第4章 直流稳压电源.ppt

1,电子技术,直流稳压电源,2,第4章直流稳压电源,串联型稳压电路的组成和工作原理。稳压电路的质量指标。*集成稳压器的使用方法。*开关型稳压电路的组成和工作原理。,学习要点,3,直流稳压电源的组成：,4,直流稳压电路,将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。直流稳压电路按调整器件的工作状态可分为线性稳压电路和开关稳压电路两大类。稳压管电路使用起来简单易行，但转换效率低，体积大,输出电压不可调整；串联型稳压电源输出电压可调，帶负载能力比较大，是常用的一种稳压电源。开关稳压电路体积小，转换效率高，但控制电路较复杂。随着自关断电子器件（自动转换器件）和集成电路的迅速发展，开关电源已得到越来越广泛的应用。,5,直流稳压电源,常用稳压电路(小功率设备),稳压管稳压电路,线性稳压电路,开关型稳压电路,并联型,串联型,6,4.1.1稳压管（与负载并联型）稳压电路,工作原理：输入电压Ui波动时会引起输出电压Uo波动。如Ui升高将引起U0随之升高，导致稳压管的电流IZ急剧增加，使得电阻R上的电流I和电压UR迅速增大，,从而使Uo基本上保持不变。反之，当Ui减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。,7,4.1.2串联型稳压电路,1.电路结构的一般形式,因调整元件与负载串联，故称为串联型稳压电路。,调整元件,串联型晶体管稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整管四部分组成。,返回,（改变R可以影响U0）,8,串联型稳压电源实际上利用射极跟隨器的输出阻抗低，帶负载能力强的特点，如图，把图方向调整一下，就成通用的图形（交流）。,9,T,+,UI,+_,+_,Uo,比较放大,基准,取样,UR,FUo,+,C2,RL,调整元件,调整元件T与负载串联，通过全部负载电流。比较放大器可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。基准电压可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压Uo的一部分和基准电压相比较。,10,4.1.2串联型稳压电路,11,（1）取样环节。由R3、RP、R4组成的分压电路构成，它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。（2）基准电压。由稳压二极管VS和电阻R2构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压Uvs，作为调整、比较的标准。（3）比较放大环节。由V2和R1构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压UF与基准电压Uvs之差放大后去控制调整管V1。（4）调整环节。由工作在线性放大区的功率管VTl组成，VTl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。,1、电路的组成及各部分的作用,12,2、电路工作原理,当输入电压Ui或输出电流Il变化引起输出电压Uo增加时，取样电压UF(UB2)相应增大，使VT2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，VT2管的集电极电位UC2(UB1)下降，因此VTl管的基极电流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo(UI-UCE1)下降，使Uo保持基本稳定。,同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。,13,3、电路的输出电压,电位器RP可以调节输出电压的大小。忽略IB2，则取样分圧比通常UvsUBE2，U0Uvs/当RP调到最下端：当RP调到最上端：一般U0Uvs。,14,4、采用集成运算放大器的串联型稳压电路,其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。,U01,15,集成运放在这里起比较放大作用，反馈信号UF由U01输出，经UBE1、R1、在R2及RP抽头上产生一个电压加到U-端；由VZ提供一个稳定的输入电压UVS加到U+端，与反馈信号相比较，形成一个同相比例放大电路。,U0=U01-UBE，UBE比较小，可忽略，即U01稳定，U0稳定。或者说,16,例4-1已知Uvs=6V，R1=R2=RP=300，则R1+R2+RP=900R1+RP最大为600，R1最小为300。由此可知输出电压Uo在918V范围内连续可调。,17,4.2稳压电路的质量指标,稳压电路的指标分特性指标（大小、功能），如输入、输出电压及电流等；质量指标（优劣、可靠度）如稳压电源的稳压系数等。1、稳压系数Sr电压调整特性：在负载不变条件下，稳压电源的输出电压相对变化量与输入电压的相对变化量之比。Sr=RL=常量反映了电网电压的波动对稳压电源输出电压的影响。一般Sr为10-210-4。如电网电压变化10%，则UI/UI也变化10%，此时引起输出电压的相对变化量UO/UO叫电压调整率。,18,2、负载调整特性SI稳压电源在输入电压UI不变，输出电压的相对变化量UO/UO与负载电流的变化量IO之比UI=常数反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。3、输出电阻RO输入电压UI不变，输出电压的变化量UO与负载电流的变化量IO之比。UI=常量4、最大纹波电压稳压电源输出直流电压上的波动电压，一般是100HZ（全波整流）或50HZ（半波整流）交流份量。常用有效值或峰值表示。,19,4.3集成稳压电源,集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压器。3端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。如W78和W79系列稳压器。W78系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，若要获得负输出电压选W79系列即可。例如W7805输出+5V电压，W7905则输出5V电压。这类端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达1.52.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为23V，输出电压变化率为0.10.2。,20,1.分类,型号后XX两位数字代表输出电压值,W78系列(输出正电压)、W79系列(输出负电压)。,输出电压额定值有:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。,21,2.外形及引脚功能,塑料封装,型号组成及其意义,23,3.性能特点（7800、7900系列）,输出电流超过1.5A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4%,24,2、典型应用电路,（1）固定输出电路。,上图为固定电压输出电路，输出电压为三端稳压电源输出电压。C1的作用是消除自激振荡，C2起滤波作用。W79端口不一样，输出为负电压。,25,（2）提高输出电压的电路。,输出电压Uo=U+UZ,26,（3）可变输出电压电路,可变输出一般由取样电路、电压跟随器（集成运放）或串加一个可变电阻组成。U01是三端集成稳压器的固定输出电压U02是跟随电压，U02=U+，U0=U01+U02U02随可变电阻RP的滑动而改变，U0隨同改变。当RP的滑动到最上端时当RP的滑动到最下端时可变输出电压范围选U01=12V，R1=R2=RP=200，电压输出范围为1836V。,27,（4）能同时输出正、负电压的电路。,RL,28,（5）扩大输出电流的电路,当负载较重，IO大于1.5A以上时，可采用接功率管的办法。I01为稳压器输出电流，IR为电阻R上的电流。,29,4.4开关稳压电源,串联型稳压电路的调整管工作在线性放大狀态要消耗較大的功率，效率一般在只有30%左右。开关稳压电源则可利用开和关的时间比较调整滤波后得到直流电压。调整管在截止时电流ICEO近于零，饱和时管压降UCES近于零，开关速度較快时，经过放大区的过渡时间很短，故调整管的功耗就小，电源的效率可达6080%以上。虽电路结构复杂，成本較大，但由于近年的技术发展，集成电路的工艺和成本大大改善，所以得到广泛使用。开关稳压电源是利用从取样电路取出的信号加到运算放大器，使輸出的正、负脉冲信号的脉冲宽度不同，从而去控制调整管的輸出，当开关控制电路輸出高电平时，调整管导通，輸出VE近似等于VI，当开关控制电路輸出低电平时，调整管截止。调整管輸出信号经LC滤波后輸出稳定直流。这种通过改变控制脉冲信号宽度实现稳压的方式又叫脉宽调整式开关稳压电源,30,开关稳压电源结构框图,31,开关调整管：它采用大功率管，在开关脉冲的作用下，使调整管工作在饱和或截止状态，输出断续的脉冲电压，如图所示。,32,由图可知：负载上得到的电压为：UO=（UIon+0Toff）/(Ton+Toff)=（Ton/T）UI上式中Ton/T称占空比。改变占空比的大小亦可改变输出电压Uo的大小。滤波器：把矩形脉冲变成连续的平滑直流电压Uo。开关时间控制器：控制开关导通时间长短，从而改变输出电压高低。,33,4.4.1电路及基本工作原理,开关型串联稳压电源,34,一.电路組成,三极管VT为开关调整管，L、C、VD组成滤波电路R1、R2组成取样电路，由运算放大器N、UR、R1、R2组成滯回电压比较器（即开关控制电路）。,二.工作过程,1、在tON调整管导通期间设开关控制电路輸出为高电平，调整管饱和导通，调整管饱和压降UCES近似于零，则Ue=Ui，二极管VD反向截止，电感电压UL=UE-UO=UI-UO，电感上的电流IL线性增长，L储存能量。在t=0t1期间，il从ilmin增加，电容C的放电电流大于il向电容C的充电电流，ilIo，UO仍在下降阶段，经R1、R2分压后的u-（UO）下降，当tt1后，ilIO，电容C上充电电流大于放电电流，则uc和UO（即u-）开始上升。通过R1和R2分压，取样电压为：,35,u-=UO=UO,VT饱和导通，uE=UI，因此u-达到上限参考电压+UT1u-UT1,使运算放大器輸出翻转；uA为低电平，调整管VT截止。iL达到最大值。2、在调整管截止toff期间：调整管VT由导通变为截止，电感L上的uL的极性左负右正，经C、VD和RL、UR、R3、R4形成两个放电电路，VD导通，使uE=-UVD=-0.7v。在LC滤波作用下，UO平滑输出。由于放电时间常数较大，iL从最大值线性下降，iL下降到零而u-升为最大，iL继续下降而u-也（UO）下降。当t=t4时，u-下降到下限UT2，,36,即：,u-UT1,使运算放大器翻转，UA又为高电平，如此往复。调整管始终处于开关工作狀况。可见，由于UI或RL变化，使UO变化，取样后的u-也变化影响ton和toff的长短。从而使UO稳定。UoUFUATonUE脉宽Uo,37,38,3、输出电压计算适当选取UR、R3、R4，使比较电压的回差电压UH=UT1-UT2小，当UH为毫伏时，UO很稳。UO可从平均值求：化简后开关型稳压电源的开关频率，一般取暖10HZ100kHZ为宜。,39,本章讲解主要到这里结束。,40,利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。,5.1整流电路,41,5.1.1单相半波整流电路,42,当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同。,43,当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部加在二极管D上。,44,45,46,5.1.2单相桥式整流电路,47,u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：aD1RLD3b。,48,u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：bD2RLD4a。,49,50,51,52,53,54,5.2滤波电路,整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。,55,5.2.1电容滤波电路,56,5