电子技术基础--第九章--直流稳压电源.ppt

10 1小功率整流滤波电路 10 2串联反馈式稳压电路 10直流稳压电源 10 0引言 10 0引言 电子电路都需要稳定的直流电源供电 虽然在有些情况下 如便携设备 可用化学电池作为直流电源 但大多数情况是利用电网提供的交流电源经过转换而得到直流电源的 本章将介绍单相小功率直流电压源的组成和工作原理 电源变压器 将交流电网电压v1变为合适的交流电压v2 整流电路 将交流电压v2变为脉动的直流电压v3 滤波电路 将脉动直流电压v3转变为平滑的直流电压v4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压Vo的稳定 直流稳压电源的组成和功能 整流电路 滤波电路 稳压电路 单相小功率直流电压源一般由四部分组成 电源变压器整流滤波稳压 主要内容 1 小功率整流滤波电路 2 串联反馈式稳压电路基本要求 1 掌握单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算 2 掌握带放大器的串联反馈式稳压电路的稳压原理及输出电压的计算 3 掌握三端集成稳压模块的使用 10 1单相小功率整流滤波电路 10 1 2滤波电路 10 1 1单相小功率整流电路 10 1 1单相小功率整流电路 单相小功率整流电路的分类 一 单相半波整流电路二 单相全波整流电路三 单相桥式整流电路四 倍压整流电路 整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路 对整流电路要研究清楚以下问题 1 电路的工作原理 二极管工作状态 波形分析2 输出电压和输出电流的平均值 输出为脉动的直流电压3 整流二极管的选择 二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压 整流二极管的伏安特性 正偏时导通 管压降为0V 电流决定于外电路反偏时截止 电流为0 两端电压决定于外电路 实际特性 理想化特性 iD vL 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有单向导电性 一 单相半波整流电路 为分析问题简单起见 设二极管为理想二极管 变压器内阻为0 1 电路结构 工作原理 2 主要参数计算 IL VL RL 0 45V2 RL 2 输出电流平均值 直流分量 IL 1 输出电压平均值 直流分量 VL 注意 V2是副边电压的有效值 3 流过二极管的平均电流 4 二极管承受的最高反向电压 ID IL VL RL 0 45V2 RL 选管时应满足 IF ID VBR VRM并留有安全裕量 注意 V2是副边电压的有效值 已知变压器副边电压有效值V2 30V 负载电阻RL 100 试问 1 负载电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少 2 电网电压波动范围是 10 二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少 3 思考 解 VL 0 45V2 0 45 30 13 5V IL VL RL 0 45V2 RL 13 5 100 0 135A ID 1 1IL 1 1 0 135 0 15A 已知变压器副边电压有效值V2 30V 负载电阻RL 100 试问 1 负载电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少 2 电网电压波动范围是 10 二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少 4 总结 优点 电路中所使用的整流二极管数量少缺点 1 输出电压小 2 输出电压 电流的脉动较大 3 电源变压器只在正半周内有电流供给负载 变压器不能充分利用 而且二次绕组中通过含有直流成分的电流 造成铁芯直流磁化 二 单相全波整流电路 变压器副边中心抽头 感应出两个相等的电压v2 当v2正半周时 D1导通 D2截止 当v2负半周时 D2导通 D1截止 1 电路结构 工作原理 1 输出电压平均值 直流分量 VL 2 输出电流平均值 直流分量 IL 2 主要参数计算 3 流过二极管的平均电流 ID IL 2 VL 2RL 0 45V2 RL 4 二极管承受的最高反向电压 整流电路如图所示 变压器副边电压有效值V2 20V 画出输出电压的波形和平均值 整流二极管的最大整流电流和最高反向工作电压 3 思考 4 总结 优点 1 输出电压高 2 输出电压脉动较小 缺点 二极管承受的反向电压高 三 单相桥式整流电路 1 电路结构 工作原理 纹波 直流分量 恒定分量 对输出电压vL的分析 1 输出电压平均值 直流分量 VL 2 主要参数计算 2 输出电流平均值 直流分量 IL 3 纹波系数 谐波电压总的有效值 直流分量 4 流过二极管的平均电流 5 二极管承受的最高反向电压 6 脉动系数S1 用傅氏级数对桥式整流的输出vL分解后可得 单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线 曲线的斜率代表了整流电路的内阻 若二极管D1接反会如何 D1接反 3 思考 v 正半周时 D1D 和D3截止 负载中无电流通过 负载两端无电压 vL 0 v 则负半周时 二极管D2 D1导通 造成电源短路 电流很大 因此变压器及D2 D1将被烧坏 若二极管D1开路会如何 D1开路 v 正半周时 D1和D3截止 负载中无电流通过 负载两端无电压 vL 0 v 负半周时 D 和D 导通 负载中有电流通过 负载电压vL v 电路为单相半波整流电路 若二极管D1击穿短路会如何 D1短路 v 负半周时 情况与D 接反类似 电源及D1或D 也将因电流过大而烧坏 4 桥式整流电路的优点和缺点 优点 输出电压高 纹波电压小管子所承受的反向电压低电源变压器在正负半周内都有电流供给负载 电源变压器得到了充分的应用 效率较高 缺点 二极管用得较多 整流桥堆 集成的桥式整流电路称为整流桥堆 QL51A GQL62A L 额定电流2A 最大反向电压为25V 1000V 四 倍压整流电路 利用倍压整流电路可以得到比输入交流电压高很多倍的输出直流电压 当v2为正半周时 二极管 正向偏置导通 v2通过 2向电容器C1充电 在理想情况下 充电至vC1 V2 极性为右正左负 当v2为负半周时 反偏截止 2正偏导通 电容C2充电 最高可充到vC2 极性为右正左负 当v2再次为正半周时 2反偏截止 3正偏导通 电容C3充电 最高可充到vC3 极性右正左负 依次类推 若在上述倍压整流电路中多增加几级 就可以得到近似几倍压的直流电压 此时只要将负载接至有关电容组的两端 就可以得到相应的多倍压的输出直流电压 在倍压整流电路中 每个二极管承受的最高反向电压为 电容C1的耐压应大于 其余电容的耐压应大于 交流电压 脉动直流电压 直流电压 经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分 但其脉动较大 需要经过滤波电路消除其脉动成分 使其更接近于直流 滤波的方法一般采用无源元件电容或电感 利用其对电压 电流的储能作用达到滤波的目的 10 1 2滤波电路 几种滤波电路 a 电容滤波电路 b 电感电容滤波电路 倒L型 c 型滤波电路 电抗元件 C L 在电路中有储能作用 所以它们具有平波作用 一 电容滤波电路 其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容 该形式电路多用于小功率电源电路中 依靠电容的充放电作用可减小纹波 当变压器副边电压小于电容两端电压时 由电容向负载放电 当变压器副边电压大于电容两端电压时 由电压向电容充电 并向负载提供电压 电路结构 1 空载 RL 时 vc vL v2 vC时 二极管导通 C充电 v2 vC时 二极管截止 C放电 由于RL 无放电回路 所以vC保持 工作原理 2 接入RL 且RLC较大 时 v2 vC时 二极管导通 C充电 v2 vC时 二极管截止 C放电 二极管中的电流 vc vL 2 流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大 1 VL与RLC的关系 RLC愈大 C放电愈慢 VL 平均值 愈大 当整流电路的内阻不太大 几欧姆 且 d 3 5 T 2时 VL 1 1 1 2 V2 数量关系 纯电阻和电容滤波电路的外特性 讨论 已知变压器副边电压有效值为10V 电容足够大 判断下列情况下输出电压平均值VL 1 正常工作 2 C开路 3 RL开路 4 D1和C同时开路 电容滤波电路的优缺点 优点 电路结构简单 输出直流电压VL较高 可达 1 1 1 2 V2 纹波较小 缺点 输出特性较差 适用于负载电压较高 负载变动不大的场合 二 电感滤波电路 利用储能元件电感器 的电流不能突变的性质 把电感 与整流电路的负载 L相串联 也可以起到滤波的作用 适于大电流负载 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 电压大部分降在电感上 因此 在输出端得到比较平滑的直流电压 VL 0 9V2 1 当v2正半周时 D1 D3导电 电感中的电流将滞后v2 2 当负半周时 电感中的电流将经由D2 D4提供 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 三 其他形式的滤波电路 改善滤波特性的方法 采取多级滤波 如 L C型滤波电路 在电感滤波后面再接一电容 RC 型滤波电路 在电容滤波后再接一级RC滤波电路 性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似 LC 型滤波电路 在电容滤波后面再接L C型滤波电路 10 2串联反馈式稳压电路 10 2 1稳压电源指标 10 2 3串联反馈式稳压电路工作原理 10 2 4三端集成稳压器 10 2 5三端集成稳压器的应用 10 2 2并联型稳压电路 稳压电路的作用 使直流电路在电网波动 负载变化 温度变化等因素影响下保证输出电压稳定 稳压电源类型 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 特性指标允许的输入电压允许的输出电压输出电流输出电压调节范围质量指标 衡量输出直流电压的稳定程度稳压系数输出电阻温度系数纹波电压 稳压电路输出端交流分量的有效值 毫伏数量级 表示输出电压的微小波动 10 2 1稳压电源的技术指标 输出电压 10 2 1稳压电源质量指标 输出电压变化量 输入调整因数 电压调整率 稳压系数 反映了输入电压波动对输出电压的影响 输出电阻 温度系数 正常稳压时VO VZ 稳压管自动调节电流的作用是稳定输出电压的关键 10 2 2并联型稳压管稳压电路 稳压管稳压电路的缺点 1 输出直流电压由稳压管的稳定电压决定 不能任意调节 2 硅稳压管稳压电路的输出电流受稳压管工作电流的限制 数值不能很大 3 输出直流电压的稳定度还不够高 4 带负载能力差 改进 1 提高带负载能力 在输出端加一射极输出器 改进 2 使输出电压可调 在射极输出器前加一带有负反馈的放大器 调节反馈系数即可调节放大倍数 VO AVFVZ 0 7V 为了进一步稳定输出电压 将反馈元件接到输出端 正电压可调电源 调节W 可调节R2部分的阻值比 改变输出电压 VZ 10 2 3串联反馈式稳压电路的工作原理 输入电压波动 负载电流变化 输出电压变化 电压串联负反馈 输出电压 满足深度负反馈条件 VF VF VREF 设计稳压电路的基本关系式 1 输入电压变化时 2 负载电流变化时 例题 整流滤波电路和串联稳压电路如图示 设变压器副边电压有效值V2 15V R1 R2 3K VZ 4 5V 估算整流滤波电路的输出电压VO1和稳压输出VO2 例题 桥式整流电容滤波电路和串联稳压电路及参数如图示 设变压器副边电压有效值V2 20V 设T2的VBE2 0 7V 估算整流滤波电路的输出电压VO1和稳压输出VO2的调节范围 一 带隙基准电压源 10 2 3三端集成稳压器 电阻R2上的压降 所以 输出的基准压 特点 温度特性好 当时 温度系数为0 二 输出电压固定的三端集成稳压器 正电压78 负电压79 常用的集成三端稳压器的外形及类型 类型 W7800系列 稳定正电压W7805输出 5VW7809输出 9VW7812输出 12VW7815输出 15VW7900系列 稳定负电压W7905输出 5VW7909输出 9VW7912输出 12VW7915输出 15V 1端 输入端2端 公共端3端 输出端 78 系列输出为正电压 输出电流可达1A 如78L 系列和78M 系列的输出电流分别为0 1A和0 5A 它们的输出电压分别为5V 6V 9V 12V 15V 18V和24V等7挡 78 系列对应的有79 系列 它输出为负电压 如79M12表示输出电压为 12V和输出电流为0 5A 1 固定式应用举例 C1 C2防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰 C3减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰 当输入端短路时 D给电容C3一个放电通路 防止C3两端电压击穿调整管的be结 注意 输入电压VI一般应比输出电压端Vo高3V以上 输出正负电压 试分别求出图示电路当R4滑动头在最上端和最下端时输出电压的表达式 输出电压可调 直流稳压电路如图所示 已知集成稳压器7805的2 3端电压V23 5V 求输出电压Vo的表达式 输出电压可调 直流稳压电路如图所示 已知集成稳压器7824的2 3端电压V23 24V 求输出电压Vo和输出电流Io的表达式 输出电压可调 扩大输出电流 T1是扩大输出电流的大功率BJT T2管是T1的保护管 当输出电流较小 R2上的压降也较小 T1 T2管都不导通 IO I 当输出电流大于三端稳压器的输出电流时 使R2上的压降变大 T1导通