模拟电子技术课件10 直流稳压电源.ppt

1 主讲 陈松 第29 31次课 共32次课 低频电子技术 2 第十章直流稳压电源 10 1小功率整流滤波电路 单相桥式整流电路 滤波电路 10 2串联反馈式稳压电路 串联反馈式稳压电路 三端集成稳压器 3 小功率直流稳压电源 4 小功率直流稳压电源 5 6 开关直流稳压电源 7 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 消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 8 整流电路的任务 把交流电压转变为直流脉动的电压 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 为分析简单起见 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 10 1小功率整流滤波电路 9 单相半波整流电路 v2 0时 二极管导通 忽略二极管正向压降 vo v2 v2 0时 二极管截止 输出电流为0 vo 0 10 1 输出电压波形 v1 v2 a T b D RL 2 二极管上的平均电流 ID IL 11 3 二极管上承受的最高电压 4 输出电压平均值 Vo 12 13 14 单相全波整流电路 1 输出电压波形 15 单相全波整流电路 4 uo平均值Uo 2 二极管上承受的最高电压 3 二极管上的平均电流 16 17 10 1 1单相桥式整流电路 组成 由四个二极管组成桥路 18 10 1 1单相桥式整流电路 桥式整流电路 v2正半周时电流通路 19 桥式整流电路 v0 v2负半周时电流通路 20 v2 0时 D1 D3导通D2 D4截止电流通路 A D1 RL D3 B v2 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 桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形 21 22 23 几种常见的硅整流桥外形 24 整流电路的主要参数 1 整流输出电压平均值 Vo 全波整流时 负载电压Uo的平均值为 负载上的 平均 电流 一 整流输出电压的平均值与脉动系数 整流输出电压的平均值Vo和输出电压的脉动系数Kr是衡量整流电路性能的两个主要指标 25 Kr定义 整流输出电压的总谐波电压与平均值Vo之比 2 脉动系数Kr 又称纹波系数 用傅氏级数对全波整流的输出vo分解后可得 26 平均电流 ID 与反向峰值电压 VRM 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 二 平均电流与反向峰值电压 27 1 根据单相桥式整流电路的工作原理 如图所示电路在出现下列故障时 会产生什么现象 A D1的正负极接反 B D1短路 C D1开路 28 A D1的正负极接反 29 B D1短路 C D1开路 30 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 10 1 2滤波电路 31 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 一 滤波原理 32 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 33 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 vo会逐渐下降 34 只有整流电路输出电压大于vo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 35 电容充电时 电容电压滞后于v2 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 36 37 38 39 2 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大 Vo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 二 电容滤波电路的特点 1 输出电压Vo与放电时间常数RLC有关 RLC愈大 电容器放电愈慢 Vo 平均值 愈大 40 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变 Vo和Kr也随之改变 如 RL愈小 IL越大 Vo下降多 Kr增大 3 输出特性 外特性 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 41 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 42 一 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 Vo 0 9V2 当忽略电感线圈的直流电阻时 输出平均电压约为 43 二 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 44 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 45 2 桥式整流滤波电路如图所示 1 试问输出电压VO对地电压是正还是负 电容C的极性如何 2 当电路参数满足RLC 3 5 T 2时 若要求输出电压VO为25V V2的有效值应为多少 3 如负载电流为200mA 试求每个二极管流过的电流和最大反向电压VRM 4 若电容开路 VO为多少 46 1 试问输出电压VO对地电压是正还是负 电容C的极性如何 47 2 当电路参数满足RLC 3 5 T 2时 若要求输出电压VO为25V V2的有效值应为多少 48 3 如负载电流为200mA 试求每个二极管流过的电流和最大反向电压VRM 49 4 若电容开路 VO为多少 50 3 电路如下图所示 1 分别标出uO1和uO2对地的极性 2 uO1 uO2分别是半波整流还是全波整流 3 当u21 u22 20V时 uO1 AV 和uO2 AV 各为多少 4 当u21 18V u22 22V时 画出uO1 uO2的波形 并求出uO1 AV 和uO2 AV 各为多少 51 解 1 均为上 下 2 均为全波整流 3 uO1 AV 和uO2 AV 为 uO1 AV uO2 AV 0 9u21 0 9u22 18V 4 uO1 uO2的波形如解图所示 它们的平均值为 uO1 AV uO2 AV 0 45u21 0 45u22 18V 52 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 目前应用很广 10 2串联反馈式稳压电路 53 电路结构的一般形式 串联式稳压电路的组成 1 基准电压 2 比较放大 3 输出电压取样电路 4 调整元件 54 因调整管与负载接成射极输出器形式 为深度串联电压负反馈 故称之为 串联反馈式稳压电路 若因输入电压变化或负载变化而使VO加大 比较放大电路使VB1变小 从而使VO降低 55 一种实际的串联式稳压电源 56 稳压原理 当VI增加或输出电流减小使Vo升高时 57 例 VI 18V VZ 4V R1 R2 RW 4 7k 求输出电压的调节范围 58 实际的稳压电源采取的改进措施 1 比较放大级采用差动放大器或集成运放2 调整管采用复合三极管3 采用辅助电源 比较放大部分的电源 4 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益5 内部加短路和过热保护电路 集成化 集成稳压电源 59 10 2 2串联反馈式稳压电路的工作原理 VO下降 60 10 2 3三端集成稳压器 61 集成稳压电源 特点 体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉内部电路 串联型晶体管稳压电路类型 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 62 1端 输入端2端 公共端3端 输出端 W7800系列稳压器外形及接线图 10V 5V 注意 输入与输出端之间的电压不得低于3V 63 1端 公共端2端 输入端3端 输出端 W7900系列稳压器外形及接线图 10V 5V 64 二 输出正负电压的电路 65 集成稳压电源应用电路 V1 220VV2 8V VC1 1 2V2 9 6VVo 5V 66 输出正负电压的稳压电源 67 10 3串联开关式稳压电路 一 引言 1 串联反馈式稳压电路的优 缺点 优点 输出电压稳定 纹波电压小 电路简单 缺点 集电极损耗较大 通常须加散热装置 效 率低 只有40 60 不适宜高电压 大电流负载的需要 2 开关式串联稳压电路的优 缺点 优点 调整管工作在开关工作状态 集电极功耗小 效率高 可达80 90 体积小 重量轻 可不需要电源变压器 可提供高电压 大电流 缺点 输出电压纹波较大 电路稍复杂 68 二 电路形式 比串联反馈式稳压电路增加5个部件 比较器C 三角波发生器 LC滤波元件和续流二极管D 1 控制电路部分 PWM 1 比较放大器A 为直流电平 电压 2 基准电压源 VREF 3 三角波电压发生器 提供正三角波电压 4 比较器C 输入与 输出方波电压 控制调整T的开 关 69 2 DC DC变换器 降压型 1 调整管 本电路的开关 C极输入直流电压VI B极输入方波电压 E极输出方波电压 2 滤波电路 高频电感电容L C 3 二极管D 续流管 高频二极管 4 取样电路 R1 R2 亦是比较放大器的大环负反馈 网络 静态时 有 设计依据 70 三 工作原理 1 电路工作过程 为正电压 T饱和导通 为负电压 T截止 L产生反向电动势 使D导通 继续流动 波形 调节依据 71 2 自动调节稳压原理 1 设 2 所以 电路能自动调整脉宽占空比而稳压 故又称为脉宽调制 PWM 式开关稳压电源 维持不变 72 四 元器件选择 1 调整管 高频开关管 IGBT等 VCES小 ICE0小 ICM大 转换速度快 ts 0 01 fk fT 10fK fK为开关转换频率 2 续流二极管 高速开关管 反向耐压高 电流小 导通压降小 存储时间短 3 滤波元件 高频电感 高频电容 4 控制电路 现成的集成电路 PWM调制器 不过需外加辅助电源 73 10 4直流变换型稳压电源 俗称逆变电源 其中的BJT也是高速开关管 因此它也是一种开关式稳压电源 总体上它也是把直流电压转变为各种不同需要的直流电压 但中间使用了先把直流电压变换为高频交流电压 DC AC 的环节 然后再行整流 滤波 稳压 而后得到需要的稳定直流电压 这种稳压电源也有体积小 重量轻 功率大 效率高 纹波电压更小等优点 直流变换型稳压电源属于电力电子技术范畴 广泛应用于航空 轮船 火车等方面 这里主要介绍其工作原理 74 一 电路形式 C1 R1 R2 前端整流 滤波电路负载 分压器R1 R2启动变换器 2 逆变电路 T1 T2 Tr N1 Nb1 N2 Nb2 NL 把直流电压VI变换为高频交流 3 整流 滤波 稳压电路 将高频方波变为直流输出电压VO 电压 方波 75 二 逆变电路 变换器 工作原理 1 启动R2上的电压同时加到了BJTT1 T2的发射结 使T1 T2都导通 但由于电路存在微小差别 两管导通程度不同 2 T1管电流正反馈增强过程 设启动时 则流过绕组N1 N2时 的磁化占优势 因此绕组上产生的感应电势都可以认为是产生 Nb1的感生电势使增加 增大 Nb2的感生电势使减小 减小 经过一个正反馈过程 T1迅速达到饱和导通 而T2截止 76 4 磁饱和与反向正反馈 3 激磁过程 线性增加 线性增加 磁通的变化接近于零 变压器各绕组上的感应电势接