哈尔滨工程大学模拟电子技术基础第九章.ppt

1 第九章直流稳压电源 在各种电子设备中 直流稳压电源是必不可少的组成部分 它是电子设备唯一能量来源 稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流 从而满足负载的需要 本章解决的问题有两个 一是如何把交流电变成直流电 二是如何使直流电压实现稳定 图9 1直流稳压电源原理方框图 2 直流稳压电源一般由整流 滤波 稳压等环节组成 变压器 将交流电源 220V或380V 变换为符合整流电路所需要的交流电压 整流电路 利用具有单方向导电性能的整流器件 将交流电压整流成单方向脉动的直流电压 滤波电路 滤去单向脉动直流电压中的交流成分 保留直流分量 尽可能供给负载平滑的直流电压 稳压电路 是一种自动调节电路 在交流电源电压波动或负载变化时 通过此电路使直流输出电压稳定 3 第一节整流电路 一 作用 整流电路的任务是利用二极管的单向导电性把正 负交变的电压变成单方向脉动的直流电压 二 技术指标 整流电路的主要技术指标为 1 输出直流电压平均值定义为整流输出电压在一个周期内的平均值 即 4 2 输出电压脉动系数定义为整流输出电压傅氏级数展开式中的最低次谐波与平均值之比 即 3 整流二极管正向平均电流在一个周期内通过二极管的平均电流 由二极管允许温升决定 可由器件手册中查到 4 最大反向峰值电压整流二极管不导通时 在它两端承受的最大反向电压 5 三 半波整流电路 图9 2单相半波整流电路 a 电路图 b 波形图 6 一 工作原理把整流二极管看成理想元件 正向电阻为零 反向电阻无穷大 正半周时二极管导通 负半周时二极管截止 二 半波整流参数1 整流输出电压平均值 9 1 式中为变压器次级电压有效值 7 2 整流输出电压的脉动系数 整流输出为周期信号 将其展开为傅氏级数 得可知所以 8 3 整流输出的平均电流 而二极管平均电流 4 整流管承受的最大反向电压特点 半波整流电路结构简单 但输出波形脉动系数大 直流成分低 变压器电流含直流成分 易饱和 变压器利用率低 9 四 全波整流电路 图9 3全波整流电路 图9 4全波整流电路波形图 10 一 工作原理 变压器的两个副边电压相等 同名端如图所示 二极管看成理想元件 正半周时 V1导通 V2截止 上 下 负半周时 V1截止 V2导通 上 下 负载上是单向脉动电压 其波形如图所示 所以全波整流电路输出电压可用如下公式表示 二 全波整流电路参数1 整流输出电压平均值故全波输出的大小是半波的两倍 11 2 脉动系数 将进行傅氏级数展开得故所以3 整流输出的平均电流 9 7 而二极管平均电流应为 12 4 整流管承受的最大反压 9 8 特点 全波整流电路输出电压直流成分提高 脉动系数减小 但变压器每个线圈只有半个周期有电流 利用率不高 五 桥式整流电路线圈匝数与半波电路相同 只是二极管增加为4只 工作原理与全波电路相同 桥式整流电路的参数与全波整流电路部分相同 即而二极管截止时所承受的最大反向电压从图9 5 a 所示电路中直接推出为 9 9 13 图9 5桥式整流电路 a 实际电路 b 简化画法电路 14 第二节滤波电路 整流电路的输出电压仍含有较大的脉动成分 为此还需要进行滤波 减小输出电压的脉动 使最后的输出电压平滑接近直流 才能用做电子线路的电源 通常采用电容 电感等储能元件完成滤波 一 半波整流电容滤波电路滤波电容C与负载RL并联连接 图9 6半波整流电容滤波 a 电路 b 波形 15 二 桥式整流电容滤波电路 C为大容量电解电容与负载并联 一 工作原理1 空载状态空载时 负载开路 设初始值 当接通电源后 通过整流桥给电容充电 因无放电通路故 且保持不变 无脉动 若电源不是在时刻接通 则瞬间冲击尖峰电流很大 对二极管不利 图9 7桥式整流电容滤波电路 a 电路图 b 波形图 16 2 带电阻负载状态 图9 8桥式整流电容滤波电路的波形图 a 忽略电阻时波形 b 考虑电阻时波形 c 的近视波形 17 放电按指数规律下降 时间常数 接上负载后 给电容充电同时 也给负载提供电流 而电容充电最大到峰值后 按正弦规律下降 放电按指数规律下降 指数下降初始速度高于正弦下降速度 二极管仍然导通 电压仍按正弦规律下降 随后指数下降速度低于正弦下降速度 当在后 二极管截止 反由电容给负载供电 即电容放电 电容充电时很快 忽略二极管内阻 而放电时很慢 当放电电压下降到时 二极管导通 又给电容充电 这样 充放电周期循环 输出电压波形如图9 7 b 所示 输出波形纹波大大减小 接近直流状态 由图9 7 b 看出 二极管导通时间 导通角 短 小 而二极管开启瞬间电流大 滤波电容越大 冲击电流越大 由图9 8 b 看出 滤波电容越大 输出电压 纹波越小 越平滑 18 二 电容滤波电路参数 1 输出电压平均值Uo AV 用图9 8 c 所示锯齿波来近似计算输出电压Uo AV 的值 将放电初始斜线延长交至横坐标轴 则由RLC和Uomax构成大三角形 由T 2和 Uomax Uomin 构成大三角形 由T 2和 Uomax Uomin 构成小三角形 根据三角形相似关系可得 又根据输出电压UO 波形图看出 将式 9 10 代入上式求 9 10 9 11 9 12 式中T为电网交流电压周期 当RL 时 Uo AV 1 4U2 当C 0时 Uo AV 0 9U2 一般取Uo AV 1 2U2 9 13 19 2 脉动系数S 9 14 3 整流管电流IV 电容滤波二极管导通角小 但峰值电流必然大 在接通电源瞬间存在冲击尖峰电流 故选择二极管时 要求二极管工作电流I应该为 9 15 4 电容滤波电路的外特性和滤波特性 20 图9 9为电容滤波电路的外特性 当时 当时 此时电路无滤波功能 由图可以看出随着输出电流的增大 减小 外特性变软 带负载能力差 故电容滤波电路适合于负载电流较小的场合 图9 10所示为电容滤波电路的滤波特性 当减小 增大时 增大 减小 增大 希望越大越好 目前 通常取值几十至几百微法 一般 在全波式桥式整流情况下 根据下式选择滤波电容的量 9 16 式中 为交流电压周期 因而电容耐压应大于 21 第三节稳压电路 由于交流电网电压的变化或负载的变化 均会引起整流滤波电路输出直流电压的变化 因此 为了使负载得到稳定的直流电压 必须在整流滤波电路后接入稳压电路 稳压电路分为并联型硅稳压管稳压电路和串联型稳压电路 一 稳压电路的主要性能指标1 稳压系数定义为在负载不变时输出电压的相对变化量与输入电压的相对变量之比 即 9 18 22 2 电压调整率 通常工频电压220V 10 做为变化范围 把对应的输出电压的相对变化量的百分比作为衡量的指标称为电压调整率 即希望 一般甚至0 01 9 19 3 输出电阻定义为输入电压不变 输出电压的变化量与电流变化量之比 即 9 20 23 4 电流调整率 在工程中常用输出电流 由零变到最大额定值时 输出电压的相对变化量来表征这个性能 称为电流调整率 即 9 21 5 纹波抑制比定义为输入纹波电压 峰峰值 与输出纹波电压 峰峰值 之比的分贝数 即 9 22 24 6 输出电压的温度系数 定义为在规定温度范围及 时 单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比 即 9 23 除上述指标外 还有输出噪声电压和工作极限参数等 25 二 并联型硅稳压管稳压电路 电路如图9 15所示 输入电压是经过整流滤波后的电压 稳压电路的输出电压是稳压管的稳定电压 是限流电阻 由于稳压管与负载并联 所以称为并联型稳压电路 它是利用稳压管的反向击穿特性如图9 16所示 当稳压管反向击穿时若电流在范围内变化 稳压管电压的变化值很小 靠稳压管的电流变化 补偿负载电流变化 使输出电压稳定 图9 16稳压管伏安特性 图9 15硅稳压管稳压电路图 26 一 稳压原理 1 先讨论负载电阻RL不变 输入电压随电网电压变化的情况 若增大 使有增大趋势 引起增大 增大很多 增大 以此来抵消的增大 故不变 用循环调节表示为 27 2 再讨论输入电压不变 负载电阻变化的情况 若减小 将减小 而负载电流增加 随之增大 则增大 由于不变 则减小 由于稳压特性 减小很多 结果使减小 因此负载电压基本不变 用循环调节表示为 28 图9 17交流通路 二 估算稳压系数和输出电阻 将图9 15电路改画成只考虑交流等效电路如图9 17所示 由图可求稳压系数和输出电阻 1 稳压系数Sr 由定义有 9 24 由图9 17可求 Uo UI 即 9 25 式中rZ为稳压管内阻 很小 当rZ RL时 上式简化为 9 26 2 输出电阻ro 由定义可得ro rZ R rZ 9 28 29 三 限流电阻的估算 稳压管正常工作时 其工作点处的应满足 条件 选择合适的限流电阻可满足这一条件 分两种情况估算 1 当输入电压最高和负载电流最小时 应最大 但 即 9 29 推导为 30 2 当输入电压最低和负载电流最大时 应最小 但 即推导为 9 30 9 31 限流电阻的额定功率为 9 32 31 四 选取稳压二极管 1 选取稳压二极管 由于稳压管与负载电阻并联 所以稳压管的稳压值应该等于负载电压 如果一只稳压管的稳定电压值不够 可用多只稳压管串联实现 即每只稳压管稳定电压相加等于负载电压 一般来说 不容易正好相等 稳压管能够稳压的最大电流应大于负载电流最大值 因此选取原则为2 滤波后电压选取 整流滤波后的电压应该大于负载电压 由于限流电阻上有压降 它不能过小 否则调整效果差 但也不能过大 因这样能量损失偏大 经验估算公式为 9 34 32 三 晶体管串联型稳压电路 前面介绍的硅稳压管稳压电路允许负载电流变化范围小 一般只允许负载电流在几十毫安以内变化 另外 输出直流电压不可调 即输出电压就是稳压管的稳压值 为了克服上述缺点 我们可以采用晶体管串联型直流稳压电路 图9 18所示为典型的串联型稳压电路 其中 a 为原理图 图 b 为组成方框图 它由取样电路 基准电压电路 比较放大电路及调整管四个基本部分组成 图9 18串联型稳压电路及方框图 a 串联型稳压电路原理图 b 组成方框图 33 1 取样电路 由 和组成的分压电路 它的主要功能是对输出电压变化量分压取样 然后送至比较放大系统 同时为提供一个合适的静态偏置电压 以保证工作于放大区 此外取样电路引入电位器还可以调节输出电压值 2 基准电压电路 由稳压管和限流电阻组成的稳压电路 提供一个稳定的基准电压 34 3 比较放大电路 一个由构成的直流放大电路 是的集电极负载电阻 同时又是调整管的偏流电阻 它的作用是将输出取样电压与基准电压进行比较 并将误差电压放大 然后再去控制调整管 为了提高稳压性能实际中常采用差放或集成运放来作比较放大电路 4 调整电路 一般由功率管 组成 是稳压电路的核心部分 输出电压的稳定最终要依赖于的调整作用来实现 为了有效地起电压调整作用 必须保证它在任何情况下都工作在放大区 因为调整管与负载串联 故称它为串联型晶体管直流稳压电路 35 一 稳压原理 1 如果由于某些原因的影响