电工电子学(PPT)-7.ppt

第7章直流稳压电源 太原理工大学电工基础教学部 第7章直流稳压电源 7 4串联开关式稳压电源 7 3集成稳压器 7 1整流滤波电路 7 2稳压电路 第7章直流稳压电源 1 理解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 了解开关稳压电源的工作原理 本章要求 7 1整流滤波电路 电源变压器 将交流电源电压u1变为所需要的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压uR 滤波电路 将脉动直流电压uR转变为平滑的直流电压uF 稳压电路 当电网波动及负载变化时 维持输出Uo的稳定 直流稳压电源的组成和功能 7 1 1单相整流电路 1 单相半波整流电路 u2 0时 D导通uD 0 U2 0时 D截止iD 0 uo 0 uo u2 输出平均电压Uo 分析设 输出平均电压 输出平均电流 二极管的选择 二极管上的平均电流 二极管上的最高反向电压 单相半波整流电路 已知 RL 750 U2 20V 求 Uo Io UDRM 并选出二极管 解 Uo 0 45U2 9V 选用2AP4 16mA 50V 2 单相全波整流电路 设 ua 0ub 0时 D1导通D2截止 Ua 0ub 0时 D2导通D1截止 uo ua uo ub 输出平均电压Uo 0 9U2 二极管上的平均电流 二极管上承受的最高电压 输出平均电流 3 单相桥式整流电路 u2正半周时电流通路 分析设 D1D2共阴极 对应uo的 极 D3D4共阳极 对应uo的 极 D1D3在u2的正半周导通 D2D4在u2的负半周导通 u2负半周时电流通路 u2 0时a b D1 D3导通D2 D4截止电流通路 由a 经D1 RL D3 b u2 0时b a D2 D4导通D1 D3截止电流通路 由b 经D2 RL D4 a 输出是脉动的直流电压 桥式整流电路输出波形 输出平均电压Uo 输出平均电流 二极管的选择 二极管上的平均电流 二极管上的最高反向电压 单相桥式整流电路中 若D2发生开路 短路 或反接三种情况 电路中将会发生什么问题 D2开路 相当于半波整流 Uo 0 45U2 D2短路 Uo 0 将变压器副边短路 烧坏绕组和管子 D2反接 Uo 0 将变压器副边短路 烧坏绕组和管子 u1 0时u12 0D1导通 uo1 u12u22 0D3导通 uo2 u22 u1 0时U22 0D2导通 uo1 u22U12 0D4导通 uo2 u12 Uo1 0 9U2Uo2 0 9U2 整流桥实物照片 7 1 2滤波电路 1 电容滤波电路 分析设 并入电容C后 在u2 uC时 D导通 C充电 充电很快 输出电压uo随u2上升 当uC 后 u2开始下降u2uC时C又被充电uo u2又上升 直到u2 uC D又截止 C又放电 如此不断的充电 放电 使输出电压uo脉动程度大为减小 输出平均电压Uo 当RL 即空载时 Uo 1 4U2 通常 输出平均电压可按下述工程估算取值 滤波电容C的确定 一般要求 滤波电容一般为几十微法到几千微法的有极性电容器 二极管导通角小 冲击电流大 容易使管子损坏 电容滤波电路的特点 输出电压Uo高 带负载能力差 只适用于小电流场合 图示电路中 已知U2 20V 试求下列情况时 直流电压表的读数 S1闭合 S2断开 S1断开 S2闭合 S1闭合 S2闭合 某二极管开路 重述上述情况 解 Uo 0 9U2 18V Uo 1 4U2 28V Uo 1 2U2 24V Uo 0 45U2 9VUo 1 4U2 28VUo U2 20V 2 电感滤波电路 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 1 电感滤波电路结构 2 电感滤波原理 对直流分量 f 0 XL 0 L相当于短路 电压大部分降在RL上 U0 0 9U2 当忽略电感线圈的直流电阻时 输出平均电压约为 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 3 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 3 复式滤波器 为了进一步改善滤波特性 可采取多级滤波的办法 如在电容滤波后再接一级RC滤波电路 或在电感滤波后面再接一电容 从而构成LC型或RC LC 型滤波电路 其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似 L C型滤波电路结构 LC 型滤波电路结构 LC 型滤波电路特点 滤波效果比LC滤波器更好 但整流二极管中的冲击电流较大 电感线圈体积大而笨重 成本高 RC 型滤波电路结构 RC 型滤波电路特点 R愈大 C2愈大 滤波效果愈好 但R太大 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 7 2稳压电路 1 电路结构 7 2 1并联型稳压电路 2 工作原理 1 电网电压波动 2 负载波动 通过调节R上的压降来达到稳定输出电压Uo的目的 在稳压管的稳压区 电流变化较大时 稳压管两端的电压变化较小 3 稳压管稳压电路特点 优点 电路简单 元件少 缺点 稳压效果不太好 输出电压不可调 4 稳压管选择办法 5 限流电阻R的选择原则 1 2 电压发生 20 波动 RL 2K 求R和Ui的正常值 解 由KVL得 I1 24mA I2 11mAUi 26V R 800 已知 UZ 12v Izmax 18mA IZmin 5mA 7 2 2串联型稳压电源 1 稳压电源的主要指标 1 电压调整率SU 2 电流调整率SI 3 输出电压的温度系数ST 2 串联反馈型稳压电路 1 电路一般结构 串联式稳压电路由取样 基准电压 放大和调整四个环节组成 取样环节 R1R2分压提取与输出Uo成正比的取样电压UF 基准电压环节 提供稳压的基准电压UREF 放大环节 放大UF与UREF的差值 UREF UF 放大输出Uo的变化量 调整环节 由放大后的变化量调整晶体管的管压降UCE 从而达到稳定输出Uo的目的 2 稳压原理 稳压过程按电网波动和负载电阻改变两种情况分述如下 当电网波动Ui Uo UF UBE UCE Uo 当负载电阻RL Uo UF UBE UCE Uo 电路为电压串联负反馈 调整管T连接成射极跟随器 因而可得 或 在深度负反馈条件下 1 AuFu 1时 可得 当反馈越深时 调整作用越强 输出电压Uo也越稳定 7 1 4简单分立元件组成的稳压电路 典型的串联稳压电源 其中变压器用于将220V市电降成需要的电压后 进行桥式整流和滤波 将交流电变成直流电并滤去纹波 经过简单的串联稳压电路 输出端得到稳定的直流电压 1 稳压过程 当Ui增加或输出电流减小 RL增大 使Uo升高时 7 1 5实际的串联式稳压电源 当Ui减小或输出电流增加 RL减小 使Uo降低时 2 RW的调压作用 UCE2 Uo UBE1 UCE1 RW下调 UF UBE2 UZ不变 3 输出电压的调节范围 例电路如图所示 已知UZ 6V R1 R2 RP 试估算稳压电路输出电压Uo的调节范围 解 由 虚短 知道UF UREF UZ 6V 可估算出 该稳压电路的输出电压能在9V 18V之间调节 作业 7 107 12 7 3集成稳压电源 7 3 1三端固定集成稳压器 单片集成稳压电源 体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉 有输入 输出和公共端 称三端集成稳压器 W7800系列和W7900系列其内部就是串联型晶体管稳压电路 电路内部附有短路和过热保护环节 三端集成稳压器实物照片 三端集成稳压器管脚排列 78系列 输出正电压 79系列 输出负电压 输入 输出 输入 输出 地 地 如 W7805 5V W7915 15V 5V 10V 12V 15V 18V 20V 24V等共11个档次 输出额定电压值 输出额定电流值 有5个档次 W7800系列的 W7800 1 5A W78M00 0 5A W78L00 0 1A W78T00 3A W78H00 5A CW7800的内部结构和基本应用电路 内部结构 基本应用电路 抵消输入长接线的电感效应 防止自激 改善负载的瞬态响应 消除高频噪声 防止输入端短路时C3反向放电损坏稳压器 1 输出固定电压的电路 输入与输出之间的电压差不得低于3V 电容C1 防止自激振荡 0 1 F 0 33 F 电容C2 减小高频干扰 改善瞬态特性 1 F 正负电压同时输出电路 2 输出正负电压的电路 输出电压 UO UXX UZ 3 提高输出电压的电路 UXX 为W78XX固定输出电压 提高输出电压的电路 电压跟随器的电源借助于稳压器的输入直流电压UI 电压跟随器其输入电阻很高 输出电阻抗很低 可以克服稳压器输出电流变化的影响 4 输出电压可调式电路 用W7805组成的7 30V可调式稳压电源 UXX 5V 7 3 2三端可调集成稳压器 1 型号 正电压输出LM117 LM217和LM317系列 负电压输出LM137 LM237和LM337系列 LM117的引脚排列图 LM137的引脚排列图 外形引脚 CW117 CW217和CW317系列 CW137 CW237和CW337系列 工作温度 CW117 137 55 150 C CW217 237 25 150 C CW317 337 0 125 C 基准电压 1 25V 输出电流 L型 输出电流100mA M型 输出电流500mA CWL117 137 CWM117 137 2 内部结构和基本应用电路 内部结构 外形引脚 50 A D1防止输入端短路时C4反向放电损坏稳压器 D2防止输出端短路时C2通过调整端放电损坏稳压器 基本应用电路 UREF 1 25V 使UREF很稳定 125 IREF 50 A 2 2k R1 UREF IQ 125 静态电流IQ 约10mA 从输出端流出 RL开路时流过R1 R2 0 2 2k 时 UO 1 25 24V UREF 1 25V 使UREF很稳定 125 IREF 50 A 2 2k 0 30V连续可调电路 UA 1 25V 当R2 0时 UO 0V LM317三端可调稳压器 输出电流1 5A 图示典型应用的电路 C2滤去R2两端的纹波电压 接入R1和R2使输出电压可调 电压可调范围为1 25 37V 3 应用 其中UREF 1 25V 如果R1 240 R2 2 4k 则输出电压可调范围为1 25V 13 75V 若取R1 240 R2 6 8k 则Uo为1 25V 37V 所以输出电压 7 3 3低压差三端集成稳压器 前述三端输入输出的压差必须大于3V的才能正常的工作 这样的压差在电池供电的装置中是不能使用的 另外 自身功耗大 4 5W 需加散热器 低压差三端稳压器MIC29150 具有3 3V 5V和12V三种电压 输出电流1 5A 与7805封装相同 可以互换使用 主要特点 压差低 典型值为350mV 最大值为600mV 功耗小 0 9W 不用散热片 7 3 4基准电压源 基准电压源一般可以用稳压管组成的稳压源来承担 但目前有很多基准电压集成电路 被广泛用作高性能稳压电源的基准电源 TL431主要应用于稳压电源 仪器仪表 可调电源和开关电源中 是稳压二极管的良好替代品 7 4串联开关式稳压电源 7 4 1概念 1 线性稳压电源 缺点 调整管管耗大电源效率低 40 60 装散热器体积大 改进思路 使调整管 截止 电流小 IC 0 饱和 管压降小 UCES 0 调整管工作在放大区 线性区 优点 输出电压稳定度高电压纹波小线路简单 工作可靠 2 开关稳压电源 调整管处于开关状态 饱和 UCES 0 截止 IC 0 开关稳压电源的优点 效率高 80 90 体积小 重量轻 稳压范围宽 开关稳压电源的缺点 电路复杂 对电网要求不高 对电子设备干扰较大 输出电压含较大纹波 7 4 2开关电源的组成 调整管 取样电路 脉宽调制电路开关调整管控制 滤波 频率固定的三角波 误差放大 续流 1 取样环节 R1 R2分压提取取样电压uF 反馈电压 2 基准电压环节 提供稳压的基准电压UREF 3 放大环节 比较放大器A 放大差值 UREF uF 4 调整环节 调整管T由开关信号控制通断 稳定输出电压UO 5 LC滤波器及续流二极管D 滤波和续流得到平稳的直流电压 6 脉宽调制比较器C 反相端接uT 三角波发生器的输出 同相端接uA 比较放大器输出 输出开关信号uB驱动调整管 三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路 PWM 7 3 3开关电源的工作原理 1 分析 当uB为高电平 T饱和 D截止 uE UI 经LC滤波到负载RL 同时iL L和C储存能量 当uB为低电平 T截止 D导通 uE UD 0 D续流 LC泄放能量给RL供电 输出较平稳的直流电压 虽然T处于开关状态 但由于D的续流和L C的滤波作用 输出电压UO是比较平稳的 2 输出平均电压及占空比 调整管通断时uE的波形为矩形波 UI 输出平均电压 忽略滤波电感L的直流压降 占空比 可见 对于一定的UI值 通过调节占空比即可调节输出电压UO uE uD iL uO的波形 UI 7 4 4开关电源的稳压原理 占空比 D 50 当uF UREF uA 0 UO为预定标称值 1 UO 标准值 USET q 50 时的情况 运放A uF UREF 其输出UA 0 运放C 为过零电压比较器 其输出UB对称 ton toff 2 UO 标准值 USET q 50 时的情况 运放A uF UREF 其输出UA 0 运放C 为负电压比较器 当uT UA时UB 0 ton toff 调整管时间ton 占空比q 输出电压UO 3 UO 标准值 USET q 50 时的情况 运放A uF UREF 其输出UA 0 运放C 为正电压比较器 当uT UA时UB 0 ton toff 调整管时间ton 占空比q 输出电压UO 总之 当UI或RL变化使UO变化时 可自动调整脉冲波形的占空比使输出电压维持恒定 最低开关频率fT一般在10 100kHz之间 fT越高 所需的L C越小 这样 系统的尺寸和重量将会减小 成本将随之降低 另一方面 开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加 使开关调整管的管耗增加 而效率将降低 注意 截止 7 4 5并联型开关稳压电路简介 高电平 低电平 截止 饱和 导通 单片脉宽调制式 外接开关功率管 7 4 6集成开关稳压器 类型 单片集成开关稳压器 CW1524 CW4960 4962 1 CW1524 2524 3524 区别在于温度范围 组成 基准电压源 误差放大器 脉宽调制器 振荡器 触