《教材10稳压电源》PPT课件.ppt

第10章直流稳压电源 基本要求 1 掌握单相半波整流电路 单相桥式整流电路 2 掌握电容滤波电路的分析计算与元件选择 3 掌握稳压管稳压电路及其应用 第10章直流稳压电源 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 第10章直流稳压电源 直流稳压电源可分为开关电源和线性电源 开关电源优点 效率高 体积小 缺点 精度低 稳定性差 噪声大 线性电源优点 稳定性好 精度高 噪声小 缺点 效率低 体积大 对于电源稳定性要求不高的一般情况供电和输出大功率电源 可选用开关电源 对于电源精度 噪声要求高的场合 如电压基准源 高精度测量仪器等等 必须选用线性电源 第10章直流稳压电源 直流稳压电源由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路等四部分组成 交流电源 负载 变压 整流 滤波 稳压 半导体直流电源的原理方框图 电源变压器 将220V交流电降压变为所需要的电压值 整流电路 通过整流二极管将交流电压转换为直流电压 滤波电路 用滤波电路滤出交流分量 使输出电压平滑 稳压电路 使输出电压不受电网电压的波动 负载和温度变化的影响 提高输出电压的稳定性 补充A变压器 变压器是一种利用电磁感应传递电能和信号的电气设备 它具有变换电压 电流和阻抗匹配的功能 在电力系统和电子技术中有着极其广泛的应用 变压器的种类繁多 用途各异 但其基本结构和工作原理是相同的 A 1变压器的基本结构 变压器主要由铁心和绕组 或称线圈 构成 按铁心和绕组的配置情况 变压器可分为心式和壳式 如图所示 心式的特点是绕组包围铁心 多用于容量较大的单相变压器 壳式的特点是铁心包围绕组 多用于小型单相变压器中 a 心式 b 壳式 变压器的基本结构1 铁心 2 线圈 A 1变压器的基本结构 绕组是变压器的电路部分 其中 与电源相连的绕组称为原绕组 与负载相连的绕组称为副绕组 绕组常用绝缘铜线或铝线绕制而成 为了加强绕组之间的磁耦合 绕组多采用同心式结构 即将高 低压绕组绕在同一铁心柱上 为了便于与铁心绝缘 低压绕组靠近铁心放置 而高压绕组则套在低压绕组的外侧 铁心是变压器的磁路部分 为了减小铁心损耗 变压器的铁心都是用表面涂有绝缘漆的厚度为0 35 0 5mm的硅钢片叠成的 B 2变压器的原理和作用 一般规定 当原绕组接于额定电压U1N时 副绕组的空载电压U20就是副绕组的额定电压U2N 变压器铭牌上所标额定电压U1N U2N 实际也等于给出了变比K 变压器必须按额定电压使用 电源 u1 e1 u2 e2 e2 Z Z 1 2 3 4 i2 i2 i1 原绕组 副绕组 原副绕组的电压 电流 之比为 N 绕组匝数 k 变压器变比 B 2变压器的原理和作用 即变压器副边接一阻抗为 ZL 的负载时 对原边电源而言 相当于接上K2 ZL 的负载 这就是变压器的阻抗变换作用 在电子线路中 常用阻抗变换实现阻抗匹配 负载阻抗的等效变换 副边接上负载ZL时 有 对电源而言 如图所示 它所接的负载等效阻抗为 变压器电路 等效电路 B 2变压器的原理和作用 电流从两个绕组的同极性端流入或流出时 产生的磁通相同 或当磁通变化时 在同极性端感应电动势的极性也相同 电源 u1 e1 u2 e2 e2 Z Z 1 2 3 4 i2 i2 i1 e2 e2 原绕组 副绕组 e2 u1 绕组的同极性端与它们的绕向有关 若已知线圈的绕向 则用右手螺旋法则可以判断出同名端 而实际的变压器线圈 经过浸漆或其他工艺处理 无法从外表来辨认其绕向 因此 只能用实验的方法测定同名端 标有 的两端称为同极性端 1 3是同极性端 此时同为 1 4是同极性端 此时同为 10 1整流电路 单相整流电路利用二极管的单向导电性 将单相交流电变换为直流电 在小功率电源电路中 有单相半波 单相全波 单相桥式等形式 其中 单相桥式整流电路应用最为广泛 10 1 1单相半波整流电路 iD 电路如图 设变压器副边电压为 整流电路 将交流电压变换为单向脉动电压的电路 整流元件是具有单向导电能力的二极管 根据二极管的单向导电性 在加正向电压时二极管导通 负载两端有输出电压 而在加反向电压时二极管截止 负载得不到输出电压 负载的电压波形及电流波形见右下曲线图 二极管只在半个周期能够导电 而负载上得到的电压是单一方向 大小随时间而变的 单向脉动电压 对这种整流的输出电压 常用一个周期的平均值来表示大小 其平均值为 整流电压的平均值 如果电路负载已知 则整流输出电流的平均值为 10 1 1单相半波整流电路 二极管所承受的最大反向电压 有一单相整流电路 负载电阻为900 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 例 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 10 1 2单相桥式整流电路 10 1 2单相桥式整流电路 在变压器副边电压u为正半周时 二极管D1 D3导通 而二极管D2 D4截止 当副边电压u为负半周时 二极管D2 D4导通 而二极管D1 D3截止 桥式整流电路的工作情况 10 1 2单相桥式整流电路 负载电阻中通过的输出电流 每只二极管中通过的电流仅为输出电流一半 每只二极管承受的最高反向电压 单相桥式整流电路的输出电压 变压器副边在正负半周均有电流流过 其电流仍为正弦量 电流有效值为 有一桥式整流电路 负载电阻为160 要求输出电压的平均值为20V 试选择合适的二极管并确定变压器副边电流的有效值 解 例 因U0 20V 所以Io Uo Ro 20 160 125mA流过二极管的平均电流为ID 0 5Io 0 5 125 62 5mA 变压器副边电压有效值为U Uo 0 9 20 0 9 22 2V 查附录可知 应选用2CZ52B 100mA 50V 二极管 变压器副边电流有效值为 二极管承受的最高反向电压为 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 半波 全波 桥式 10 2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 10 2 1电容滤波电路 D t 0 u t 0 u D截止 D导通 D导通 D截止 D导通 电容滤波器的作用 uc u2 二极管UDRM 2 2U U 无滤波 有滤波 单相半波电容滤波 10 2 1电容滤波电路 单相桥式电容滤波 t 0 u 电容滤波器的作用 二极管UDRM 2U 有滤波 a Tr b u D1 D2 D3 D4 C 电容滤波器输出电压的脉动程度有所改善 但带负载能力较差 在负载不同的情况下 取用输出电流Io愈大输出平均电压Uo愈小 其外特性曲线如右图 采用电容滤波时 输出电压的脉动程与电容器的放电时间常数RLC有关 其值愈大则脉动程度就愈小 一般认为 或 即可达到要求 此时输出电压Uo由下式估算 半波 全波 10 2 1电容滤波电路 电容滤波电路中元件的选择 由于二极管的导通时间较短 因此通过二极管的的电流峰值较大 应避免电流冲击损坏二极管 由于滤波电容保持有电压输出 应注意二极管截止时所承受的最高反向电压UDRM有所不同 带电容滤波的半波整流电路 带电容滤波的桥式整流电路UDRM不变 常用电容器一般在101 103微法 视负载电流大小而定 其耐压值应大于输出电压的最大值 一般大容量电容具有极性 10 2 1电容滤波电路 有一单相桥式整流带电容滤波的电路 已知交流电源频率f 50Hz 负载电阻RL 200 要求输出直流电压Uo 20V 选择整流二极管和滤波电容 解 例 流过负载的平均电流为 变压器副边电压有效值 按Uo 1 2U计算 查附录可知 应选用2CZ52B 100mA 50V 流过二极管的电流为 二极管承受的最高反向电压为 应选用C 250 F 耐压为50V的电解电容 要进一步减小输出电压的脉动程度 可在滤波电容之前串入铁心电感线圈L 即LC滤波器 电感电容滤波电路 直流分量全部加到负载RL上 频愈高 交流分量在XL上的压降愈大 加到RL上的交流分量压降愈小 从而负载RL上输出的电压脉动减小 波形变平滑 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 输出电压脉动很小场合 更适合高频滤波 10 2 2电感滤波电路 经桥式整流后输出的单向脉动电压可分解为直流分量和谐波分量 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滤波器的效果更好 但整流二极管的冲击电流较大 由于线圈体大且重 有时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 电压脉动很小场合 10 2 3复合滤波器 实际电源举例 如图电源输出电压为24V 电流为1 8A 变压器副绕组N3的电压约为20V C2起抑制高频干扰作用 副绕组N2的电压为5 5V 供照明指示灯用 直流24V电池的极性可任意接入 10 2 3复合滤波器 10 3稳压电源 经整流和滤波后 虽脉动程度有了最大改善 但直流电压幅度还会随着电网的波动或负载的变化而变化 最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的 10 3 1稳压管稳压电路 如图采用桥式整流和电容滤波 得到直流电压UI 再经过限流电阻R和稳压管DZ 使负载得到一个比较稳定的直流电压 电压的稳定过程 选择稳压管一般规律 UZ UOIZmax 1 5 3 IOMUI 2 3 UO u UI Uo IZ 稳压管特性 UR IR IZ Io 抵偿UI 保持负载电压Uo近似不变 当电源电压升高时 当负载增加时 Io IR UR Uo UI不变 IZ 抵偿Io Uo不变 10 3 1稳压管稳压电路 由稳压管稳压电路和运算放大器组成恒压源 10 3 2恒压源 反相输入恒压源 同相输入恒压源 为了扩大运算放大器输出电流的变化范围 把同相输入恒压源的输出接在大电流晶体管T的基极而从发射极输出 就变成串联型稳压电路 10 3 3串联型稳压电路 调整T构成一射极输出器 其作用是进行电流放大 若将调整管和运算放大器视为基本放大电路 稳压管的稳定电压Uz视为输入电压 取样电路RF和R1视为反馈电路 则这个稳压电路就是同相比例放大电路 反馈类型为串联电压负反馈 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 W78xx系列稳压器 10 3 4集成稳压器 从外形看 集成稳压器有三个接线端 即输入端 输出端和公共端 故而称为三端集成稳压器 W78xx系列稳压器主要参数 W7800系列为正电源输出 W7900系列为负电压输出 典型应用只需在输入端和输出端与地之间各并联一个电容即可 前者抵消较长输入线的电感效应 防止产生自激振荡 后者用于吸收负载突变所产生的电压抖动杂波 10 3 4集成稳压器 1 正负电源同时输出电路 2 输出电压可调的电路 滑块最高 R2小 Uo最小 滑块最低 R2大 Uo最大 运算放大器起电压跟随器作用 其电源是稳压电路的输入电压 忽略I3 虚短 虚断 三端固定输出电压集成稳压器虽然通过外接电路构成输出电压可调的稳压电源 但性能指标有所降低 而且使用也不方便 因此三端可调输出电压集成稳压器应运而生 这类稳压器与三端固定式集成稳压器一样 既有正压稳压器 CW117 CW217 CW317 也有负压稳压器 CW137 CW237 CW337 同时就输出电流而言 有100mA 0 5A 1 5A等各类稳压器 应用十分方便 可以用它们构成多种形式的集成稳压电源 10 3 4集成稳压器 CW117 CW217 CW317系列是输出电压为1 25 37V 输出电流可达1 5A的三