直流稳压电源的原理与设计 ppt课件

1、 直流稳压电源的原理与设计直流稳压电源的原理与设计 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用电源变压器：把电源变压器：把220V220V电网电压降至所需电压。电网电压降至所需电压。整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输 出出电压基本不变。电压基本不变。 整流与滤波电路整流与滤波电路1.半波整流电路半波整流电路二极管导通，忽略二二极管导通，忽略二极管正向压降，极管正向压降， u

2、o=u2u1u2aTbDRLuo为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即为分析简单起见，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。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管截止二极管截止, uo=0+io+u2 0 时时:u20时时:一一. 单相整流电路单相整流电路单相半波整流电压波形单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD t 2 3 4 0输出电压平均值输出电压平均值Uo）,输出电流平均值输出电流平均值Io )：( )=2 021tduUoo=( ) 021tdsinw t22U=2245. 02UU=u1u2aTbDRLuou

3、DioIo= Uo /RL =0.45 U2 / RL uo 2 0 t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及承受的最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD 2 0 tUDRM二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：ID = IOUDRM=22U承受的最高反向电压承受的最高反向电压:2.全波整流电路全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+原理：原理：+变压器副边中心抽头，变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压感应出两个相等的电压u2当当u2正半周时，正半周时， D1导通，导通，D2截止。截止。当当u2负半周时，负半周时， D2导通，导通，D1截止。

4、截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形单相全波整流电压波形u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2 = 2u2+忽略二极管正向压降忽略二极管正向压降输出电压平均值输出电压平均值Uo）,输出电流平均值输出电流平均值Io )：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo 2 0 t( )= 01tduUoo=( ) 01tdsinw t22UIo= Uo /RL =0.9 U2 / RL =229. 02UU=2二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及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：二极管上的平

5、均电流：oDII21=uD 2 0 tDRM22UU= 2二极管承受的最高反向电压：二极管承受的最高反向电压：3. 桥式整流电路桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo+u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路正半周时电流通路D1 、D4导通，导通， D2、D3截止截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路负半周时电流通路D2、D3 导通，导通， D1 、D4截止截止集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uo+ +- +4. 整流电路的主要参数整流电路的主要参数 负载电压负

6、载电压 Uo的平均值为的平均值为:( )=ootduU2021负载上的负载上的(平均平均)电流电流:LoRUIo=(1)整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值uo 2 0 t S定义：整流输出电压的基波峰值定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与与Uo平均平均值之比。值之比。S越小越好。越小越好。（2脉动系数脉动系数6703222324221.UUUUSoMo=用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo=uo 2 0 t基波基波基波峰值基波峰值输出电压平均值输出电压平均值平均电流平均电流(ID

7、)与反向峰值电压与反向峰值电压(UDRM)是选择整流是选择整流管的主要依据。管的主要依据。oDII21=22UURM=例如：例如： 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因而，流过每只整流二极管的平均电流因而，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电是负载平均电流的一半。流的一半。 二极管截止时两端承受的最大反向电压：二极管截止时两端承受的最大反向电压：(3)二极管平均电流与反向峰值电压二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流（选购时：二极管额定电流 2ID)（选购时：最大反向电压（选购时：最大反向电压 2URM)全波整全波整流

8、电路流电路桥式整桥式整流电路流电路半波整半波整流电路流电路290 U.LRU.29022U571.670.22ULRU.24502450 U.290 U.LRU.290670.222 U)AV(OU)AV(OIS2maxRULRU.2450LRU.2450LRU.2450)AV(DI二、滤波电路二、滤波电路滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，并联，或电感与负载或电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压RLLRLC1. 电容滤波电路电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，以单向桥式整流电容滤波

9、为例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。(1)电容滤波原理电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，上升， u2大于电容大于电容上的电压上的电压uc，u2对电容充电，对电容充电，uo= uc时间常数时间常数 = rd Cu2下降，下降， u2小于电容上的电压。小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。二极管承受反向电压而截止。电容电容C通过通过RL放电，放电， uc按指数按指数规律下降，时间常数规律下降，时间常数 = RL C2 2 2 222Uu2tuot只有整流电路输只有整流电路输出电压大于出电压大于uc时，时，

10、才有充电电流。才有充电电流。因此二极管中的因此二极管中的电流是脉冲波。电流是脉冲波。二极管中的二极管中的电流电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot电容充电时，电容充电时，电容电压滞后电容电压滞后于于u2。RLC越小，输越小，输出电压越低。出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入且接入且RLC较大时较大时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内阻)一般取一般取)105(TCRL=(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL(b) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC 越大越大 Uo越高越高负载电流的

11、平均值越大负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大(2)电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(a) 输出电压输出电压 平均值平均值Uo与时间常数与时间常数 RLC 有关有关RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二极管承受的最高反向电压二极管承受的最高反向电压22UURM=2. 电感滤波电路电感滤波电路电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感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。就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo电感滤波原理电感滤波原理对谐波分量对谐波分量:

12、f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。 因而，在输出端得到比较平滑的直流电压。因而，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：约为：u2u1RLLuo对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上上3. RC 型滤波器型滤波器改善滤波特性的方法：采取多级滤波改善滤波特性的方法：采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1 RLRC 型滤波器型滤波器将将RC 型滤波器中的电阻换为电型滤波器中的电阻换为电感，变为感，变为LC 型滤波器

13、型滤波器串联式稳压电路串联式稳压电路稳压电路的作用稳压电路的作用: :交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波有波纹的有波纹的直流电压直流电压稳压稳压直流直流电压电压稳压电源类型稳压电源类型:以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。稳压二极管稳压二极管稳压电源稳压电源开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )电路最简单，电路最简单，但是带负载但是带负载能力差，一能力差，一般只提供基般只提供基准电压，不准电压，不作为电源使作为电源使用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较多，但因学

14、时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。一一. . 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 利用稳压二极管的反向利用稳压二极管的反向击穿特性。击穿特性。 由于反向特性陡直，较由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起大的电流变化，只会引起较小的电压变化。较小的电压变化。 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路1. 1. 稳压原理稳压原理(1) (1) 当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知根据电路图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO= 输入电压输入电压VIVI的增加，必然的增加，必然引起引起VOVO的增加，即的增加，即VZVZ增加，从增加，从而使

15、而使IZIZ增加，增加，IRIR增加，使增加，使VRVR增增加，从而使输出电压加，从而使输出电压VOVO减小。减小。这一稳压过程可概括如下：这一稳压过程可概括如下： VIVOVZIZIRVRVO 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 这里这里VO减小应理解为，由于输入电压减小应理解为，由于输入电压VI的增加，的增加，在稳压二极管的调节下，使在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而的增加没有那么大而已。已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。2.2.稳压电阻的计算稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻稳压二极管的动态电阻越小，稳

16、压电阻R R越大，越大，稳压性能越好。稳压性能越好。稳压电阻稳压电阻R R 的作用的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时从而起到调节作用，同时R R也是限流电阻。也是限流电阻。 显然显然R R 的数值越大，较小的数值越大，较小IZIZ的变化就可引起足够大的的变化就可引起足够大的VRVR变变化，就可达到足够的稳压效果。化，就可达到足够的稳压效果。 但但R 的数值越大，就需要较大的输入电压的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损值，损耗就要加大。耗就要加大。稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击稳压二极管稳压电路的稳压性能

17、与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大的阻值大小有关。小有关。稳压电阻的计算如下稳压电阻的计算如下 当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时管的电流最小。此时IZIZ不应小于不应小于IZminIZmin，由此可计算出，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即即LmaxZminZIminmax=IIVVR(1)(1)稳压二极管在使用时稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超

18、过规定值，能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！否则会造成损坏！LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR 当输入电压最大，负载电流最小时，流过当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时稳压二极管的电流最大。此时IZIZ不应超过不应超过IZmaxIZmax，由，由 此可计算出稳压电阻的最小值。即此可计算出稳压电阻的最小值。即(2)(2)三三. . 串联型稳压电源串联型稳压电源1. 1. 串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 VO =VI-VR VO =VI-VR，当当VIR VRVIR VR在一定程在一定程度上抵消了度上抵消了VIVI增加对输出电

19、压的增加对输出电压的影响。影响。若负载电流若负载电流ILRVRILRVR在一定程度上抵消了因在一定程度上抵消了因ILIL增加，增加，使使VIVI减小，对输出电压减小的影减小，对输出电压减小的影响。响。 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 在实际电路中，可变电阻在实际电路中，可变电阻R R是用一个三极管来替代的，是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCEVCE，VCEVCE相相当于当于VRVR。 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的构成：串联型稳压电源的构成：调整管、放

20、大环节、比较环节、基准电压源调整管、放大环节、比较环节、基准电压源2.2.工作原理工作原理1 1输入电压变化时输入电压变化时VIVOVfVO1VCEVO实质：电压负反馈实质：电压负反馈2 2负载电流变化时负载电流变化时ILVIVOVfVO1VCEVOQvCE/ViC/mAQ3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算REF2321O)+(1=VRRRRV可见，调节可见，调节R2可以改变输出电压。可以改变输出电压。根据根据“虚短虚短”VfVREFoVo32132f=VFVRRRRRV= VREFVfoFVFVV=T1调整管调整管R3 、 T2比较放大比较放大R1 、 RW 、R2采样电阻

21、采样电阻R 、 UZ基准电压基准电压3. 分立元件组成的串联式稳压电源分立元件组成的串联式稳压电源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2稳压原理稳压原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2 （UB1 ）Uo当当 UI 增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使 Uo升高升高时时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2 （UB1 ）(3) 输出电压的确定和调节范围输出电压的确定和调节范围因为：因为：OU2BEZUU22WRR21WRRR=()22221BEZWWOUURRRRRU=所以：所以：2221ZWWURRRRR=忽略忽略

22、UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求输出电压的调节范围。求输出电压的调节范围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU=4=6V4.74.7=4.74.7 4.7221ZWOmaxURRRRU=4=12V4.74.7=4.74.710.3 三端集成稳压三端集成稳压器器一一. 输出电压固定的三端集成稳压器输出电压固定的三端集成稳压器 （正电压（正电压 78 、负电压、负电压 79 ）恒流源恒流源基准电压基准电压电路电路调整调整电路电

23、路比较比较放大放大减流减流保护保护过热过热保护保护启动电启动电路路取取样样电电路路R4T1T4T2T3T5DZ1DZ2R3R2R1VREFT14T13D2D1R5R7R6T6T7T8T9T12T10T11R8R9R10R11R12R13R14R15DZ3DZ4VFVOVI123IOIQR1R2输出电压可调的稳压电路输出电压可调的稳压电路I1I211RUIXX=012III=220RIUUXX=21)(RIRUUQXXXX=212)1 (RIURRQXX=如何消除如何消除IQ的影响呢？的影响呢？1端端: 公共端公共端2端端: 输入端输入端3端端: 输出端输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图

24、系列稳压器外形及典型接线图123+W7905UI+Uo231CI0.11FCo1F-10V-5V1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共端3端端: 输出端输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.11FCo1F+10V+5V注意：输入与输出端注意：输入与输出端 之间的电压不之间的电压不 得低于得低于3V！10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用1. 固定式应用举例固定式应用举例10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例 开关型稳压电源 串联型反馈式稳压电源用途广

25、泛，但存在以下两个问题： (1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所 以 功 耗 很 大 ， 效 率 较 低 ( 一 般 为40%60%)，且需要庞大的散热装置。 (2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。 10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例四四. 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标输出电压变化量输出电压变化量TSIRVKVT = = OoIVO 稳压系数稳压系数00IIOOO /= = = = = =TIVVVV 输出电阻输出电阻00OOoI= = = = = =TVIVR温度系数温度系数00OI = = = = = =TVTTVS直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计的依据是技术指标设计的内容包括： 电路结构选择、参数计算、器件选择、具体电路设计步骤包括： 根据市场、技术潮流、