第一模块直流稳压电源.ppt

直流稳压电源 第8章 内容导航 8 0教学基本要求 8 1概述 8 2硅稳压管稳压电路 8 3具有放大环节的串联型稳压电路 8 4稳压电路的质量指标 8 5集成三端式稳压器 8 6开关型稳压电源 本章教学基本要求 8 1概述 二 电子装置中对直流电源的要求 考虑到电网电压 负载变化的影响因素 所以必须要求 经过整流 滤波的后直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载 一 电源分类1 普通电源开关电源 逆变电源 稳压电源 通信电源 整流电源等 2 特种电源高压电源 医疗电源 军用电源 其他特种电源 二 直流电源系统的组成 从交流电获得直流电相比于从电池 蓄电池化学电源要更廉价且方便 将电网交流电源经变换 整流 滤波 稳压后组成的直流稳压电源 经济容量范围大 性能优良 小功率直流稳压系统由电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路组成 电源变压 将交流电网电压变为合适的交流电压 整流电路 将交流电压变为脉动的直流电压 滤波电路 将脉动直流电压转变为平滑的直流电压 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压的稳定 2 各环节的作用 4 几种单相整流电路的组成及工作原理回顾 单相半波整流电路 在的正半周 二极管D承受正压而导通 在的负半周 二极管D承受反压而截止 在负载电阻上正负半周经过合成 得到的是同一个方向的单向脉动电压 单相桥式整流电路的波形图如图所示 单相脉动电压的平均值用直流电压等效 流过负载的平均流 因四个二极管两两轮流导通 故流过二极管的平均电流 ID IL 2 二极管所承受的最大反向压为副边电压最大值 5滤波电路 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 原理 利用储能元件电容两端的电压 或通过电感中的电流 不能突变的特性 滤掉整流电路输出电压中的交流成份 保留其直流成份 达到平滑输出电压波形的目的 电容滤波电路 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析 其电路如图所示 滤波原理 1 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 2 RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 电容通过RL放电 在整流电路电压小于电容电压时 二极管截止 整流电路不为电容充电 uo会逐渐下降 只有整流电路输出电压大于uo时 才有充电电流iD 因此整流电路的输出电流是脉冲波 整流电路的输出电流iD 可见 采用电容滤波时 整流管的导通角较小 电容充电时 电容电压滞后于u2 RLC越小 输出电压越低 3 RL接入 且RLC较大 时 考虑整流电路内阻 电容滤波电路的特点 2 UL与RLC的关系 RLC愈大 C放电愈慢 UL 平均值 愈大 近似估算 UL 1 2U2 1 整流管导电时间越短 的峰值电流越大 使用条件 各种电路参数比较 电感滤波 电路结构 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路 滤波原理 对直流分量 XL 0相当于短路 电压大部分降在RL上 对谐波分量 f越高 XL越大 电压大部分降在XL上 因此 在输出端得到比较平滑的直流电压 电感滤波电路 当负半周时 电感中的电流将经由D2 D4提供 当正半周时 D1 D3导电 电感中的电流将滞后 波形图中为交流电源整流后的波形 电感滤波电路 因桥式电路的对称性 和电感中电流的连续性 四个二极管D1 D3 D2 D4的导通角都是180 电感滤波电路 输出电压平均值 UL 0 9U2 整流管导电角较大 峰值电流很小 输出特性比较平坦 适用于低电压大电流 RL较小 的场合 缺点是电感铁芯笨重 体积大 易引起电磁干扰 电感滤波的特点 例 设计一单相桥式整流 电容滤波电路 要求输出电压V 已知负载电阻 交流电源频率为50Hz 试选择整流二极管和滤波电容器 解 流过整流二极管的平均电流 mA 变压器副边电压有效值 V 整流二极管承受的最高反向电压 V 例 设计一单相桥式整流 电容滤波电路 要求输出电压V 已知负载电阻 交流电源频率为50Hz 试选择整流二极管和滤波电容器 解 因此可选择2CZ11B作整流二极管 其最大整流电流为1A 最高反向工作电压为200V 取S则 F 其它滤波电路 为进一步改善滤波特性 可将上述滤波电路组合起来使用 倒L型滤波电路 II型滤波电路 和C型滤波电路多用于小功率电源中 多用于较大功率电源中 而且当电流很大时仅用一电感器与负载相连 表1各种滤波器的比较 8 2稳压电路 硅稳压管 稳压电路 开关型 稳压电路 线性 稳压电路 常用稳压电路 小功率设备 以下主要讨论线性稳压电路 电路最简单 但是带负载能力差 一般只提供基准电压 不作为电源使用 效率较高 目前用的也比较多 但因学时有限 这里不做介绍 8 2 1硅稳压管稳压电路 1稳压电路的作用 整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还有相当的距离 主要存在两方面的问题 第一 当负载电流变化时 由于整流滤波电路存在内阻 因此输出直流电压将随之发生变化 第二 当电网电压波动时 因整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关 因此也要相应地变化 在整流滤波电路的后面再加上稳压电路 以提供更加稳定的直流电源 2硅稳压管的伏安特性 稳压原理 利用稳压管的反向击穿特性 在反向击穿区 较大的电流变化 只会引起较小的电压变化 根据伏安特性 若工作电流太小 例如在零电流附近 则电压随电流的变化很大 即稳压性能不好 工作电流太大 则由可能超过管子的额定功耗 造成损坏 故稳压管应工作在规定的电流范围内 3硅稳压管稳压电路及稳压过程 UI为整流滤波后所得的直流电压 为保证工作在反向击穿区 二极管VDZ反接 电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时 调节R本身压降来保持输出电压基本不变 稳压过程如下 电网电压波动时 3硅稳压管稳压电路及稳压过程 UI为整流滤波后所得的直流电压 为保证工作在反向击穿区 二极管VDZ反接 电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时 调节R本身压降来保持输出电压基本不变 稳压过程如下 负载电流变化时 内阻和稳压系数的估算 1 内阻RO 直流输入电压UI不变时 输出端的与之比 其交流等效电路如图所示 由于一般情况下能够满足 故上式可化简为 由此可知 越小 则稳压电路的内阻也越小 当负载变化时 稳压电路的稳压性能越好 内阻和稳压系数的估算 2 稳压系数 不变时 稳压电路的输出电压与输入电压的相对变化量之比 其交流等效电路如图所示 则 当满足 时 则 越小 越大 则越小 稳压电路的稳压性能越好 限流电阻的选择 限流电阻的阻值必须选择适当 才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时 很好地实现稳压作用 2 太小 则很大 当很大或开路时 都流向稳压管 可能超过其允许定额而造成损坏 1 当电网电压最高和负载电流最小时 的值最大 此时不应超过允许的最大值 即 式中为稳压管的标称稳压值 2 当电网电压最低和负载电流最大时 的值最小 此时不应低于其允许的最小值 即 如以上两式不能同时满足 例如既要求 又要求 则说明在给定条件下已超出稳压管的工作范围 需限制输入电压或负载电流的变化范围 或选用更大容量的稳压管 试选择限流电阻R 估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数 解 由给定条件知 则 可取 电阻上消耗的功率可选200 1W的碳膜电阻 RT 1W 200 再由给定条件可求得 则输出电阻为 估算稳压系数时 取则 当输出电压不需要调节 负载电流比较小的情况下 硅稳压管稳压电路的效果较好 所以在小型的电子设备中经常采用这种电路 缺点 1 输出电压由稳压管的型号决定 不可随意调节 2 电网电压和负载电流的变化范围较大时 电路将不能适应 为了改进以上缺点 可以采用串联型直流稳压电路 8 3串联型直流稳压电路 1组成和工作原理 串联型直流稳压电路的原理图如图所示 包括四个组成部分 1 采样电阻 由电阻R1 R2 R3组成 当输出电压发生变化时 采样电阻取其变化量的一部分送到放大电路的反相输入端 1组成和工作原理 2 放大电路 放大电路A的作用时将稳压电路输出电压的变化量进行放大 然后再送到调整管的基极 如果放大电路的放大倍数比较大 则只要输出电压产生一点微小的变化 即能引起调整管的基极电压发生较大的变化 1组成和工作原理 3 基准电压 基准电压由稳压管VDZ提供 接到放大电路的同相输入端 采样电压与基准电压进行比较后 再将二者的差值进行放大 电阻R的作用是保证VDZ有一个合适的工作电流 1组成和工作原理 4 调整管 当输出电压Uo由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时 其变化量经采样 比较 放大后送到调整管的基极 使调整管的集 射电压发生相应的变化 最终调整输出电压使之基本保持稳定 1组成和工作原理 稳压原理 实质 电压负反馈 稳压过程 二 输出电压的调节 输出电压可以通过改变采样电阻中电位器的滑动端位置在一定范围内调节 R2滑动端向上移动 反之 若R2滑动端向下移动 则Uo增大 二 输出电压的调节 假设放大电路A是理想运放 且工作在线性区 则U U UZ UF 而且两个输入端不取电流 则 则 当R2的滑动端调至最上端时 Uo达到最小值 此时 当R2的滑动端调至最下端时 Uo达到最大值 此时 例 设如图所示串联型直流稳压电路中 稳压管为2CW14 其稳定电压为UZ 7V 采样电阻R1 3K R2 2K R3 3K 试估算输出电压的调节范围 解 解 因此 稳压电路输出电压的调节范围是 11 2 18 7V 例 设如图所示串联型直流稳压电路中 稳压管为2CW14 其稳定电压为UZ 7V 采样电阻R1 3K R2 2K R3 3K 试估算输出电压的调节范围 三 调整管的选择 调整管不仅需要根据外界条件的变化 随时调整本身的管压降 以保持输出电压稳压 还要提供负载所要求的全部电流 因此调整管的功耗比较大 通常采样大功率的三极管 为了保证调整管的安全 在选择三极管的型号时 应对三极管的主要参数进行初步的估算 假设流过采样电阻的电流为IR 则 1 集电极最大允许电流ICM 调整管的选择 正常工作时调整管上的压降约为几伏 负载短路时UI全部加在调整管两端 在电容滤波电路中 UI可能接近于变压器副边电压峰值 再考虑电网可能有的波动 因此 根据调整管可能承受的最大反向电压 应选择三极管的参数为 式中是空载时整流滤波电路的最大输出电压 调整管的选择 3 集电极最大允许耗散功率PCM 调整管的功耗为 故 为保证调整管工作在放大状态 UCE通常为 3 8 V 故 若为桥式整流 电容滤波电路 并考虑到电网电压可能有的波动 要求变压器副边电压为 调整管的选择 例 如图 要求输出电压UO 10 15V 负载电流IL 0 100 mA 已选定基准电压的稳压管为2CW1 其稳定电压UZ 7V IZmin 5mA IZmax 33mA 若选用3DD2C 其主要参数 ICM 0 5A U BR CEO 45V PCM 3W 假设采样电阻总的阻值选定为2k 左右 则R1 R2 R3三个电阻分别为多大 解 因 故 取 故 则 则 取 在确定了采样电阻R1R2R3的阻值以后再来验算输出电压的变化范围是否符合要求 此时 输出电压的实际变化范围为 所以符合给定的要求 估算电源变压器副边电压的有效值U2 解 稳压电路的直流输入电压的有效值为 取 则变压器副边电压的有效值为 估算基准稳压管的限流电阻R的阻值 解 基准电压支路中的电阻R的作用是保证稳压管VDZ的工作电流比较合适 通常使稳压管中的电流略大于其最小参考电流值IZmin 可认为 故基准稳压管的限流电阻应为 验算稳压电路中的调整管是否安全 解 根据稳压电路的各项参数 可知调整管的主要技术指标应为 已知低频大功率三极管3DD2C的ICM 0 5A U BR CEO 45V PCM 3W 可见调整管的参数符合安全的要求 而且留有一定的余地 8 3稳压电路的质量指标 一 稳压系数 电压调整特性 Sr 为负载不变时 输出电压与输入电压相对变化量之比 二 负载调整特性SI 为输入电压不变时输出电压的相对变化量与负载电流之比 反映了负载变化对输出电压稳定性的影响 三 输出电阻Ro Ro越小负载变化对输出电压Uo的影响越小 带载能力越强 四 纹波抑制比SR 为输入纹波电压峰值UIP与输出纹波电压峰值UOP之比 反映输入电压UI中含100Hz交流分量峰值或纹波电压有效值经稳压后的减小程度 8 4 1概述 8 4 2三端式固定输出集成稳压器 8 4集成三端稳压器 8 4 3三端式可调集成稳压器 特点体积小 重量轻 外围元件少 使用调整方便和价廉 8 4 1概述 2 类型 按结构分 串联型 并联型 开关型 串联型 调整元件和负载RL为串联关系 并联型 调整元件和负载RL为并联关系 开关型 调整管工作在开 关状态 按输出电压类型分 固定式 可调式 按输出电压极性分 正电输出 负电压输出 8 4 2三端式固定输出集成稳压器 CW7800系列 正电源 CW7900系列 负电源 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 一 78 79系列的型号命名 输出电流 78L 79L 输出电流100mA 78M 9M 输出电流500mA 78 79 输出电流1 5A 输出电压 例如 CW7805输出5V 最大电流1 5A CW78M05输出5V 最大电流0 5A CW78L05输出5V 最大电流0 1A 1 封装 塑料封装 金属封装 二 外型和封装和使用要求 2 符号 3 使用注意为使调整管工作在放大区 应使 UI UO 3V 但考虑调整管功耗 也不宜过大 地端静态电流IQ 8mA 三 典型应用线路系统 1 输出固定电压的单组电源稳压电路 防止输入端短路时C3反向放电损坏稳压器 解 选W7805取 UI UO 3V则UI 8VI O 308mA 取UI 7V 2 对二极管参数要求 正向平均电流 最大反向电压 例8 4 1 要求UO 5V IOM 300mA 选用三端稳压器 桥式整流二极管 滤波电容和变压器 设变压器 T 0 6 3 选滤波电容 T 1 50Hz 0 02s 可选1500 F 25V铝电解电容 4 电源变压器容量 二次电流有效值 取I2 500mA 二次侧容量 一次侧容量 平均容量 散热器可取大于规定面积100 100 4mm3 IO 1 5A UXX 为W78XX固定输出电压UO UXX UZ 2 1 提高输出电压的电路 2 2 具有短路保护环节扩大输出电流的稳压电路 T1与三端器件内部调整管并联 扩大输出电流 负载较轻时T1截止 当负载电流 IRR T1导通分流 IO IO IC1 T2 Rs构成短路保护 T2在正常时截止 过流时导通 导通后UCE2 使UBE1 IC1 起到限流的作用 3 正 负对称输出两组电源的稳压电路 当负电源输入断开时 三端稳压器输出将承受对地反压 加保护管后 D6正偏导通 限制反压为0 7V 同理 D5保护正电源 4 输出电压可调式电路 用三端稳压器也可以实现输出电压可调 下图是用W7805组成的7 30V可调式稳压电源 W7805 UXX 5V 运算放大器作为电压跟随器使用 它的电源就借助于稳压器的输入直流电压 由于运放的输入阻抗很高 输出阻抗很低 可以克服稳压器受输出电流变化的影响 Uo1 8 4 3三端式可调集成稳压器 一 概述 CW117 217 317系列 正电源 CW137 237 337系列 负电源 工作温度 CW117 137 55 150 CCW217 237 25 150 CCW317 337 0 125 C 基准电压 1 25V 输出电压 1 2 37V 可调 最大输出电流 1 5A 电压调整率 0 01 V 负载调整率 0 1 输入与输出电压差允许范围 3 40V 二 W117符号和外形图 符号图 外形图 说明 不同公司产品的引脚排列可能不同 三 基本应用电路 UREF 1 25V IA 50 A 使UREF很稳定 一般RL开路时流过R1电流IR1 5 10mA R1 UREF IR1 125 250 C2用于提高纹波抑制比 可达80dB C3用于抑制容性负载时的阻尼振荡 C1用于消除输入长线引起的自激振荡 D1防止输入端短路时C3反向放电损坏稳压器 D2防止输出端短路时C2通过调整端放电损坏稳压器 8 5 1开关型稳压电源的特点和类型 8 5 2它激式开关型稳压电源的基本工作原理 8 5开关稳压电源 8 5 3SW 3524集成