第五章 直流稳压电源.ppt

第五章直流稳压电源 第二节滤波器 第三节稳压电源 第一节整流电路 第四节晶闸管及可控整流电路 本章要求 1 掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算 2 了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作原理 3 了解集成稳压电路的性能及应用 4 了解可控整流电路的结构和工作原理 第五章直流稳压电源 第五章直流稳压电源 直流稳压电源的组成 功能 把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压 交流电源 负载 变压器 整流器 滤波器 稳压器 第一节整流电路 整流电路的作用 将交流电压转变为单向脉动的直流电压 常见的整流电路 半波 全波 桥式和倍压整流 单相和三相整流等 分析时可把二极管当作理想元件处理 二极管的正向导通电阻为零 反向电阻为无穷大 整流原理 利用二极管的单向导电性 一 单相半波整流电路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管VD导通 3 工作波形 u负半周 Va Vb 二极管VD截止 1 电路结构 4 参数计算 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM 5 变压器二次侧电流有效值I 5 整流二极管的选择 平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据 选择二极管时应满足 IOM ID URM 1 5 2 UDRM 二 单相桥式整流电路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管VD1 VD3导通 VD2 VD4截止 3 工作波形 uD2uD4 1 电路结构 u负半周 Va Vb 二极管VD2 VD4导通 VD1 VD3截止 uD1uD3 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM 5 变压器二次侧电流有效值I 例1 单相桥式整流电路 已知交流电网电压为380V 负载电阻RL 80 负载电压Uo 110V 试求整流变压器的变比和容量 并选择二极管 解 1 负载电流Io 每个二极管通过的平均电流 变压器二次侧电压的有效值为 考虑变压器二次侧绕组及二极管压降 变压器副边电流有效值 变压器容量S UI 134 1 55 208VA 变压器副边电压U 134V 可选用二极管2CZ11C 最大整流电流IOM 1A 反向工作峰值电压为URM 300V 例2 试分析图示桥式整流电路中的二极管VD2或VD4断开时负载电压的波形 如果VD2或VD4接反 后果如何 如果VD2或VD4因击穿或烧坏而短路 后果又如何 解 当VD2或VD4断开后电路为单相半波整流电路 正半周时 VD1和VD3导通 负载中有电流过 负载电压uo u 负半周时 VD1和VD3截止 负载中无电流通过 负载两端无电压 uo 0 如果VD2或VD4接反则正半周时 二极管VD1 VD4或VD2 VD3导通 造成电源短路 电流很大 因此变压器及VD1 VD4或VD2 VD3将被烧坏 如果VD2或VD4因击穿烧坏而短路则正半周时 情况与VD2或VD4接反类似 电源及VD1或VD3也将因电流过大而烧坏 单相全波整流电路 2 工作原理 1 电路结构 二极管VD1导通 VD2截止 u正半周 二极管VD1截止 VD2导通 u负半周 3 工作波形 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 4 主要参数 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM 三 三相桥式整流电路 2 工作原理 在每一瞬间共阴极组中阳极电位最高的二极管导通 共阳极组中阴极电位最低的二极管导通 1 电路 三相变压器原绕组接成三角形 副绕组接成星形 在t1 t2期间共阴极组中a点电位最高 VD1导通 共阳极组中b点电位最低 VD4导通 负载两端的电压为线电压uab VD1 RL uo VD6 VD3 VD5 VD4 VD2 io C b a u o 负载电压 变压器副边电压 在t2 t3期间共阴极组中a点电位最高 VD1导通 共阳极组中c点电位最低 VD6导通 负载两端的电压为线电压uaC 负载电压 变压器副边电压 在t3 t4期间共阴极组中b点电位最高 VD3导通 共阳极组中c点电位最低 VD6导通 负载两端的电压为线电压ubC 负载电压 变压器副边电压 在t4 t5期间共阴极组中b点电位最高 VD3导通 共阳极组中a点电位最低 VD2导通 负载两端的电压为线电压uba 负载电压 变压器副边电压 结论 在一个周期中 每个二极管只有三分之一的时间导通 导通角为120 变压器副边电压 负载电压 负载两端的电压为线电压 3 参数计算 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 流过每管电流平均值ID 4 每管承受的最高反向电压UDRM u RL uo C 整流桥简画图 一般整流电路 第二节滤波器 交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流 其中既有直流成份又有交流成份 滤波原理 滤波电路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 方法 将电容与负载RL并联 或将电感与负载RL串联 一 电容滤波器1 电路结构 2 工作原理 u uC时 二极管导通 电源在给负载RL供电的同时也给电容充电 uC增加 uo uC u uC时 二极管截止 电容通过负载RL放电 uC按指数规律下降 uo uC uC 3 工作波形 二极管承受的最高反向电压为 4 电容滤波电路的特点 T 电源电压的周期 1 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关 RLC越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo越大 波形越平滑 近似估算取 Uo 1 2U 桥式 全波 Uo 1 0U 半波 当负载RL开路时 UO 为了得到比较平直的输出电压 当接负载RL时 2 外特性曲线 有电容滤波 1 4U 结论 采用电容滤波时 输出电压受负载变化影响较大即带负载能力较差 因此电容滤波适合于要求输出电压较高 负载电流较小且负载变化较小的场合 3 流过二极管的瞬时电流很大 RLC越大 O越高 IO越大 整流二极管导通时间越短 iD的峰值电流越大 例3 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 100mAURM 50V 例3 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 取RLC 5 T 2 已知RL 50 解 2 选择滤波电容器 可选用C 250 F 耐压为50V的极性电容器 二 电感电容滤波器 1 电路结构 2 滤波原理 对直流分量 XL 0 L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L上 因此 在负载上得到比较平滑的直流电压 当流过电感的电流发生变化时 线圈中产生自感电势阻碍电流的变化 使负载电流和电压的脉动减小 LC滤波适合于电流较大 要求输出电压脉动较小的场合 用于高频时更为合适 三 形滤波器 形LC滤波器 滤波效果比LC滤波器更好 但二极管的冲击电流较大 比 形LC滤波器的体积小 成本低 形RC滤波器 R愈大 C2愈大 滤波效果愈好 但R大将使直流压降增加 主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合 第三节直流稳压电源 稳压电路 稳压器 是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备 稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压 负载及环境温度的变化无关 理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源 实际上 它是内阻很小的电压源 其内阻越小 稳压性能越好 一 稳压管稳压电路 2 工作原理 UO UZIR IO IZ RL IO IR 设UI一定 负载RL变化 UO UZ IZ 1 电路 限流调压 稳压电路 稳压管稳压电路 UO UZIR IO IZ UI UZ 设负载RL一定 UI变化 IZ IR 3 稳压二极管参数的选择 1 UZ UO 2 IZM 1 5 3 IOM 3 UI 2 3 UO 4 为保证稳压管安全工作 为保证稳压管正常工作 适用于输出电压固定 输出电流不大 且负载变动不大的场合 二 串联型稳压电路 1 电路结构 串联型稳压电路由基准电压 比较放大 取样电路和调整元件四部分组成 调整元件 比较放大 基准电压 取样电路 当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO升高时 有如下稳压过程 2 稳压过程 由电路图可知 UO Uf UB UO IC UCE 由于引入的是串联电压负反馈 故称串联型稳压电路 3 输出电压及调节范围 输出电压 由虚短可得 三 集成稳压电源 单片集成稳压电源 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简单的集成稳压电源只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 1 分类 XX两位数字为输出电压值 1 25 37V连续可调 2 外形及引脚功能 W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形 塑料封装 3 性能特点 7800 7900系列 输出电流超过1 5A 加散热器 不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4 输出电压额定值有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V等 输出为固定正电压时的接法如图所示 1 输出为固定电压的电路 输入与输出之间的电压不得低于3V 4 三端固定输出集成稳压器的应用 0 1 1 F 1 F 为了瞬时增减负载电流时 不致引起输出电压有较大的波动 即用来改善负载的瞬态响应 用来抵消输入端接线较长时的电感效应 防止产生自激振荡 即用以改善波形 2 同时输出正 负电压的电路 UXX 为W78XX固定输出电压UO UXX UZ 3 提高输出电压的电路 IO I2 IC 4 提高输出电流的电路 四 开关型稳压电路 开关型稳压电路 如果稳压电路中的调整管工作于开关状态 并通过控制其导通时间的长短来实现输出电压的调整和稳定 开关稳压电源具有效率高 体积小 重量轻 便于集成化 对交流电网电压和频率的变化适应性强的优点 当为高电平时 V饱和导 当为低电平时 V截止 电感L产生反电势使续流二极管VD导通 改变占空比q可以调整开关型稳压器的输出电压 第四节晶闸管及其应用 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件 又称可控硅 优点 体积小 重量轻 耐压高 响应速度快 控制灵活及使用方便等 具有可控的单向导电性 主要用于整流 逆变 调压及开关等方面 一 晶闸管 1 晶闸管的结构 G 晶闸管具有三个PN结的四层半导体结构 c 结构 a 外形 晶闸管的外形 结构及符号 晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合 A 在极短时间内使两个三极管均饱和导通 此过程称触发导通 形成正反馈过程 K G EA 0 EG 0 EG 晶闸管导通后 去掉EG 依靠正反馈 仍可维持导通状态 G EA 0 EG 0 K 晶闸管导通的条件 1 晶闸管阳极电路 阳极与阴极之间 施加正向电压 2 晶闸管控制电路 控制极与阴极之间 加正向电压或正向脉冲 正向触发电压 晶闸管导通后 控制极便失去作用 依靠正反馈 晶闸管仍可维持导通状态 晶闸管关断的条件 1 必须使可控硅阳极电流减小 直到正反馈效应不能维持 2 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压 正向特性 反向特性 IG2 IG1 IG0 正向转折电压 反向转折电压 正向平均电流 维持电流 3 伏安特性 4 主要参数 UFRM 正向重复峰值电压 晶闸管耐压值 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下 允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压 一般取UFRM 80 UB0 普通晶闸管UFRM为100V 3000V 如果正弦半波电流的最大值为Im 则 普通晶闸管IF为1A 1000A UF 通态平均电压 管压降 在规定的条件下 通过正弦半波平均电流时 晶闸管阳 阴极间的电压平均值 一般为1V左右 IH 维持电流在规定的环境和控制极断路时 晶闸管维持导通状态所必须的最小电流 一般IH为几十 一百多毫安 UG IG 控制极触发电压和电流室温下 阳极电压为直流6V时 使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压 电流 一般UG为1到5V IG为几十到几百毫安 晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别共九级 用字母A I表示0 4 1 2V 额定电压 用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者 额定正向平均电流 IF 如KP300 10F表示额定正向平均电流为300A 额定电压为1000V 导通状态的平均压降为0 9V 晶闸管类型 二 可控整流电路 1 单相半波可控整流 1 电阻性负载 u 0时 若ug 0 晶闸管不导通 u 0时 晶闸管承受反向电压不导通 uo 0 uT u 故称可控整流 控制极加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 工作原理 t1 u 0时 可控硅承受反向电压不导通 即 晶闸管反向阻断 加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 u 0时 O 接电阻负载时单相半波可控整流电路电压 电流波形 控制角 t1 O t2 2 导通角 工作波形 输出电压平均值 改变控制角 可改变输出电压Uo 输出电流平均值 2 电感性负载 当电压u过零后 由于电感反电动势的存在 晶闸管在一段时间内仍维持导通 失去单向导电作用 在电感性负载中 当晶闸管刚触发导通时 电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势 极性如图 电流不能跃变 将由零逐渐上升 见波形 O t1 t2 2 工作波形 u 0时 VD反向截止 不影响整流电路工作 电感性负载加续流二极管 工作波形 加续流二极管 iL 2 2 单相半控桥式整流电路 工作原理 VT1和VD2承受正向电压 VT1控制极加触发电压 则VT1和VD2通 电流的通路为 a 1 电压u为正半周时 此时 VT2和VD1均承受反向电压而截止 VT2和VD1承受正向电压 VT2控制极加触发电压 则VT2和VD1导通 电流的通路为 2 电压u为负半周时 b 此时 VT1和VD2均承受反向电压而截止 工作波形 2 输出电压及电流的平均值 两种常用可控整流电路 该电路只用一只晶闸管 且其上无反向电压 2 晶闸管和负载上的电流相同 1 1 该电路接入电感性负载时 VD1 VD2便起续流二极管作用 2 2 由于VT1的阳极和VT2的阴极相连 两管控制极必须加独立的触发信号 与晶闸管串联 接在输入端 接在输出端 三 晶闸管的保护 晶闸管承受过电压 过电流的能力很差 即使时间极短 也容易损坏器件 1 晶闸管的过流保护 1 快速熔断器保护 快速熔断器有三种接入方式 2 过流继电器保护 3 过流截止保护 在输出端 直流侧 或输入端 交流侧 接入过电流继电器 当电路发生过流故障时 继电器动作 使电路自动切断 在交流侧设置电流检测电路 利用过电流信号控制触发电路 当电路发生过流故障时 检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲 从而使晶闸管导通角减小或立即关断 2 硒堆保护 2 晶闸管的过压保护 1 阻容保护 利用电容吸收过压 其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中 然后释放到电阻中消耗掉 硒堆保护 硒整流片 晶闸管元件的阻容保护 四 单结晶体管触发电路 PN结 N型硅片 a 结构示意图 1 单结晶体管 a 结构示意图 c 等效电路 1 结构 UE UBB UD UP时 PN结反偏 IE很小 PN结导通 IE迅速增加 分压比 0 5 0 9 测量单结晶体管的实验电路 2 单结晶体管的伏安特性 Ip IV 负阻区 UE UP后 大量空穴注入基区 致使IE增加 UE反而下降 出现负阻 1 UE UP时单结管截止 UE UP时单结管导通 UE UV时恢复截止 单结晶体管的特点 2 单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比 有关 外加电压UBB或分压比 不同 则峰点电压UP不同 3 不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样 谷点电压大约在2 5V之间 常选用 稍大一些 UV稍小的单结晶体管 以增大输出脉冲幅度和移相范围 2 单结晶体管振荡电路 单结晶体管弛张振荡电路