直流电源 电路知识讲解

7 1直流稳压电源 1直流稳压电源的组成及各部分的作用 2整流电路和滤波电路 3稳压管稳压电路 4串联型稳压电路 串联型稳压电路的组成及稳压原理 集成稳压器 前言 在电子系统中 一般都要有直流电源供电 获得直流电源的最常用的方法是由交流电网转换为直流电压 这要通过整流 滤波和稳压等环节来实现 对直流电源的要求是 输出电压尽量不受电网电压波动 输出负载变化和温度变化的影响 输出电压中脉动和噪声成分小 转换效率高 直流稳压电源的组成 由变压器 整流 滤波及稳压4部分电路组成 直流稳压电源的结构 交流电源 正弦交流 变压器 正弦交流 整流电路 脉动信号 直流信号 滤波电路 有纹波的直流信号 稳压电路 负载 稳定的直流信号 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo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 end 7 1 1单相整流电路 整流电路的任务 把交流电压转变为直流脉动的电压 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 整流电路分类 本课主要介绍 单相半波整流 单相桥式整流 1 单相半波整流电路工作原理 u2 0时 二极管导通 忽略二极管正向压降 uo u2 u2 0时 二极管截止 输出电流为0 uo 0 2 输出电压平均值 Uo 1 输出电压波形 4 二极管上承受的最高电压 3 二极管上的平均电流 ID IL 0 45U2 RL 单相半波整流电路主要参数 2 单相全波整流电路 原理 变压器副边中心抽头 感应出两个相等的电压u2 当u2正半周时 D1导通 D2截止 uo u2 当u2负半周时 D2导通 D1截止 uo u2 单相全波整流电压波形 忽略二极管正向压降 输出电压平均值 Uo 输出电流平均值 Io Io Uo RL 0 9U2 RL 二极管上的平均电流及承受的最高反向电压 二极管上的平均电流 二极管承受的最高反向电压 1 电路结构 交流电源 降压变压 桥式整流 负载 2 工作原理 D1 D3导通D2 D4截止uo u2 在u2正半周 在u2负半周 D1 D3截止D2 D4导通uo u2 3 单相桥式整流电路 1 整流输出电压平均值 Uo AV 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Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标 单相桥式整流电路的主要参数 Sr定义 整流输出电压的最低次谐波峰值Uo1m与平均值Uo之比 Sr越小越好 2 脉动系数 r 用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得 单相桥式整流电路的主要参数 平均电流 ID 与反向峰值电压 URM 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 单相桥式整流电路的主要参数 选购时 二极管额定电流 ID 选购时 最大反向电压 URM 单相桥式整流电路的主要参数 电路主要参数总结 1 输出电压平均值uo AV uo AV 2 输出电流平均值io AV 3 二极管电流平均值iD AV 4 二极管最高反向电压URM 5 输出电压脉动系数Sr 单相桥式整流电路 3 4 电路的简化画法 桥堆式整流器外形 几种常见的硅整流桥外形 单相桥式整流电路 end 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 7 1 2滤波电路 1 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 1 电容滤波原理 RL接入 且RLC较大 时 忽略整流电路内阻 无滤波电容时的波形 加入滤波电容时的波形 u2上升 u2大于电容上的电压uc u2对电容充电 uo uc u2 u2下降 u2小于电容上的电压 二极管承受反向电压而截止 电容C通过RL放电 uc按指数规律下降 时间常数 RLC 只有整流电路输出电压大于uc时 才有充电电流 因此二极管中的电流是脉冲波 二极管中的电流 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 a uc 近似估算 Uo 1 2U2Io Uo RL b 流过二极管瞬时电流很大 RLC越大 Uo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 电容滤波电路的特点 a 输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关 RLC愈大 电容器放电愈慢 Uo 平均值 愈大 c 二极管承受的最高反向电压 滤波电路 2 当负载开路时 由于不存在放电回路 所以输出电压平均值U0 AV 1 414U2 2 电感滤波电路 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 电感滤波原理 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 对直流分量 XL 0相当于短路 电压大部分降在RL上 3 其它滤波电路 RC 型滤波器 LC 型滤波器 可以将电容 电感互换吗 end 改善滤波特性的方法 采取多级滤波 稳压电路的作用 7 1 3稳压管稳压电路 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 目前用的也比较多 稳压电源类型 1 稳压系数S 越小越好 稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响 定义为当负载固定时 输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比 2 输出电阻Ro 越小越好 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响 定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比 它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻 稳压电路的主要性能指标 稳压二极管稳压电路 1 交流电源 降压变压 桥式整流 负载 电容滤波 电路结构 稳压电路 稳压工作原理 造成输出电压不稳定的因素 输入电压波动 负载变化 1 设电源u1增大 负载不变 稳压过程 u1 u2 u0 u0 uZ b 伏安特性 UZ IZ IZ IR IR u0 uR uR u0 2 设电源u1不变 负载减小 稳压过程 RL u0 uZ IZ IR uR u0 稳压二极管稳压电路 2 例 有一稳压管稳压电路 设RL由开路变为3k 整流滤波后电压u0 45V 若要求输出直流电压U0 12V 试选择稳压管DZ 并确定R的大小 解 选择稳压二极管的一般原则是 UZ U0 IZmax 1 5 3 IOmax 对本题有 输出电压U0 12V 输出最大电流 查元件手册 选稳压管2CW60 有UZ 11 5 12 5V IZ 5 19mA 电阻R的选择依据是什么 电阻R的大小要保证稳压管工作在稳压状态 稳压管工作在稳压状态的条件是什么 稳压管电流IZ满足 IZmin IZ IZmax 稳压二极管稳压电路 3 由电路结构有 IR IZ IO 当RL开路时 即IO 0 IZ达最大值 据题意 有 IZ Izmax 19 mA 而 即 IR IZ Izmax 19 mA 当RL 3k 时 即IOmax 12 3 4 mA IZ IR 4 mA 据题意 有 IZ Izmim 5 mA 即 IR IZ 4 5 4 9 mA 所以 9 IR 19 mA 即 将数据代入 得R的取值范围为 1 74k R 3 67k end 7 1 4串联型稳压电路的组成及稳压原理 稳压管稳压电路的特点 电路结构简单 但负载变化受稳压管稳压条件的限制 输出电压不能调节 采用串联型反馈式晶体管稳压电路 串联型稳压原理 通过改变R的大小 实现调压的目的 通过改变基极电流 实现调压的目的 接控制电路 串联反馈式稳压电路 1 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 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UO加大 比较放大电路使UB1变小 从而使UO降低 2 一种实际的串联式稳压电源 稳压原理 当UI增加或输出电流减小使Uo升高时 3 输出电压的确定和调节范围 例 UI 18V UZ 4V R1 R2 RW 4 7k 求输出电压的调节范围 4 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 典型串联型晶体管稳压电路 交流电源 降压变压 桥式整流 负载 电容滤波 稳压电路 设电源u1不变 负载减小 稳压过程 RL u0 uf UB IB uCE u0 控制电路 取样电路 基准电源 uf uB IB IC IC 电路结构 end 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 9VW7900系列 稳定负电压W7912输出 12VW7915输出 15V有 5 6 8 9 10 12 15 18 24V九个等级 9 4 2集成三端稳压器 外形封装 金属菱形 塑封 金属圆形 塑封 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 防止电路产生自激振荡 滤除输出高频信号 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 线性串联型集成三端稳压器 4 三端稳压器基本应用电路 输出直流电压U0 XX U0 U0 大于UO3 5V 防止电路产生自激振荡 滤除输出高频信号 470uF电容作用 1 单电源稳压电路 U1 220VU2 8V UC1 1 2U2 9 6VUo 5V 线性串联型集成三端稳压器 5 2 双电源稳压电路 线性串联型集成三端稳压器 6 3 输出电压扩展稳压电路 调节R2 即可改变输出电压 设R R1 R2 R3 则有 又设稳