电子电工学第06章.ppt

第6章 直流稳压电源 本章教学基本要求 了解直流稳压电源的基本组成及工作原理 了解组成直流稳压电源的整流电路 滤波电路及稳压电路的工作原理了解稳压管稳压电路的工作原理及特点了解串联型稳压电源的组成 工作原理与特点了解线性集成稳压电源的工作原理一般了解开关型稳压电源的工作原理与特点本章讲授 3学时自学 9学时 主要内容 直流稳压电源的组成整流滤波电路稳压电路与稳压电源本章小结 直流稳压电源的组成 组成框图与各部分的作用 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo的稳定 直流稳压电源的组成 半导体直流电源的原理方框图 交流电源 负载 变压 整流 滤波 稳压 电源是生产和实验中的重要能源 许多大功率场合下需要交流电 但电解 电镀及直流电动机需要直流电 而在电子线路和自动控制装置中还需要电压非常稳定的直流电 为了得到直流电 除直流发电机外 更广泛采用的就是半导体直流电源 整流滤波电路 整流电路滤波电路 整流电路 整流电路的任务 交流电压转变为直流脉动的电压 整流电路的结构 常见的小功率整流电路 有单相半波 全波 桥式和倍压整流等 整流电路的分析 把二极管当作理想元件处理 即二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 整流电路 单相半波整流电路 u2 0时 二极管导通 忽略二极管正向压降 uo u2 u2 0时 二极管截止 输出电流为0 uo 0 原理分析 整流电路 参数计算 4 输出电压平均值 1 输出电压波形 3 二极管上承受的最高电压 2 二极管上的平均电流 ID IL U0 整流电路 例1 有一单相整流电路 负载电阻为750 变压器副边电压为20V 试求Uo Io及UDRM 并选用二极管 解 查二极管参数 选用2AP4 16mA 50V 为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右 整流电路 单相全波整流电路 4 uo平均值 Uo 0 9U2 1 输出电压波形 3 二极管上承受的最高电压 2 二极管上的平均电流 整流电路 单相桥式整流电路 单相半波整流电路只利用了电源的半个周期 并且整流电压的脉动较大 为此常采用全波整流电路 最常见的就是单相桥式整流电路 整流电路 单相桥式整流电路 u2正半周时电流通路 工作原理 整流电路 单相桥式整流电路 工作原理 u2负半周时电流通路 整流电路 单相桥式整流电路 波形分析 u2 0时 D1 D3导通D2 D4截止电流通路 A D1 RL D3 B u2 0时 D2 D4导通D1 D3截止电流通路 B D2 RL D4 A 输出是脉动的直流电压 整流电路 单相桥式整流电路 参数计算 2 二极管上承受的最高反向电压 1 二极管上的平均电流 3 uo平均值 iL iL iD 整流电路 整流电路的主要参数 1 整流输出电压平均值 Uo 负载上的 平均 电流IL S定义 整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比 2 脉动系数 整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标 整流电路 整流电路的主要参数 3 整流二极管的平均电流 ID 与反向峰值电压 UDRM 整流二极管的平均电流 ID 与反向峰值电压 UDRM 是选择整流管的主要依据 例如 在桥式整流电路中 每个二极管只有半周导通 因此 流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半 二极管截止时两端承受的最大反向电压 整流电路 常见的几种整流电路 整流电压平均值 电路 整流电压波形 二极管平均电流 二极管反向电压 副边电流有效值 整流电路 几种常见的硅整流桥外形 滤波电路 整流电路仅将交流电转换成单向脉动的直流电压 这种电压对许多电子设备远达不到要求 往往再加接滤波器以改善电压的脉动程度 滤波电路的任务 改善直流脉动电压的脉动程度 滤波电路的结构 电容与负载RL并联 或电感与负载RL串联 滤波原理 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 滤波电路 电容滤波电路电感滤波电路其他形式的滤波电路 电容滤波电路 滤波原理 1 RL未接入时 忽略整流电路内阻 电容滤波电路 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 电容滤波电路 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 电容滤波电路 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 电容滤波电路 电容滤波电路的特点 2 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大 Uo越高 负载电流的平均值越大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大 故一般选管时 取 1 输出电压Uo与放电时间常数RLC有关 RLC愈大 电容器放电愈慢 Uo 平均值 愈大 电容滤波电路 电容滤波电路的特点 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变 Uo和S也随之改变 如 RL愈小 IL越大 Uo下降多 S增大 结论 电容滤波电路适用于输出电压较高 负载电流较小且负载变动不大的场合 3 输出特性 外特性 电容滤波电路 例 有一单相桥式整流滤波电路 已知交流电源频率f 50Hz 负载电阻RL 200 要求直流输出电压Uo 30V 选择整流二极管及滤波电容器 流过二极管的电流 二极管承受的最高反向电压 变压器副边电压的有效值 解 1 选择整流二极管 可选用二极管2CP11 IOM 100mAUDRM 50V 电容滤波电路 2 选择滤波电容器 取RLC 5 T 2 已知RL 50 可选用C 250 F 耐压为50V的极性电容器 电感滤波电路 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 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 Uo 0 9U2 当忽略电感线圈的直流电阻时 输出平均电压约为 电感滤波电路 电感滤波的特点 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 其他形式的滤波电路 改善滤波特性的方法 采取多级滤波 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 其他形式的滤波电路 电感电容滤波器 LC滤波器 电感电容滤波电路 由于电感线圈对整流电流的交流分量具有阻抗 L比RL大得愈多则滤波效果就愈好 一般需要线圈的电感量较大 但其直流电阻也较大 因而会造成输出电压的下降 LC滤波器适于电流较大 输出电压脉动很小的场合 更适合与高频滤波 其他形式的滤波电路 形滤波器 形LC滤波电路 如果需要输出电压的脉动更小 可以再加一个滤波电容 形LC滤波器的效果跟好 但整流二极管的冲击电流较大 由于线圈体大且重 有些情况可用电阻代替电感线圈以构成 形RC滤波器 R愈大滤波效果愈好 但将使输出电压下降 所以适用于负载电流较小 电压脉动很小的场合 形RC滤波电路 稳压电路与稳压电源 分类 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 稳压电路 稳压管及其稳压电路串联反馈式稳压电路线性集成稳压电源串联开关型稳压电源 稳压管及其稳压电路 稳压管 稳压管是一种特殊的硅二极管 它允许通过较大的反向电流 经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低得多 几到几十伏 利用其反向击穿特性 配以合适的电阻 在电路中可起稳压的作用 二极管在加反向偏置电压时 处于截止状态 仅有很小的反向饱和电流 但是如果反向电压增大到一定值时 PN结的电场强度太大 将导致二极管的反向击穿 这时 二极管反向电流迅速增大而电压却基本不变 反向击穿 稳压管及其稳压电路 1 稳压二极管的电路符号 2 稳压二极管的特性 当稳压二极管处于正向偏置时 其特性和普通二极管相同 当稳压二极管处于反向偏置时 如果电压较小 则二极管处于截止状态 电流近似为0 如果电压达到击穿电压值时 电流迅速增大 稳压二极管处于稳压状态 1 PN结易于击穿 击穿电压比普通二极管低很多 2 PN结面积大 散热条件好 使反向击穿是可逆的 特点 稳压管及其稳压电路 稳压二极管的主要参数 1 稳定电压UZ 2 稳定电流IZ 保证稳压管稳压性能的最小工作电流 3 最大稳定电流IZM 4 最大允许耗散功率PZM 5 动态电阻 6 电压温度系数 U 稳压管不发生热击穿的最大功率损耗 动态电阻越小稳压管稳压效果越好 稳压管受温度变化的影响系数 不同型号的稳压管 都规定一个最大稳定电流 防止稳压管过流发生热击穿而损 稳压管及其稳压电路 稳压管稳压电路构成的思路 整流输出电压虽然经过滤波电路滤波 可以得到波动较小的直流输出电压 但是 如果输入交流电源电压发生波动 或负载电流发生变动 这种情况经常出现 输出的直流电压就可能产生变化 稳压电路的功能 就是在输入交流电源电压波动 负载变化时 使输出直流电压保持恒定 稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是 在输出直流电压时 在电路中设置一个吸收波动成分的元件 调整元件 当电源电压或负载波动时 调整元件将根据输出直流电压的变动情况 确定调整方向和大小 以保证输出的直流电压不发生变化 稳压管及其稳压电路 稳压电路构成 电路中设置了一个吸收电压波动成分的元件R 调整元件 当市电或负载波动时 调整元件上的电压进行相应调整 保证输出的直流电压不发生变化 1 电源电压波动 2 负载变化 稳压管及其稳压电路 工作过程与参数选取 整流滤波输出电压被分成两部分 一部分是负载得到的直流输出电压U0 另一部分则是降在调整元件上的电压UR 电路工作时 稳压管处于反向击穿状态 电阻R中流过的电流一部分流入稳压二极管形成稳压管电流Iz 另一部分则提供给负载电阻RL 如果电阻R取值太小 则稳压管中的电流将可能太大而损坏器件 所以 该电阻又称为限流电阻 输出电压的数值直接由稳压管的参数确定 Uz 构造电路时要根据需要选择稳压管 稳压管及其稳压电路 工作过程与参数选取 限流电阻的取值范围为 R承受的最大可能电压 R承受的最小可能电压 R允许流过的最大电流 R必须流过的最小电流 如果无法由此式确定限流电阻 则稳压管稳压电路将无法满足工作要求 必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路 要使稳压管正常工作 则其电流必须在IZ IZM之间 如果负载电流的变化范围为ILm ILM 电源电压波动使滤波输出电压Ui的变化范围为Uimin Uimax 稳压管及其稳压电路 例题分析 例 电路如图 已知Ui 30V 稳压管DZ 2CW18 的稳定电压UZ 10V 最小稳定电流IZmin 5mA 最大稳定电流IZmax 20mA 负载电阻RL 2k 求当Ui变化 10 时 电阻R的取值范围 输出电压 负载电流 整流滤波输出电压 稳压管及其稳压电路 存在的问题稳压管稳压电路虽然简单 但存在以下问题稳压值只能由稳压管的型号决定 不能调节 输出电流受IZM的限制 调节范围和数值都较小 输出电阻RO比较大 输出电压的稳定性较差 稳压管稳压电路只能用在输出直流电压固定且负载电流不大的场合 在电子系统中 应用较为广泛的是串联型稳压器和开关型稳压器 串联反馈式稳压电路 电路结构的一般形式 负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大 1 倍 Uo UZ UBE 但带负载的能力比稳压管强 1 串联式直流稳压电路的基本形式 串联反馈式稳压电路 电路结构的一般形式 1 串联式直流稳压电路的基本形式 两个主要缺点 1 稳压效果不好 Uo UZ UBE 2 输出电压不可调 改进的方法 在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节 串联反馈式稳压电路 2 具有放大环节的串联型稳压电路 变压 整流 滤波 变压器 将电网电压变换成所需幅度的交流电压 桥式整流电路 将交流电变成脉动直流 电容式滤波 使直流电的脉动成分进一步减小 串联反馈式稳压电路 2 具有放大环节的串联型稳压电路 变压 整流 滤波 采样环节 采样环节 由R1 R2及Rp组成的电阻分压器 将输出电压的一部分送到放大环节 电位器可调节输出电压 串联反馈式稳压电路 2 具有放大环节的串联型稳压电路 变压 整流 滤波 采样环节 放大环节 放大环节 由晶体管T2构成的直流放大电路 其输入电压是采样电压与基准电压之差 放大后控制调整管 R4是其负载电阻 串联反馈式稳压电路 2 具有放大环节的串联型稳压电路 变压 整流 滤波 基准电压 采样环节 放大环节 基准电压 由稳压管DZ和R3构成 稳压管两端的直流电压UZ是稳定性较高的直流电压 作为调整和比较的标准 串联反馈式稳压电路 2 具有放大环节的串联型稳压电路 变压 整流 滤波 调整环节 基准电压 采样环节 放大环节 调整环节 由工作于放大状态的功率管T1构成 其基极电流受放大环节控制 并由射极输出直流电压 串联反馈式稳压电路 串联型稳压电源自动调节电压过程 Uo UBE2 IB2 IC2 UCE2 Uo UCE1 IC1 IB1 UBE1 串联型稳压电源属于 串联电压负反馈电路 串联反馈式稳压电路 输出电压的确定和调节范围 串联反馈式稳压电路 影响稳压特性的主要因素 2 流过稳压管的电压随UI波动 使UZ不稳定 降低了稳压精度 1 电路对电网电压的波动抑制能力较差 例 UI VC2 Uo 3 温度变化时 T2组成的放大电路产生零点漂移 使输出电压的稳定度变差 串联反馈式稳压电路 改进措施 在运放理想条件下 1 选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器 可以解决零点漂移的问题 线性集成稳压电源 简单的集成稳压电源 稳压电源的应用场合相当广泛 但分立件串联型稳压电源及由运放构成的稳压电源结构比较复杂 还要注意加接保护电路 因此 单片集成稳压电源应运而生并且得到广泛应用 基本可以做到免调试 且体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉 线性集成稳压电源 单片集成稳压电源 目前最普遍应用的单片稳压电源是W7800系列和W7900系列 其内部电路是在串联型晶体管稳压电路的基础上构成的 只有三个引出端 输入端1 输出端2和公共端3 俗称三端集成稳压器 外形图和主要参数 线性集成稳压电源 1端 输入端2端 公共端3端 输出端 W7800系列稳压器外形 1端 公共端2端 输入端3端 输出端 W7900系列稳压器外形