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第十章直流稳压电源 福建师范大学福清分校 学习要点 1 整流电路 二极管单向导电性 半波整流 全波整流 桥式整流 2 滤波电路 电容滤波 桥式整流 电感滤波 3 稳压电路 稳压管稳压电路 串联式稳压电路 电路结构及工作原理 四个组成部分 稳压过程 4 集成稳压器 三端固定式集成稳压器及其使用 三端可调式集成稳压器 5 开关型稳压电路 可控硅整流电路 单结管的触发电路 10 1直流电源的组成 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 采用负反馈技术进一步稳定直流电压 减少电网波动及负载变化的影响 保持输出电压u0的稳定 直流稳压电源作用将交流电转为直流电压 10 2单相整流电路 整流电路是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 桥式整流等 为分析简单起见 我们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 2 1单相半波整流电路 优点 使用元件少 缺点 输出波形脉动大 直流成分小 变压器利用率低 输出电压平均值 U0 二极管上的平均电流 ID I0 二极管上承受的最高电压 输出电压脉动系数 u正半周 Va Vb 二极管D导通 u负半周 Va Vb 二极管D截止 10 2 2单向全波整流电路 当u2负半周时 D2导通 D1截止当u2正半周时 D1导通 D2截止 其特点是输出电压波动小 变压需中心抽头 绕制复杂 成本高 笨重 输出电流平均值 输出电压平均值UL 输出电压脉动系数为 流过二极管的平均电流 二极管承受的最高反向电压 10 2 3单相桥式整流电路 输出直流电压 脉动系数 二极管正向平均电流 二极管最大反向峰值电压 单相整流电路的主要参数 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过 而半波和全波整流电路中均有直流分量流过 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高 在同样的功率容量条件下 体积可以小一些 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路 故广泛应用于直流电源之中 三相桥式整流电路 1 电路 三相变压器原绕组接成三角形 副绕组接成星形 在一个周期中 每个二极管只有三分之一的时间导通 导通角为120 负载两端的电压为线电压 2 工作原理 在t1 t2期间共阴极组中a点电位最高 D1导通 共阳极组中b点电位最低 D4导通 在t2 t3期间共阴极组中a点电位最高 D1导通 共阳极组中c点电位最低 D6导通 在t3 t4期间共阴极组中b点电位最高 D3导通 共阳极组中c点电位最低 D6导通 在t4 t5期间共阴极组中b点电位最高 D3导通 共阳极组中a点电位最低 D2导通 3 参数计算 整流电压平均值 整流电流平均值 流过每管电流平均值 每管承受的最高反向电压 10 3滤波电路 许多电子设备需要平稳的直流电源 所以整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除 得到比较平滑的输出电压 通常是利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 电容器C对直流阻抗大 对交流阻抗小 C并联在负载两端 电感器L对直流阻抗小 对交流阻抗大 因此L与负载串联 经过滤波电路后 提高直流分量比例 减小交流分量比例 减小电路的脉动系数达到平滑输出电压波形的目的 10 3 1电容滤波 通过电容的储能作用 在u2升高时 把部分能量储存起来 充电 在u2降低时 把储存的能量释放出来 放电 从而在负载RL上得到一个比较平滑的 近似锯齿形的输出电压uo 使其脉动程度大为降低 适用于负载电流较小的场合 充电过程 放电过程 电容滤波的计算一般常采用以下近似估算法 输出直流电压 在RLC 3 5 T 2的条件下 近似认为VL VO 1 2V2脉动系数S约为10 20 输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变 Uo和S也随之改变 如 RL越小 C越大 Uo下降越多 S越大 例 正弦波频率f 50Hz 即T 0 02s 设C 2500 F RL 1k 则 输出直流电压 脉动系数S约为 电容滤波后面再加一级RC滤波 因为R1有直流压降 所以效率要低一点 只能用于负载电流较小的场合 10 3 3电感滤波电路和LC滤波电路 一 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 利用电感对高频电流的感抗很大 使负载电流中的谐波分量降低 达到滤波目的 特点 整流管导通角较大 峰值电流很小 输出特性平坦 适用于低电压大电流的场合 缺点是电感铁芯笨重 体积大 负载交流分量有效值 负载直流分量 脉动系数S 当忽略电感线圈的直流电阻时 输出平均电压约为 UO 0 9U2 二 LC滤波电路 为进一步改善滤波特性 在电感滤波后面再加一级电容滤波 负载交流分量有效值 负载直流分量 脉动系数S 10 3 4LC 型滤波电路 脉动系数S 五种滤波电路外特性比较 10 4倍压整流电路 10 4 1二倍压整流电路 倍压整流是利用电容器的充放电工作方式 其特点是在小电流的条件下 能获得高于输入交流电压幅值的直流电压 并联二倍压整流电路 串联二倍压整流电路 并联二倍压整流电路工作原理 u2的正半周时 D1导通 D2截止 理想情况下 电容C1的电压充到 u2的负半周时 D2导通 D1截止 理想情况下 电容C2的电压充到 10 4 2多倍压整流电路 适用于要求输出电压较高 负载电流较小的场合 二极管耐压 电容器耐压 10 5硅稳压管稳压电路 适用于输出电压固定 输出电流不大 且负载变动不大的场合 引起输出电压变化的原因是 1 交流电网电压通常允许有 15 的波动 这将使整流电压的直流分量随之变化 2 负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降 使输入电压变化 二 稳压系数反映电网电压波动时对稳压电路的影响 10 5 1稳压电路的主要指标 一 内阻反映稳压电路受负载变化的影响 实际上就是电源戴维南等效电路的内阻 四 电流调整率 三 电压调整率 输出电流从零变化到最大额定值时 输出电压的相对变化值 五 纹波抑制比 输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数 六 输出电压的温度系数 如果考虑温度对输出电压的影响 则输出电压是输入电压 负载电流和温度的函数 10 5 2硅稳压管的伏安特性 伏安特性主要是反向击穿区 高于7V以上是雪崩击穿 低高于4V以下是齐纳击穿 中间段两种击穿都有可能 在反向击穿区 流过稳压管的电流发生很大变化 两端电压基本不变 10 5 3硅稳压管稳压电路 一 电路组成和工作原理 稳压原理 利用稳压管的反向击穿特性 当电路电源电压或负载电流变化时 引起IZ变化 使R上的电压发生变化来维持输出电压不变 1 当输入电压变化时 U2 UO IZ IR UR UO 2 当负载电压变化时 IO UO IZ IR UR UO 二 内阻和稳压系数的估算 1 内阻Ro 2 稳压系数Sr 三 限流电阻的选择 1 当电网电压最高和负载电流最小时 IZ的值最大 此时IZ不应超过允许的最大值 即 2 当电网电压最低和负载电流最大时 IZ的值最小 此时IZ不应低于其允许的最小值 即 10 6串联型稳压电源 优点 工作电流较大 输出电压可连续调节 缺点 损耗较大 效率低 10 6 1电路组成和工作原理 R VDZ 基准电压UF 比较放大Q 调整管R1 R3 取样 输入电压VI的增加 会使输出电压VO有所增加 输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较 获得误差信号 V 误差信号经放大后 用VO1去控制调整管的管压降VCE增加 从而抵消输入电压增加的影响 VI VO Vf VO1 VCE VO 负载电流IL的增加 必然会使输入电压VI有所减小 输出电压VO必然有所下降 经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较 获得的误差信号使VO1增加 从而使调整管的管压降VCE下降 从而抵消因IL增加 使输入电压减小的影响 IL VI VO Vf VO1 VCE VO VO1为调整管的基极电压 10 6 2输出电压调节范围 其中 为电位器R2的上下两部分的电阻 调节活动端 就可以改变输出电压 当R2的滑动端调至最上端时 UO为最小值 当R2的滑动端调至最下端时 UO为最大值 计算输出电压的调节范围 例 解 10 6 3调整管的选择 一 集电极最大允许电流 二 集电极和发射极之间的最大允许电压 三 集电极最大允许耗散功率 四 稳压电路的输入直流电压 五 变压器副边电压 10 6 4稳压电路的过载保护 串联型稳压电源的内阻很小 如果输出端短路 则输出短路电流很大 同时输入电压将全部落在调整管上 使调整管的功耗增加 它将因过热而损坏 为此必须对稳压电源的短路和过载进行保护 1 限流型 当调整管的电流超过额定值时 对调整管的基极电流进行分流 使发射极电流不至于过大 当IL不超过额定值时 T 1截止 当IL超过额定值时 T 1导通 其集电极从T1的基极分流 IL降低 R为一小电阻 用于检测负载电流 2 截流型当发生短路时 通过保护电路使调整管截止 从而限制了短路电流 使之接近为零 截流特性曲线 当输出电流在额定值以内时 三极管T2截止 这时 电压负反馈保证电路正常工作 当输出电流超出额定值时 因输出电压降低 通过R3反馈 三极管T2逐渐导通 R4压降增加 稳压管截止 放大器转为高电平 T1截止 最终UO降低到零 负载故障排除后 IL减小 使稳压电路的输出恢复到原来的数值 10 7三端集成稳压器 三端集成稳压器是将调整管 比较放大电路 基准电源 取样电路及连接导线等制作在一片硅片上 它有三个端子 输入端 输出端和公共端 10 7 1三端集成稳压器的组成 集成稳压电源分为 可调式 负稳压和正稳压 输出额定电压值有如下系列 5 6 8 9 12 15 18 24V 输出额定电流值有如下系列 100 500 1500mA TO 92TO 3T0 220 1 输入端2 公共端3 输出端 1 公共端2 输入端3 输出端 1 调节端2 输出端3 输入端 最高输入电压为35V 最小输入 输出电压差为2 输出电压变化率为0 1 0 2 集成稳压器符号 10 7 2三端集成稳压器的主要参数 1 电压调整率 稳压系数 反映当负载电流和环境温度不变时 电网电压波动对稳压电路的影响 2 电流调整率反映当输入电压和环境温度不变时 输出电流变化时输出电压保持稳定的能力 即稳压电路的带负载能力 3 输出电压UO 4 最大输出电流IOM 5 最小输入 输出电压差 Ui UO min 6 最大输入电压UiM 7 最大功耗PM 三端集成稳压器LM7805内部电原理图 可调式三端集成稳压器正电压LM317内部结构图 输出电压 调整电流 10 7 3三端集成稳压器的应用 1 基本电路 接一保护二极管VD 以防止输入端短路C4放电造成7805内部调整管BE结的击穿 输出正 负电压的电路 2 扩大输出电流 IO I2 IC 当IO较小时 UR较小 T截止 IC 0 当IO IOM时 UR较大 T导通 IO IOM IC R可由功率管T的UBE和稳压器的IOM确定 即R UBE IOM UO UXX UZ 3 提高输出电压的电路 UO 4 使输出电压可调 0 30V连续可调电路 利用三端集成稳压器组成恒流源 稳压器做恒流源 10 8开关型稳压电路 10 8 1开关型稳压电路的特点和分类 特点 线性稳压电路的缺点 调整管功耗大 电源效率低 40 60 开关型稳压电路 switchingmoderegulatingcircuit 可克服上述不足 它的调整管工作在开关状态 饱和导通时 电流较大 但管压降很小 截止时 管压降较大 但流经管子的电流很小 若管子在转换时所用的过渡时间占开关周期的10 以下 那么效率可达 80 90 开关稳压电路的优点 效率高 稳压范围宽 对电网要求不高 体积小 重量轻 开关稳压电路的缺点 输出电压含较大纹波 对电子设备干扰较大 电路复杂 分类 脉冲宽度调制型 PWM 脉冲频率调制型 PFM 和混合调制型 低压开关稳压电路 高压开关稳压电路 自激式 它激式 双极型三极管 MOS管和可控硅开关电路等 开关稳压电源框图 开关稳压电源中的控制部分目前都由集成开关稳压器来工作 其代表产品有UC3842 UC3854 TL494等 这类脉宽调制器需要外接开关功率调整管 其电路复杂 但应用灵活 另一类是把脉宽调制器和开关功率管制作在同一芯片上 构成单片集成开关稳压器 其代表产品有LH1605 A78S40等 脉冲宽度调制式开关型稳压电路 当ut uA时 uB UOPP 调整管饱和导通 iE向负载提供电流 并将能量储存在电感的磁场中 当ut uA时 uB UOPP 调整管截止 iE 0 电感释放能量 产生的电流流过负载和二极管 调整管处于开关状态 发射极电位是高低交替的脉冲波形 经LC滤波电路后 负载上得到较平滑的输出电压 10 9可控整流电路 10 9 1晶闸管的基本特性 阳极 阴极 控制极 一 结构 晶闸管是用硅材料制成的半导体器件 它由4层半导体材料 PNPN 构成 有3个PN结 J1 J2和J3 由P1引出阳极A N2 引出阴极K 中间的P2引出控制极G 晶闸管可以看成是一个PNP型晶体管与一个NPN型晶体管连接在一起的晶体管组 它的V1集电极与V2的基极相连 V2的集电极又和V1的基极相连 这样就构成了正反馈电路 二 工作原理控制极不加电压 无论在阳极与阴极之间加正向或反向电压 晶闸管都不导通 阻断2 控制极与阴极间加正向电压 阳极与阴极加正向电压 晶闸管 导通 晶闸管导通后 管压降很小 约为1V左右 三 伏安特性和主要参数 UBO 正向转折电压IH 维持电流正向阻断特性 IG 0 阳极电压不超过一定值 管子处于阻断状态 正向导通特性 管子导通后 伏安特性与二极管的正向特性相似 控制极电流IG 0时 晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小 反向特性 与二极管的反向特性相似 10 9 2单相桥式可控整流电路 控制角 导电角 一 电路组成及工作原理在u2正半周 当控制极加触发脉冲 VT1和VD2导通 在u2负半周 当控制极加触发脉冲 VT2和VD1导通 由于全控整流电路需用4只晶闸管 触发电路比较复杂 因此在通信整流设备中一般都采用桥式半控整流电路 二 电路参数的估算 即 输出电压平均值 输出电流平均值 晶闸管承受的最大反向电压 10 9 3单结管触发电路 晶闸管导通并能正常工作的条件是 除在阳极与阴极之间加上正向电压外 还必须在控制极与阴极之间加上适当的触发信号 产生和控制触发信号的电路称为触发电路 为了保证晶闸管的可靠工作 对触发信号有以下6点要求 1 触发时 能提供足够的触发脉冲电压和电流 2 触发电路的漏电压不超过0 25V 3 触发脉冲的前沿时间小于10 s 4 触发脉冲要有足够的