模拟电路10直流稳压电源

模拟电路10直流稳压电源第1页/共82页2第十章直流稳压电源10.1小功率整流滤波电路单相桥式整流电路滤波电路10.2串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路物电系模拟电路教改课程多媒体课件三端集成稳压器第2页/共82页3物电系模拟电路教改课程多媒体课件小功率直流稳压电源第3页/共82页4物电系模拟电路教改课程多媒体课件小功率直流稳压电源第4页/共82页5物电系模拟电路教改课程多媒体课件第5页/共82页6物电系模拟电路教改课程多媒体课件开关直流稳压电源第6页/共82页7电源变压器:将交流电网电压v1变为合适的交流电压v2。整流电路滤波电路稳压电路v1v2v3v4vo整流电路:将交流电压v2变为脉动的直流电压v3。滤波电路:将脉动直流电压v3转变为平滑的直流电压v4。稳压电路:消除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压vo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物电系模拟电路教改课程多媒体课件第7页/共82页8整流电路的任务：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、桥式和倍压整流等。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。§10.1小功率整流滤波电路物电系模拟电路教改课程多媒体课件第8页/共82页9单相半波整流电路v2>0时，二极管导通。iLv1v2aTbDRLvo忽略二极管正向压降：

vo=v2v1v2aTbDRLvoiL=0v2<0时，二极管截止,输出电流为0。vo=0物电系模拟电路教改课程多媒体课件第9页/共82页10(1)输出电压波形：v1v2aTbDRL物电系模拟电路教改课程多媒体课件v2vovDt2340(2)二极管上的平均电流：ID=IL第10页/共82页11物电系模拟电路教改课程多媒体课件(3)二极管上承受的最高电压：(4)输出电压平均值（Vo）：()ò=pwp2021tdvVoo=()òpwp

021tdsinwt22V≈p2245.02VV=第11页/共82页12物电系模拟电路教改课程多媒体课件第12页/共82页13物电系模拟电路教改课程多媒体课件第13页/共82页14单相全波整流电路v1v2aTbD1RLvoD2v2iL物电系模拟电路教改课程多媒体课件v2vovD1t2340vD2(1)输出电压波形：第14页/共82页15单相全波整流电路(4)uo平均值Uo：(2)二极管上承受的最高电压：(3)二极管上的平均电流：物电系模拟电路教改课程多媒体课件()ò=pwp

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01tdsinwt22V=p229.02VV=2第15页/共82页16物电系模拟电路教改课程多媒体课件第16页/共82页17§10.1.1单相桥式整流电路物电系模拟电路教改课程多媒体课件组成：由四个二极管组成桥路v1v2TD3D2D1D4RLvoRLD1D3D2D4v2vov2vo第17页/共82页18§10.1.1单相桥式整流电路桥式整流电路+-v2正半周时电流通路v1v2TD4D2D1D3RLvo物电系模拟电路教改课程多媒体课件第18页/共82页19桥式整流电路-+v0v1v2TD4D2D1D3RLv2负半周时电流通路物电系模拟电路教改课程多媒体课件第19页/共82页20v2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A

D1RLD3Bv2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！v2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形vD4,vD2vD3,vD1vov2D4D2D1D3RLvoAB物电系模拟电路教改课程多媒体课件第20页/共82页21物电系模拟电路教改课程多媒体课件第21页/共82页22物电系模拟电路教改课程多媒体课件第22页/共82页23几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~物电系模拟电路教改课程多媒体课件第23页/共82页24整流电路的主要参数1.整流输出电压平均值（Vo）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Vo和输出电压的脉动系数Kr是衡量整流电路性能的两个主要指标。物电系模拟电路教改课程多媒体课件()ò=pwp

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01tdsinwt22V=p229.02VV=2第24页/共82页25

Kr定义：整流输出电压的总谐波电压与平均值Vo之比。2.脉动系数Kr，又称纹波系数用傅氏级数对全波整流的输出vo

分解后可得:物电系模拟电路教改课程多媒体课件第25页/共82页26平均电流(ID)与反向峰值电压(VRM)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物电系模拟电路教改课程多媒体课件第26页/共82页27例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件1、根据单相桥式整流电路的工作原理，如图所示电路在出现下列故障时，会产生什么现象？A、D1的正负极接反B、D1短路C、D1开路第27页/共82页28例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件A、D1的正负极接反第28页/共82页29例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件B、D1短路若D1短路，在v2的负半周，D2导通时将流过较大的电流，当超过其最大整流电流时，D2及变压器副边会损坏。C、D1开路若D1开路，电路变成了半波整流电路，输出电压下降为正常情况下的1／2第29页/共82页30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整流滤波直流电压原理：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。§10.1.2滤波电路物电系模拟电路教改课程多媒体课件第30页/共82页31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。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路av1v2v1bD4D2D1D3RLvoSC+–物电系模拟电路教改课程多媒体课件第31页/共82页321.RL未接入时(忽略整流电路内阻)v2tvot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形av1v2v1bD4D2D1D3RLvoSC+–物电系模拟电路教改课程多媒体课件第32页/共82页332.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)v2tvot电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，vo会逐渐下降。av1v2v1bD4D2D1D3RLvoSC+–物电系模拟电路教改课程多媒体课件第33页/共82页34v2tvot只有整流电路输出电压大于vo时，才有充电电流iD

。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流iDav1v2v1bD4D2D1D3RLvoSC+–iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。物电系模拟电路教改课程多媒体课件第34页/共82页35v2tvot电容充电时，电容电压滞后于v2。整流电路的输出电流RLC越小，输出电压越低。3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)av1v2v1bD4D2D1D3RLvoSC+–第35页/共82页36物电系模拟电路教改课程多媒体课件第36页/共82页37物电系模拟电路教改课程多媒体课件第37页/共82页38物电系模拟电路教改课程多媒体课件第38页/共82页39一般取(T:电源电压的周期)近似估算:Vo=1.2V2。(2)流过二极管瞬时电流很大。RLC越大Vo越高

负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取二、电容滤波电路的特点(1)输出电压Vo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Vo(平均值)愈大物电系模拟电路教改课程多媒体课件第39页/共82页40输出波形随负载电阻RL或C

的变化而改变,Vo

和Kr也随之改变。如:RL愈小(IL

越大),Vo下降多,Kr增大。(3)输出特性(外特性)vo电容滤波纯电阻负载1.4V20.9V20IL物电系模拟电路教改课程多媒体课件结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。第40页/共82页41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就构成了电感滤波电路。电感滤波电路v2v1RLLvo物电系模拟电路教改课程多媒体课件第41页/共82页42一、滤波原理对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。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。Vo=0.9V2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：v2v1RLLvo物电系模拟电路教改课程多媒体课件第42页/共82页43二、电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。v2v1RLLvo物电系模拟电路教改课程多媒体课件第43页/共82页44其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–

型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。物电系模拟电路教改课程多媒体课件第44页/共82页45例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件2、桥式整流滤波电路如图所示，（1）试问输出电压VO对地电压是正还是负？电容C的极性如何？（2）当电路参数满足RLC>>（3～5）T／2时，若要求输出电压VO为25V，V2的有效值应为多少？（3）如负载电流为200mA，试求每个二极管流过的电流和最大反向电压VRM。（4）若电容开路，VO为多少？第45页/共82页46例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件（1）试问输出电压VO对地电压是正还是负？电容C的极性如何？输出电压为负，电容极性应上负下正。第46页/共82页47例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件（2）当电路参数满足RLC>>（3～5）T／2时，若要求输出电压VO为25V，V2的有效值应为多少？当电路参数满足RLC>>（3～5）T／2时，VO＝（1.1～1.2）V2故V2＝25V／1.2＝20.83V第47页/共82页48例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件3）如负载电流为200mA，试求每个二极管流过的电流和最大反向电压VRM由于ID＝IL／2，所以ID＝200mA／2＝100mAVRM＝1.41V2＝29.37V第48页/共82页49例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件（4）若电容开路，VO为多少？电容开路时，电路为全波桥式整流电路，故VO＝0.9V2＝18.75V第49页/共82页503、电路如下图所示。（1）分别标出uO1和uO2对地的极性；（2）uO1、uO2分别是半波整流还是全波整流？（3）当u21＝u22＝20V时，uO1（AV）和uO2（AV）各为多少？（4）当u21＝18V，u22＝22V时，画出uO1、uO2的波形；并求出uO1（AV）和uO2（AV）各为多少？

例题物电系模拟电路教改课程多媒体课件第50页/共82页51解：（1）均为上“＋”、下“－”。（2）均为全波整流。（3）uO1（AV）和uO2（AV）为：uO1（AV）＝－uO2（AV）≈0.9u21＝0.9u22＝18V（4）uO1、uO2的波形如解图所示。它们的平均值为uO1（AV）＝－uO2（AV）≈0.45u21＋0.45u22＝18V第51页/共82页52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，目前应用很广。§10.2串联反馈式稳压电路物电系模拟电路教改课程多媒体课件第52页/共82页53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VOT+_VI比较放大基准电压Vo取样VRFVORL调整元件+–+–物电系模拟电路教改课程多媒体课件第53页/共82页54

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VO加大,比较放大电路使VB1变小,从而使VO降低.VOT1+_VI比较放大基准电压Vo取样VRFVORL调整元件+–+–VB1+VIVoRLR3比较放大物电系模拟电路教改课程多媒体课件第54页/共82页55T1调整管R3

、T2比较放大R1

、RW

、R2采样电阻R

、VZ基准电压一种实际的串联式稳压电源R3T1T2VZRRW1RW2R1RWR2RLVO+_+_VIVB2物电系模拟电路教改课程多媒体课件第55页/共82页56稳压原理VoVB2VBE2=（VB2-VZ）VC2（VB1）Vo当VI增加或输出电流减小使Vo升高时R3T1T2VZRRW1RW2R1RWR2RLVO+_+_VIUB2VC2（VB1）物电系模拟电路教改课程多媒体课件第56页/共82页57例：VI=18V，VZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求输出电压的调节范围。R3T1T2VZRRW1RW2R1RWR2RLVO+_+_VIVB2221ZWWOminVRRRRRV+++=4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxVRRRRV++=4=12V4.74.7++=4.74.7物电系模拟电路教改课程多媒体课件第57页/共82页58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R3T1T2VZRRW1RW2R1RWR2RLVO+_+_VIUB2集成化集成稳压电源物电系模拟电路教改课程多媒体课件第58页/共82页5910.2.2串联反馈式稳压电路的工作原理输入电压V1增加输出电压VO增加反馈电压VF增加VO下降使VB和IC减小极间电压VCE增加物电系模拟电路教改课程多媒体课件第59页/共82页6010.2.3三端集成稳压器具有温度补偿的基准电压电路复合调整管带恒流源的差分放大器物电系模拟电路教改课程多媒体课件第60页/共82页61集成稳压电源特点：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+9VW7812输出+12VW7815输出+15VW7900系列——稳定负电压

W7905输出-5VW7909输出-9VW7912输出-12VW7915输出-15V物电系模拟电路教改课程多媒体课件第61页/共82页621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123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1FCo1µF+10V+5V注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！物电系模拟电路教改课程多媒体课件第62页/共82页631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123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1FCo1µF-10V-5V物电系模拟电路教改课程多媒体课件第63页/共82页64二、输出正负电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO物电系模拟电路教改课程多媒体课件第64页/共82页65集成稳压电源应用电路v2v1C1300µFV1=220VV2=8VVC1=1.2V2=9.6VVo=5V+_CoW7805+_Vo1321µFRLCI1F物电系模拟电路教改课程多媒体课件第65页/共82页66输出正负电压的稳压电源物电系模拟电路教改课程多媒体课件第66页/共82页6710.3

串联开关式稳压电路一、引言1、串联反馈式稳压电路的优、缺点优点：输出电压稳定；纹波电压小，电路简单。缺点：集电极损耗较大，通常须加散热装置，效率低（只有40％～60%）,不适宜高电压、大电流负载的需要。2、开关式串联稳压电路的优、缺点优点：调整管工作在开关工作状态，集电极功耗小，

效率高，可达80%～90%；体积小，重量轻，可不需要电源变压器；可提供高电压、大电流。缺点：输出电压纹波较大；电路稍复杂。第67页/共82页68二、电路形式

比串联反馈式稳压电路增加5个部件：比较器C，三角波发生器，LC滤波元件和续流二极管D。1、控制电路部分－PWM1）比较放大器A－为直流电平（电压）2）基准电压源－VREF3）三角波电压发生器－提供正三角波电压4）比较器C－输入与，输出方波电压，控制调整T的开/关。第68页/共82页692、DC－DC变换器（降压型）1）调整管—本电路的开关，C极输入直流电压VI，B极输入方波电压，E极输出方波电压。2）滤波电路—高频电感电容L、C。3）二极管D—

续流管，高频二极管。4）取样电路—R1,R2; 亦是比较放大器的大环负反馈网络。静态时，有（设计依据）第69页/共82页70三、工作原理1、电路工作过程

，为正电压，T饱和导通，，；

，为负电压，T截止，L产生反向电动势，使D导通，继续流动，。

波形。（调节依据）第70页/共82页712、自动调节稳压原理1）设，，，。2）

所以，电路能自动调整脉宽占空比而稳压，故又称为脉宽调制（PWM）式开关稳压电源。维持不变第71页/共82页72四、元器件选择1.调整管（高频开关管，IGBT等）VCES小，ICE0小，ICM大，转换速度快（ts<0.01/fk）,fT≥10fK。fK为开关转换频率。2.续流二极管（高速开关管）反向耐压高、电流小，导通压降小，存储时间短。3.滤波元件高频电感，高频电容。4.控制电路现成的集成电路，PWM调制器，不过需外加辅助电源。第72页/共82页7310.4

直流变换型稳压电源

俗称逆变电源，其中的BJT也是高速开关管，因此它也是一种开关式稳压电源，总体上它也是把直流电压转变为各种不同需要的直流电压，但中间使用了先把直流电压变换为高频交流电压(DC—