第15章 直流稳压电源.ppt

,在工农业生产和科学实验中，主要采用交流电源，但是在某些场合，如电解、电镀、蓄电池的充电、直流电动机等，都需要用直流电源供电。此外，在电子线路和自动控制装置中还需要用电压非常稳定的直流电源。为了得到直流电源，除了用直流发电机外，目前广泛采用各种半导体直流电源。如图15.1所示是半导体直流电源的原理方框图，它表示把交流电变换为直流电的过程。图中各个环节的作用如下：,第15章直流稳压电源,图15.1半导体直流电源的原理方框图,（1）整流变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。（2）整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件（二极管、晶闸管等），将正负交替变化的正弦交流电压整流为单方向的脉动电压。（3）滤波器：尽可能地将单方向脉动电压中的脉动部分滤掉，减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。（4）稳压电路：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。在对直流电压的稳定程度要求较低的电路中，稳压电路也可以不要。下面将介绍各部分的具体电路构成及其工作原理。,15.1整流电路图15.2单相半波整流电路整流电路是利用晶体二极管的单向导电特性，将交流电变换成方向不变、大小随时间变化的脉动直流电的电路。根据所接交流电源的相数不同，整流电路分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。本节主要讨论单相整流电路和三相桥式整流电路。15.1.1单相半波整流电路如图15.2所示，单相半波整流电路由变压器和晶体二极管组成。图中为电源变压器，其任务是把交流电压变换成适当的交流电压；D是整流二极管；为直流负载。,图15.2单相半波整流电路,1.工作原理变压器的副边电压为（15.1.1）式中，为有效值。当为正半周时，变压器副边绕组a端为正、b端为负，二极管两端因加正向电压而导通，电流从变压器绕组a端流出，经二极管D、负载电阻后，回到变压器副绕组b端。如略去二极管的正向电压降，加在负载上的电压近似等于变压器副边电压，即。当为负半周时，副绕组a端为负，b端为正，二极管D因承受反向电压截止，电路中可认为无电流流过，负载上无电压，即，全部加在二极管两端。因此，尽管是交变的，但由于二极管的单向导电作用，负载的电压都是单一方向的脉动直流电压，电路中只在电源电压的半个周期中才有电流通过，所以称为半波整流电路。图15.3为单相半波整流电路的波形图。,图15.3单相半波整流电路的电压与电流波形,2.负载上的直流电流和直流电压由于输出电压是半波脉动电压，因此在整个周期内负载电压平均值定义为：从波形图看，使这半个正弦波与横轴所包围的面积等于一个矩形的面积，矩形的宽度为一个周期，矩形的高度为半波的平均值，如图15.4所示。其大小为,（15.1.2）,在工程上，通常是根据负载所要求的直流电压的大小来计算变压器副边电压，即,（15.1.3）,由于二极管D与是串联的，因此，流过二极管的电流和负载是同一电流，其平均值为,（15.1.4）,3.整流二极管的选择二极管在反向截止时，所承受的反向电压为变压器副边电压，因此，的最大值就是二极管截止时所承受的最大反向电压。,（15.1.5）,通过二极管的平均电流等于流过负载的电流。,（15.1.6）,为了保证二极管安全可靠地工作，应选用最大整流电流和最高反向工作电压大于计算出的和的二极管。单相半波整流电路结构简单，但输出电压低、脉动程度大、整流效率低。这种电路适用于对直流输出电压平滑程度要求不高的小功率整流。,【例15.1】有一直流负载，其电阻为，需用单相半波整流电路输出的电压供电，变压器副边电压，试求、及，并选用二极管。解：查附录1，二极管可选用2AP4（16mA，50V）。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比大一倍左右。,15.1.2单相桥式整流电路从前面的内容中，我们知道单相半波整流只利用了电源的半个周期，同时整流电压的脉动较大。为了克服这些缺点，常采用全波整流电路，其中最常用的是单相桥式整流电路。它由4个二极管接成电桥构成，如图15.5（a）所示，图15.5（b）为其简化图。,（a）电路图,（b）简化图,图15.5单相桥式整流电路及其简化图,在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负，即a点的电位高于b点，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电流的通路是aD1RLD3b。这时，负载电阻上得到一个半波电压，如图15.6（b）中的段所示。在电压u的负半周时，变压器副边的极性为上负下正，即b点的电位高于a点。因此，D1和D3截止，D2和D4导通，电流的通路是bD2RLD4a。同样，在负载电阻上得到一个半波电压，如图15.6（b）图中的段所示。显然，全波整流电路的整流电压的平均值U0比半波整流时增加了一倍，即,（15.1.7）,负载电阻中的直流电流当然也增加了一倍，即,（15.1.8）,每两个二极管串联导电半周，即每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即,（15.1.9）,（a）（b）,图15.6单相桥式整流电路的电压与电流波形,至于二极管截止时所承受的最高反向电压，从图15.5可以看出。当D1和D3导通时，如果忽略二极管的正向压降，截止管D2和D4的阴极电位就等于a点的电位，阳极电位就等于b点的电位。所以截止管所承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即,（15.1.10）,这一点与半波整流电路相同。,【例15.2】已知负载电阻,，负载电压,。现采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。（1）选择合适的晶体二极管。（2）求整流变压器的变比及容量。,解：（1）负载电流,每个二极管通过的平均电流,变压器副边电压的有效值为,考虑到变压器副边及管子上的压降，变压器的副边电压大约要高出10%，即,。于是,查附录1，可选用2CZ11C型二极管，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。（2）变压器的变比,变压器副边电流的有效值,变压器的容量,可选用BK300（,），380/134V的变压器。,15.1.3三相桥式整流电路前面分析的是单相整流电路，功率一般为几瓦到几百瓦，常用在电子仪器中。然而在一些供电场合要求整流功率高达几千瓦以上，这时就不便于采用单相整流电路了，因为它会造成三相电网负载不平衡，影响供电质量。为此，常采用三相桥式整流电路，如图15.7所示。三相桥式整流电路经三相变压器接交流电源。变压器的副边为星形连接，其三相电压,的波形如图15.8（a）所示。,图15.7三相桥式整流电路,图15.7中D1,D3,D5,组成一组，,其阴极连接在一起；D2、D4、D6组成另一组，其阳极连接在一起。每一组中3管轮流导通，第一组中阳极电位最高者导通，第二组中阴极电位最低者导通，同一时间有且只有两个二极管导通。如图15.8（a）中，,期间，c相电压为正，b相电压为负，a相电压虽然也为正，但低于c相电压。因此，在这段时间内，图15.7电路中的c点电位最高，b点电位最低，于是二极管D5和D4导通。如果忽略正向管压降，加在负载上的电压就是线电压。由于D5导通，D1和D3的阴极电位基本上等于c点的电位，因此两管截止。而D4导通，又使D2和D6的阳极电位接近b点的电位，故D2和D6也截止。在这段时间内电流通路为cD5RLD4b在,期间，从图15.8（a）可以看出，a点电位最高，b点电位仍然最低。因此从图15.7可见，电流通路为aD1RLD4b。即D1和D4导通，其余4个二极管都截止。负载电压即为线电压同理，在期间，a点电位最高，c点电位最低，电流通路为aD1RLD6c。依次类推，就可以列出图15.8中所示的二极管的导通次序。共阴极连接的3个管（D1,D3,D5）在t1,t3,t5等时刻轮流导通；共阳极连接的3个管（D2,D4,D6），在t2,t4,t6等时刻轮流导通。负载所得整流电压u0,的大小等于三相相电压的上下包络线间的垂直距离，即是每个时刻最大线电压的值，如图15.8（b）所示。它的脉动较小，平均值,（15.1.12）,式中，U为变压器副边相电压的有效值。负载电流的平均值为,（15.1.13）,由于在一个周期中，每个二极管只有1/3的时间导通（导通角为120），因此流过每个二极管的平均值电流,图15.8三相桥式整流电压的波形,（15.1.14）,每个二极管所承受的最高反向电压为变压器副边线电压的幅值，即,（15.1.15）,思考与练习15.1.1设某半波整流电路和某桥式整流电路的输出电压平均值和所带负载大小完全相同，均不加滤波，试问两个整流电路中整流二极管的电流平均值和最高反向电压是否相同？,15.1.2在图15.5（a）所示的桥式整流电路中，已知变压器副边电压若忽略二极管的正向电压和反向电流，试求：,（1）RL两端电压的平均值U0（2）流过RL的电流平均值I0（3）流过二极管的平均电流ID及二极管承受的最高反向电压,15.1.2有一个电压为110V，电阻为的直流负载，采用单相桥式整流电路（不带滤波器）供电，试求变压器二次绕组电压和电流的有效值，并选用二极管。,15.2滤波电路整流电路得到的单向脉动直流电还有一定的交流成分，脉动程度较大，不能满足某些负载的要求，因此需要在整流电路之后再加上滤波电路，以改善直流电的平直程度。滤波即把直流脉动电压中的交流成分去掉，使波形变得平直。滤波器通常由电容器和电感组成。,15.2.1电容滤波,如图15.9所示电路中与负载并联的电容就是一个最简单的滤波器。电容滤波器是根据电容的端电压在电路状态改变时不能跃变的原理制成的。下面分析电容滤波的工作,如果在单相半波整流电路中不接电容滤波，输出的电压波形如图15.10（a）所示。接上电容滤波器后，从图15.9中可以看出，在二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器在忽略二极管正向压降的情况下，充电电压与上升的正弦电压一致，如图15.10（b）中段波形所示。电源电压都开始下降，按正弦规律下降，当时，二极管因承受反向电压而截止,电容对负载电阻放电，负载中仍有电流，而按放电曲线下降。在的下一个正半周内，当时，二极管再行导通，电容再被充电，重复上述过程。,图15.10电容滤波器的作用,电容两端电压即为输出电压,其波形如图15.10（b）所示。可见输出电压的脉动大为减小，并且电压较高。在空载和忽略二极管正向压降的情况下，是图15.9中变压器副边电压的有效值。但是随着负载的增加（RL减小,I0增大），放电时间常数RLC减小、放电加快，U0也就下降。整流电路的输出电压波形就变成15.10（b）所示。输出电压U0与输出电流I0（即负载电流）的变化关系曲线称为整流电路的外特性曲线，如图15.11所示。由图中曲线可见，与无电容滤波时比较，输出电压负载电阻的变化有较大的变化，即外特性较差，或者说带负载能力较差。通常，取,（15.2.1）,单行半波整流电路的外特性,采用电容滤波时，输出电压的脉动程度与电容的放电时间常数RLC有关系。RLC大一些，脉冲就小一些。为了得到比较平直的输出电压，一般要求，即,式中，T是电源交流电压的周期。,此外，由于二极管的导通时间短（导通角小于180），但在一个周期内电容的充电电荷等于放电电荷，即通过电容的电流平均值为零。可见在二极管导通期间其电流平均值近似等于负载电流的平均值I0,因此的峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏，在选择二极管时要考虑到这点。对单相半波带有电容滤波的整流电路而言，当负载端开路时，（最高）。因为在交流电压的正半周时，电容上的电压充到等于交流电压的最大值，由于开路不能放电，这个电压维持不变；而在负半周的最大值时，截止二极管上所承受的反向电压为交流电压的最大值与电容上的电压之和，即等于。对单相桥式整流电流而言，有电容滤波后不影响，见表15.1。表15.1截止二极管上的最高反向电压电,总之，电容滤波电路较为简单，输出电压较高，脉动也较小；但是外特性较差，且有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小且变化也较小的场合。滤波电容的数值一般在几十微法到几千微法之间，视负载电流的大小而定，其耐压应大于输出电压的最大值，通常都采用极性电容器。,【例15.3】有一单相桥式电容滤波的整流电路，如图15.12所示。已知交流电源频率为50Hz，设负载电阻，要求直流输出电压，选择整流二极管及滤波电容器。,解：（1）选择整流二极管流过二极管的电流，由已知可得,根据式（15.2.1），取，所以变压器副边电压的有效值,二极管所承受的最高反向电压,查附录1，可以选用2CP11型二极管，其最大整流电流为100mA，反向工作峰值电压为50V。（2）选择滤波电容器，根据式（15.2.2），取，所以,已知,所以,所以，选用，耐压为50V的极性电容器。,15.2.2电感滤波器电感滤波电路主要适用于负载功率较大即负载电流较大的情况，如图15.13所示。电感滤波电路是在整流电路的输出端和负载电阻之间串接一个电感量较大的铁芯线圈来实现的。电感中流过的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化。当电流增加时，自感电动势的方向与电流的方向相反，自感电动势阻碍电流的增加，同时将能量储存起来，使电流增加缓慢；当电流,减小时，自感电动势的方向与电流的方向相同，自感电动势阻止电流的减小，同时将能量释放出来，使电流减小缓慢，因此使负载电流和负载电压脉动大为减小。,电感线圈的滤波功能还可以这样理解：因为电感线圈对整流电流的交流分量具有阻抗，且谐波频率愈高、阻抗愈大，所以它可以滤除整流电压中的交流分量。WL比RL大得愈多，则滤波效果愈好。,电感滤波电路由于自感电动势的作用使二极管的导通角比电容滤波电路时增大，流过二极管的峰值电流减小、外特性较好、带负载能力较强。但是电感量较大的线圈，因匝数较多、体积大，比较笨重，电阻也较大。电感上有一定的直流压降，造成输出电压的下降，电感滤波电路输出电压平均值U0的大小一般按经验公式计算,（15.2.3）,如果要求输出电流较大，输出电压脉动很小时，可在电感滤波电路之后再加接电容C,组成LC滤波电路，如图15.14所示。电感滤波之后，利用电容再一次滤掉交流分量，这样，便可得到更为平直的直流输出电压。带LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为适合。,，,15.2.3形滤波电路,为了进一步减小输出电压的脉动，可在上述LC滤波电路前面并联一个滤波电容C构成形LC波电路，如图15.15所示。其滤波效果比LC滤波电路更好。但是，这样的电路外特性较差，整流管冲击电流较大。形LC滤波电路和电容滤波电路的外特性基本相同。,由于电感线圈的体积大而笨重，成本又高，所以有时候用电阻代替电感线圈，构成形RC滤波电路，如图15.16所示。经过电容C1第一次滤波后，通过R和C2再一次滤波。电阻对于交、直流都具有同样降压作用，它和电容配合，使脉动电压的交流成分较多地降落在电阻两端，而较少地降落在负载上，从而起到滤波作用。在一定的值之下，R越大、C2越大、滤波效果越好，但R值大，其直流压降增加，形RC滤波电路的外特性比电容滤波电路的外特性更差，故只适用于负载电流小的场合。,图15.15,形LC滤波电路,图15.16形RC滤波电路,思考与练习,15.2.1电容滤波和电感滤波的特性有什么区别？各适用于什么场合？,15.2.2单相桥式整流、电容滤波电路，已知交流电源频率，要求输出直流电压为输出直流电流为，试选择二级管及滤波电容。,15.2.3单相桥式整流电容滤波电路中，用交流电压表测得变压器副边电压，用直流电压表测得负载电压，若出现下列几种数值，试分析哪些情况是正常的，哪些情况表明出了故障，并指出发生故障的原因。,15.2.4如图15.17所示桥式整流滤波电路，当电路分别出现以下故障时，用万用表直流挡测量输出电压U0的值。,（1）D1被烧断，开路。（2）D2反接。（3）RL开路。（4）C开路。,图15.17桥式滤波电路整流,15.3直流稳压电路经整流和滤波后的输出电压往往会随着交流电源电压的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算误差，引起控制装置工作的不稳定，甚至根本无法正常工作。精密电子测量仪器、自动控制等都要求有稳定的直流电源供电。,15.3.1稳压管稳压电路最简单的直流稳压电源是采用稳压管来稳定电压的，如图15.18所示。经过整流滤波后得到的直流电压U1加到由电阻R和稳压管DZ组成的稳压电路上，负载电阻RL与稳压管DZ并联，故也称为并联式稳压电路。R为限流电阻，它是稳压电路必不可少的组成元件。稳定输出电压是通过调节R上的压降来实现的，下面来分析电路的稳压过程。,图15.18稳压管稳压电路,如果电源电压保持不变，而负载电阻RL减小时，输出电流I0增加，流过限流电阻R上的电流IR增加，其压降增加，这样输出电压U0将下降，U0即为稳压管两端的反向电压。由稳压管的伏安特性可知，当管子两端的电压略为下降时，其电流IZ将急剧减小，亦即由IZ的减小来补偿I0的增大，最终使限流电阻R上的电流IR基本保持不变，因此负载电压U0维持基本稳定。上述过程可简明表示为,当负载电阻增加时，稳压过程则相反。,如果负载电阻RL不变，而电源电压升高，输出电压U0也随之升高。此时稳压管的电流IZ急剧增加，则电阻R上的压降UR也增加，以抵消电源电压的增加，从而使负载电压U0基本保持不变，上述过程可简明表示为,当电源电压下降时，其过程则相反。,由此可知，稳压管稳压电路是依靠稳压管本身电流的改变来实现稳定电压的。稳压管端电压的微小变化，将引起其电流较大的变化，电阻R起着调节电压的作用，以维持输出电压的稳定。,选择稳压管时，一般取,稳压管稳压电路结构简单，使用元件少、调试方便，但输出电压不能调节，输出电流受稳压管允许电流的限制。故稳压器稳压电路只适用于小负载电流、负载变动不大、质量要求不高的场合。,【例15.4】有一稳压管稳压电路，如图15.18所示。负载电阻RL由开路变到,，交流电压经整流滤波后得出UI=30V。要求输出直流电压U0=12V，试选择稳压管DZ,解：根据输出电压为12V的要求，得出负载电流最大值,查附录1，可选择2CW19型稳压管，其稳定电压,，稳定电流,，最大稳定电流,15.3.2恒压源由稳压管稳压电路和运算放大器构成的恒压源，有如图15.19所示的两种。图15.19（a）是反相输入恒压源，可得出,（15.3.1）,图15.19（b）是同相输入恒压源，可得出,（15.3.2）,（a）反相输入（b）同相输入图15.19恒压源,稳压管稳压电路的输出电压大小是固定的，基本上由稳压管的稳定电压决定，在使用中很方便。而恒压源的输出电压是可调的，并引入电压负反馈使输出电压更为稳定。,15.3.3串联型稳压电路为了扩大运算放大器的输出电流的变化范围，将它的输出端接到大电流晶体管的基极，从发射极输出。这样，同相输入恒压源就改变为如图15.20所示的串联型稳压电路，其稳压工作原理如下所述。,图15.20串联型稳压电路,如果由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压U0升高，此时，由图15.20可得出,（15.3.3）,即Uf增大。根据运算放大器的特性得,（15.3.4）,可见UB随着减小。于是得出如下稳压过程,U0保持稳定。当输出电压降低时，其稳压过程相反。,可见，输出电压的变化量经运算放大器放大后去调整晶体管的管压降UCE，从而达到稳定输出电压的目的。所以通常称晶体管为调整管，这个过程实质上是一个反馈过程。反馈电压Uf取样于输出电压U0，Uf和基准电压UZ又分别加在运算放大器的两个输入端，可见图15.20所示电路中引入的是串联电压负反馈，故称为串联型稳压电路。,改变电位器就可调节输出电压。根据同相比例运算电路可知：,（15.3.5）,15.3.4集成稳压电源随着集成工艺的发展，集成稳压组件已逐渐代替分立的稳压器。与其他线性组件一样，它具有体积小、重量轻、使用调整方便和运行可靠等优点，因此得到