117的應(yīng)用,1. R1的上限值為多少？ 2. UO可能的最大值為多少？ 3. 輸出電壓最小值為多少？ 4. UOmax30V，選取R1、 R2； 5. 已知電網(wǎng)電壓波動10，輸出電壓最大值為30V， UI至少取多少伏？,決定于IOmin,兩種情況：1.已知UI 2.自己選取UI,決定于W117的輸出,輸入電壓最低、輸出電壓最高時， UIUO3V。,根據(jù)輸出電壓表達(dá)式,討論五：集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用,1. 基準(zhǔn)電壓為多少？ 2. UO的表達(dá)式？ 3. 為使W7812不因輸入端和輸出端之間電壓太大而損壞，可采用什么方法？,五、開關(guān)型穩(wěn)壓電路 1. 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的特點,線性穩(wěn)壓電源：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)

14、節(jié)方便，輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，紋波電壓小。缺點是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，因而功耗大，效率低（2049）；需加散熱器，因而設(shè)備體積大，笨重，成本高。 若調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高效率，開關(guān)型穩(wěn)壓電源的效率可達(dá)7095。體積小，重量輕。適于固定的大負(fù)載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的場合。,構(gòu)成開關(guān)型穩(wěn)壓電源的基本思路,將交流電經(jīng)變壓器、整流濾波 得到直流電壓 控制調(diào)整管按一定頻率開關(guān)，得到矩形波 濾波，得到直流電壓,引入負(fù)反饋，控制占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。,2. 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路 （1）基本電路 電路組成及工作原理,T截止， D導(dǎo)通， uE UD ；L 釋放能量，C 放電。,T、D 均

15、工作在開關(guān)狀態(tài)。,T飽和導(dǎo)通， D截止，uE UI；L 儲能，C 充電。,uBUH時,uBUL時, 波形分析及輸出電壓平均值,關(guān)鍵技術(shù)：大功率高頻管，高質(zhì)量磁性材料 穩(wěn)壓原理：若某種原因使輸出電壓升高，則應(yīng)減小占空比。, 穩(wěn)壓原理,脈沖寬度調(diào)制式：PWM電路作用： UO Ton UO ,其它控制方式： 脈沖頻率調(diào)制式： UO T（脈寬不變） UO 混合調(diào)制式： UO T Ton UO ,在串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路中 UO UI，故為降壓型電路。, 脈寬調(diào)制電路的基本原理,比較放大電路,電壓 比較器,調(diào)整管,UO UN1 UO1 (UP2)uB1的占空比 UO,UO UN1 UO1 (UP2)uB1的占空比UO,uP2與uB1占空比的關(guān)系,UP2,