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直流稳压电源 第十章 第十章直流电源 10 1概述 10 2单相整流及电容滤波电路 10 3串联反馈型线性稳压电路 10 4开关型稳压电路 本章重点和考点 重点掌握整流 滤波和稳压的流程及参数的计算 本章教学时数 4学时 本章讨论的问题 1 如何将50Hz 220V的交流电压变为6V的直流电压 2 220V的交流电压经整流后是否输出220V的直流电压 3 将市场销售的6V直流电源接到收音机上 为什么有的声音清晰 有的含有交流声 4 对于同样标称输出电压为6V的直流电源 在未接收音机时 为什么测量输出端子的电压 有的为6V 而有的为7 8V 10 1概述 图10 1直流稳压电源的方框图 电网电压 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 负载 整流 将交流变为直流的过程 滤波 将脉动的直流电压变为平滑的直流电压 10 2单相整流及电容滤波电路 10 2 1整流电路的分析方法及其基本参数 优点 使用元件少 缺点 输出波形脉动大 直流成分小 变压器利用率低 图10 2 2 一 工作原理 图10 2 1单相半波整流电路 二 主要参数 1 输出电压平均值UO AV 输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 2 负载电流的平均值 3 脉动系数 三 二极管的选择 根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号 二极管的正向电流等于负载电流平均值 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10 的余地 以保证二极管安全工作 10 2 2单相桥式整流电路 图10 2 4单向桥式整流电路 图10 2 5单向桥式整流电路的习惯画法 一 单向桥式整流电路的组成 在实用电路中 多采用全波整流电路 最常用的是单向桥式整流电路 二 工作原理 1 u2 0时 电流由 流出 经D1 RL D2流入 2 u2 0时 电流由 流出 经D3 RL D4流入 图10 2 6单相桥式整流电路的波形图 三 输出电压平均值UO AV 和输出电流的平均IO AV 脉动系数 四 二极管的选择 每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流 所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10 的余地 以保证二极管安全工作 如何实现正 负电源 将桥式整流电路变压器副边中点接地 并将二个负载电阻相连接 且连接点接地 三相整流电路 图10 2 7利用桥式整流电路实现正 负电源 uO1为正 uO2为负 变压器副边的三个端均应接二只二极管 一只接阳极 另一只接阴极 D1D2D3轮流导通 阳极电位高的D先导通 D4D5D6轮流导通 阴极电位低的D先导通 滤波电路的结构特点 电容与负载RL并联 或电感与负载RL串联 交流电压 脉动直流电压 直流电压 10 2 3滤波电路 滤波 将脉动的直流电压变为平滑的直流电压 一 电容滤波电路 图10 2 9 a 滤波电路 滤波电路 滤波电容容量较大 一般采用电解电容器 电容滤波电路利用电容的充放电作用 使输出电压趋于平滑 滤波电路输出电压波形 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析 其电路如图所示 1 滤波原理 电容器的充 放电 RL未接入时 忽略整流电路内阻 充电结束 没有电容时的输出波形 uc RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 无滤波电容时的波形 加入滤波电容时的波形 充电 放电 u2上升 u2大于电容上的电压uc u2对电容充电 uo uc u2时间常数 RL Rint C u2下降 u2小于电容上的电压 二极管承受反向电压而截止 电容C通过RL放电 uc按指数规律下降 时间常数 RLC 放电时间常数 远远大于充电时间常数 滤波效果取决于放电 其值愈大 滤波效果愈好 1 输出电压平均值 当负载开路时 当 RLC 3 5 T 2时 考虑电网电压波动 电容的耐压值应大于 2 外特性及主要参数 2 输出电流平均值 4 脉动系数S 约为10 20 3 整流二极管的平均电流值 只有整流电路输出电压大于uc时 才有充电电流 因此二极管中的电流是脉冲波 二极管中的电流 充电电流 5 整流二极管的导通角 二极管的导通角 6 电容滤波电路的输出特性和滤波特性 1 输出特性 当滤波电容选定后 输出电压平均值UO AV 和输出电流平均值IO AV 的关系 2 滤波特性 脉动系数S和输出电流平均值IO AV 的关系 图10 3 5a电容滤波电路的输出特性 图10 3 5b电容滤波电路滤波的特性 10 2 4其它形式的滤波电路 一 电感滤波电路 L愈大 滤波效果愈好 适用于负载电流较大的场合 二 LC滤波电路 输出直流电压为 脉动系数S 适用于各种场合 图10 3 8单相桥式电感滤波电路 图10 3 9复式滤波电路 a 三 LC 型滤波电路 图10 2 9复式滤波电路 b 四 RC 型滤波电路 图10 2 9复式滤波电路 c 适用于负载电流较小的场合 适用于负载电流较小的场合 三 各种滤波电路的比较 表10 3 1各种滤波电路的性能比较 10 3串联反馈型线性稳压电路 稳压二极管稳压电路输出电流较小 输出电压不可调 串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础 利用晶体管的电流放大作用 增大负载电流 在电路中引入电压负反馈使输出电压稳定 可通过改变反馈网络的参数使输出电压可调 10 3 1串联型稳压电路的工作原理 一 基本调整管电路 10 3 1稳压电路的功能和性能指标 一 内阻Ro 二 稳压系数Sr 三 电压调整率 四 电流调整率 10 3串联反馈型线性稳压电路 基本调整管电路 图10 5 1 b 加晶体管扩大负载电流的变化范围稳压电路 图10 5 1 c 常见画法的稳压电路 T的工作电源为UI 不稳定 输入信号 为稳定电压UZ 在UI变化或负载电阻RL变化时 输出电压基本不变 稳压原理 晶体管的调节作用 T应工作在放大状态 调整管与负载串联 串联型稳压电源电路 调整管工作在线性区 线性稳压电源电路 内阻和稳压系数的估算 1 内阻Ro 2 稳压系数Sr 当rZ RL rZ R时 图10 4 3稳压管稳压电路的交流等效电路 10 4 4电路参数的选择 在选择元件时 应首先知道负载所要求的输出电压UO 负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax 输入电压UI的波动范围 1 稳压电路输入电压UI的选择 UI 2 3 UO 2 稳压管的选择 UZ UO IZM IZ ILmax ILmin IZM ILmax IZ 3 限流电阻R的选择 1 当电网电压最高和负载电流最小时 稳压管IZ的值最大 此时IZ不应超过允许的最大值 即 或 2 当电网电压最低和负载电流最大时 稳压管IZ的值最小 此时IZ不应低于其允许的最小值 即 或 二 具有放大环节的串联型稳压电路 基本调整管稳压电路输出电压仍不可调节 且输出电压将因UBE的变化而变化 稳定性较差 1 电路的构成 图10 5 2具有放大环节的串联型稳压电路 a 原理电路图 电路组成 b 常见画法 采样电路 R1 R2 R3 比较放大电路 A 基准电压电路 由R VDZ提供 调整管 VT 2 稳压原理 UI UO UF UId UBE IC UCE UO 图10 5 2具有放大环节的串联型稳压电路 动画avi 16 1 avi 3 输出电压的可调范围 由于U U UF UZ 所以 当R2的滑动端调至最上端时 UO为最小值 当R2的滑动端调至最下端时 UO为最大值 则 图10 3 2串联型直流稳压电路 4 调整管的选择 一 集电极最大允许电流ICM 二 集电极和发射极之间的最大允许电压U BR CEO 三 集电极最大允许耗散功率PCM 四 稳压电路的输入直流电压 五 变压器副边电压 三 串联型稳压电路的方框图 实用的串联型稳压电路至少包括调整管 基准电压电路 取样电路 比较放大电路四个部分组成 此外为使电路安全工作 还常在电路中加保护电路 图10 5 3串联型稳压电路的方框图 动画avi 16 2 avi 10 3 2集成稳压器中的基准电压电路和保护电路 一 基准电压电路 串联型稳压电路的输出电压取决于基准电压 要求基准电压应具有温度系数为零 输出电阻小 噪声低 1 稳压管基准电压电路 图10 5 5稳压管基准稳压电路 稳压管具有正温度系数 而晶体管具有负温度系数 能进行温度补偿 电路采用射极输出形式 引入电压副负反馈 零温度系数基准电压源电路 基准电压 UREF IER2 mUBE 在m n 稳压管的UZ和二极管的UBE的温度系数确定的情况下 只要R1和R2按要求选定 基准电压温度系数则为零 2 能隙基准电压源电路 CJ336 329 MC1403 AD580 UREF Ugo Ugo为硅材料在0K时外推禁带宽度的电压值基准电压与温度无关 从而获得很好的稳定性 二 保护电路 R4很小 约为1 负载电流超过某一值后 VT2导通 限制VT1中的电流 保护调整管 保护电路的输出特性 正常稳压区 限流保护 1 过流保护电路 限流型 过流时 使调整管发射电流限制在某一数值的电路 图10 5 8 a 图10 5 8 c 在集成稳压器电路内部有各种保护电路 如过流保护 短路保护 调整管安全区保护 芯片过热保护 不适应于大功率电路 截流型过流保护电路 图10 5 9截流型过流保护电路及其输出特性 T1为调整管 R0为取样电阻 它与T2 R1和R2构成保护电路 保护原理 过流时 使调整管发射电流迅速减小到较小数值的电路 2 调整管的安全工作区保护电路 3 芯片过热保护电路 图10 5 10调整管的安全工作区保护电路 图10 5 11芯片过热保护电路 集成稳压器电路图 10 3 3集成稳压器电路 从外形上看 集成串联型稳压电路有三个引脚 分别为输入端 输出端和公共端 因而称为三端稳压器 固定式稳压电路 W78XX W79XX 可调式稳压电路 W117 W217 W317 一 W78XX三端稳压器 稳定正电压 输出电压有七个等级 5V 6V 9V 12V 15V 18V和24V 如W7805 输出 5V W7809 输出 9V 输出电流有三个等级 1 5A 0 5A M 和0 1A L 如W7805 输出 5V 最大输出电流为1 5A W78M05 输出 5V 最大输出电流为0 5A W78L05 输出 5V 最大输出电流为0 1A W79XX系列 稳定负电压 1三端集成稳压器的组成 图10 5 14W7800的原理框图 2 主要参数 输入端和输出端之间的电压允许值为3 13V 二 W117三端集成稳压器 1 原理框图 2 主要参数 10 5 4三端稳压器的应用 一 三端稳压器的外形及电路方框图 图10 5 16三端稳压器的外形和方框图 不同封装形式 正负电源管脚号不同 图 c d 为金属封装式 二 W78XX应用 1 基本应用电路 若输出电压较高 接一保护二极管D 以保护集成稳压器内部的调整管 图10 5 17三端集成稳压器基本应用电路 2 扩大输出电流 VD的作用 补偿三极管的发射结电压 使电路输出电压等于三端集成稳压器的输出电压 图10 5 18扩大三端集成稳压器的输出电流 负载电流的最大值 3 提高输出电压 图10 5 19 4 输出电压可调的稳压电路 图10 5 20