《电路基础》-项目7

学习目标要求1.知识要求①熟悉直流稳压电源的类型及基本组成。②熟悉桥式整流电路的工作原理，掌握桥式整流电路的技术指标及应用。③熟悉滤波电路的类型及特点，掌握电容滤波电路的技术指标及应用。④掌握三端点集成稳压器的应用方法。⑤了解晶闸管及其整流电路。2.能力要求①会识别常用三端点集成稳压器芯片及引脚。②会使用三端点集成稳压器设计直流稳压电源。返回课时分配理论学时4+技能训练4大多数电子设备都需要稳定的直流电作为能源，但目前使用的都是50Hz的交流电。因此，需要将交流电转换为直流电，直流稳压电源就是这样一种把交流转换为直流的能量转换装置。返回7.1直流电源概述1.直流电源的组成直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。小功率直流电源一般由变压器、整流、滤波和稳压电路几部分组成，如图7.1所示。(1)电源变压器电网提供的一般是50Hz的220V(或380V)交流电压，而各种电子设备所需要的直流电压值各不相同，因此需要将电网电压进行变换，电源变压器可以将电网的交流电压变换成所需要的交流电压;下一页返回7.1直流电源概述(2)整流电路整流电路利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的交流电压变换成单方向的脉动直流电，这种直流电压脉动成分很大;(3)滤波电路滤波电路一般由电感、电容等储能元件组成，它可以将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉，得到一个较平滑的直流电，输出直流电会随电网波动或负载变化而变化，对要求较高的设备，还不够理想;上一页下一页返回7.1直流电源概述(4)稳压电路稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变及温度变化对其产生的影响，从而使输出电压稳定。直流稳压电源的类型可分为线性和开关型两大类，线性稳压电源的调整控制电路工作在放大状态，开关型稳压电源的调整控制电路工作在开关状态;以稳压电路与负载的链接形式又可分为并联型、串联型两类。开关型稳压电源的类型根据激励方式、控制方式等又有很多分类。上一页下一页返回7.1直流电源概述2.稳压电源的主要技术指标描述稳压电源的主要技术指标有特性指标和质量指标两大类。特性指标指表明稳压电源工作特征的参数，例如，输入、输出电压及输出电流、电压可调范围等;质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。现对质量指标的具体含义简述如下:(1)稳压系数S,指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。即上一页下一页返回7.1直流电源概述式中，U,为稳压电源输入直流电压，U(为稳压电源输出直流电压，5:数值越小，输出电压的稳定性越好。(2)输出电阻r}指当输入电压和环境温度不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比。即上一页下一页返回7.1直流电源概述r}的值越小，带负载能力越强，对其他电路影响越小。(3)纹波电压指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值或峰值表示。纹波电压值越小越好，否则影响正常工作，如在电视接收机中的表现是交流“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲。具体电路中多用纹波系数表示。(4)温度系数吕，指在Ul和入

都不变的情况下，环境温度，T变化所引起的输出电压的变化。即上一页下一页返回7.1直流电源概述式中，△U为漂移电压，吕越小，漂移越小，该稳压电路受温度影响越小。另外，还有其他的质量指标，如负载调整率、噪声电压等。

【思考题】(1)简述直流电源的各组成部分及作用。(2)稳压系数和纹波系数有何区别?上一页返回7.2单相桥式整流电路二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变换为单向脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路，下面介绍最常用的单相桥式整流电路。7.2.1电路组成及工作原理图7.2(a)是单相桥式整流电路，它由整流变压器、四个整流二极管及负载电阻凡组成。电路中采用厂四个二极管VD,-}-V接成电桥形式，故称为桥式整流电路。这个桥也可以简化成如图7.2(b)的形式。

下一页返回7.2单相桥式整流电路当u:是正半周时，二极管VD;和VD:导通，而二极管VD:和VD截止，负载上的电流是自上而下流过负载，负载上得到了与u:正半周相同的电压;在uz的负半周，u:的实际极性是下正上负，二极管VD:和VD，导通而VD;和VD截止，负载R,上的电流仍是自上而下流过负载，负载上得到了与u:正半周相同的电压，其电路工作波形如图7.3所示，可见正、负半周都有相同方向的电流流过R,,故称为全波整流。上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路7.2.2整流电路的主要参数描述整流电路技术性能的主要参数有以下几种:整流电路的输出直流电压即输出电压的平均值U()(，整流电路输出电压的脉动系数S，整流二极管正向平均电流1nc，以及整流二极管承受的最大反向峰值电压Urn。(1)电压平均值Uocn。是整流电路的输出电压瞬时值u。在一个周期内的平均值，即上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路由图7.3可见，在桥式整流电路中(2)每支二极管承受的最大反向电压Um。是指整流管不导通时，在它两端出现的最大反向电压。由图7.2可以清楚地看出，相邻的两个二极管总是一个导通、一个截止，共同承受副边电压u}，故上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路(3)流过每支二极管的平均电流1}x:由于VD,,VD和VD.j,V两组整流管各工作半个周期，因此流过每只二极管的平均电流只有负载平均电流的一半，即(4)脉动系数的定义为最低次谐波(基波U())的峰值与输出电压平均值之比，由图7.3输出波形，通过傅里叶变换可求出即上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路桥式整流的优点是输出电压脉动较小，管子承受的反向电压较低，变压器的利用率高。因此，这种电路广泛地用于小功率整流电源，但电路中需要四个整流二极管。【例7-1】有一单相桥式整流电路要求输出电压U}=110V,R,,=80Ω，交流输人电压为380V。(1)如何选用二极管?(2)求整流变压器变比和视在功率容量。上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路解:根据桥式整流电路公式可求出各参数如下上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路根据二极管选择原则可知，应选择最大整流电流大于0.7A、耐压大于172V的二极管。通过对比，选择2CZ12C二极管，其最大整流电流1A，最高反向电压为300V,满足电路要求。(2)求整流变压器变比和视在功率容量。考虑到变压器副边绕组及管子上的压降，变压器副边电压大约需要高出10%才能满足要求，即实际Uz=122X1.1=134(V)，则变压器变比为上一页下一页返回7.2单相桥式整流电路变压器容量即视在功率为变压器副边电流与变压器副边电压的乘积。变压器副边电流I=IXl.1=1.55A，乘1.1倍主要考虑变压器损耗。故整流变压器(视在)功率容量为1砚=134X1.55=208VA。【思考题】(1)在图7.2中，若VD;被击穿或断路，试分析u的输出波形。(2)在图7.2中，若VD:极性接反，可能会出现什么问题?上一页返回7.3滤波电路交流电经过整流后，输出电压在方向上没有变化，但输出电压波形仍然保持输入正弦波的波形。输出电压起伏较大，为了得到平滑的直流电压波形，必须采用滤波电路，以改善输出电压的脉动性。电容和电感是基本的滤波元件，利用它们在二极管导通时储存能量，然后再缓慢释放出来，从而得到比较平滑的波形，这就是滤波。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、LC滤波和π型滤波等。7.3.1电容滤波电路下一页返回7.3滤波电路

1.电路组成电容滤波是在负载凡两端并联一只较大容量的电容器，图7.4所示为一单相桥式整流电容滤波电路，由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以平滑，达到滤波目的。

2.电容滤波的工作的原理上一页下一页返回7.3滤波电路在u:的正半周VD,,VD导通，输出电压u}=，此电压一方面给电容C充电，另一方面产生负载电流p。若忽略整流电路的内阻，则电容C上的电压与uz同步增长。当u:达到峰值并开始下降时，u}}，二极管VD,,VD截止，见图7.5中的a点。之后，电容C按指数规律经R,放电，u下降。当放电到达b点时，uz负半周电压上升，且u2}u时，二极管VDj,V导通，整流电路再次有电压输出(u:的bc段)，电容C再次被u:充到峰值，同时u:也产生负载电流，到c点以后，uc}，二极管VDj,VD截止，C再次经R,放电。如此周期性地充放电，得到图7.5所示的波形。可见，在整流电路有输出时，由电源向R,供电;在整流管截止时，由电容C向R,供电。输出电压u}=。可见不但脉动减小，且输出电压的平均值有所提高。上一页下一页返回7.3滤波电路

3.电容滤波的指标计算输出电压平均值Uoc的大小，显然与凡和C的大小有关，由图7.6可见，凡越大、C越大，电容放电越慢，Uocn越高。极限情况，R,一二，C上电压充电至厄UZ不再放电，则Uocnv>_。当凡很小时，C放电很快，甚至与u:同步下降，则Ucxnv>=0.。电路的输出特性如图7.7所示，可见带电容滤波电路以后，U()(的大小随负载有较大的变化，即外特性较差，因此一般用于负载电流较小，且要求输出电压较高、脉动较小的场合。上一页下一页返回7.3滤波电路为了得到比较好的滤波效果，在实际工作中经常根据下式来选择滤波电路的容量。其中，T为电网交流电压的周期。当滤波电容满足式(7-9)时，一般取输出电压的平均值为上一页下一页返回7.3滤波电路注意:电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了。从图7.5可以看出，二极管的导电角小于180˚，而且电容放电时间越大，导电角越小，因此，整流管在短暂的导通时间内流过一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，所以必须选择更大容量的二极管。选择二极管时，应留有充分的余量，一般大于平均电流的2~3倍。上一页下一页返回7.3滤波电路【例7-2】一单相桥式整流电容滤波电路的输出电压U}=30V，负载电流为250mA，试选择整流二极管的型号和滤波电容C的大小。解:(1)选择整流二极管每个二极管的平均电流是负载电流的一半，为上一页下一页返回7.3滤波电路上一页下一页返回7.3滤波电路7.3.2其他滤波电路1.电感滤波电路利用电感的电抗性，同样可以达到滤波的目的。在整流电路和负载R,之间，串联一个电感五就构成了一个简单的电感滤波电路，如图7.8所示。电感滤波的特点:上一页下一页返回7.3滤波电路(1)电感对交流呈现很大的阻抗，对直流分量的电阻很小(理想时等于零)，直流电压损失很小，输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经X,一2}fL和R,分压的结果，L越大、凡愈小，则电感滤波效果越好。电感滤波适于负载电流比较大的场合，一般选择、1;Ri.o(2)输出电压的平均值Uo}，一般要小于电容滤波电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则上一页下一页返回7.3滤波电路(3)二极管承受的反向峰值电压仍为万U。采用电感滤波，可以延长整流管的导通时间，因此避免了过大的冲击电流。实际电路中，为了使L值大，多采用铁芯电感，有体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo}较低的缺点。2.LC复式滤波电路为了进一步减小输出电压的脉动程度，可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路，图7.9是LC复式滤波电路，采用电感滤波和电容滤波组合构成。上一页下一页返回7.3滤波电路整流输出电压中的交流成分绝大部分降在L上，C对交流近似短路，故u。中交流成分很小，几乎是一个平滑的直流电压。其效果比单纯电容或电感滤波电路都好。由于整流后先经L滤波，其总特性与电感滤波电路相近，因此称为电感型LC滤波电路。上一页下一页返回7.3滤波电路3.二型滤波电路图7.10为二型LC滤波电路。1_C型滤波电路的整流输出电压先经电容C滤除了交流成分后，再经电感L上滤波，电容C:上的交流成分极少，因此输出电路几乎是平直的直流电压。其输出电流波形比LC更加平滑，由于在输人端接了电容，输出直流电压更高。由于整流输出后先经C;滤波，故其总特性与电容滤波电路相近，适当选择电路参数，同样可以达到U(一1.，但其外特性较差，整流管的冲击电流比较大。上一页下一页返回7.3滤波电路铁芯电感体积大、笨重、成本高、使用不便，在负载的电流不太大而要求输出脉动很小的场合，可用电阻代替电感，组成RC型滤波电路，如图7.11所示，电阻R对交流和直流成分均产生压降，故会使输出电压下降。R,愈大，C:愈大，滤波效果愈好。上一页下一页返回7.3滤波电路【思考题】(1)在图7.4中，改变电容C的容值对u}是否有影响，为什么?(2)在图7.4中，若电容C被击穿，试分析u}的输出波形。(3)在整流电容滤波的电路中，二极管的导通时间为什么变短?(4)说明电容滤波和LC滤波电路的区别。(5)比较一下各种滤波电路的输出电压。上一页返回7.4三端集成稳压电路经过整流、滤波之后得的输出电压和理想的直流电源还有相当的差距，主要存在两方面的原因:一是当电网电压波动时，整流后输出电压直接与变压器副边电压有关，因此输出直流电压也将跟着变化;二是当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，因此输出直流电压也随之发生变化。为了能够提供更加稳定的直流电源，需要在整流滤波电路之后增加稳压电路。稳压电路有很多类型，最简单的是硅稳压管稳压电路，集成稳压电路有线性型和开关型两大类，开关型效率远高于线性型，但电路及工艺复杂。这里仅介绍最常用的三端集成稳压电路及其应用。下一页返回7.4三端集成稳压电路三端稳压器有输入端、输出端和公共端(接地)三个接线端点，由于它所需外接元件较少，使用方便，工作可靠，因此在实际中得到广泛应用。按输出电压是否可调，三端集成稳压器可分为固定式和可调式两种，是线性型集成稳压电路。7.4.1三段固定式集成稳压器1.三端固定式集成稳压器的外形和指标上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路常用的三端固定式集成稳压器有W78XX系列(输出正电压)和W79XX系(输出负电压)，其外形如图7.12(a),(b)所示，W78XX系列1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为公共端。W79XX系列1脚为公共端，2脚为输出端，3脚为输入端。由于它只有输入、输出和公共地三个端子，故称为三端稳压器。型号中C;表示国标，W表示稳压器，78表示输出为正电压值,79表示输出为负电压值，XX(或00)表示输出电压的稳定值。国产输出固定电压有士5V、士6V、士9V、士12V、士15V、士18V、士24V七个档次。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路根据输出电流的大小不同，又分为W78系列，最大输出电流1~1.5A(带散热片);W78M系列，最大输出电流0.5A;W78L系列，最大输出电流100mA左右。例如CW7815,表明国产输出+15V电压，输出电流可达1.5A，CW79M12表明输出-12V电压，输出电流为-0.5A。2.三端固定式集成稳压器的应用(1)输出固定电压应用电路上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路输出固定电压的应用电路如图7.13所示，其中图(a)为输出固定正电压，图(b)为输出固定负电压。图中，C用以抵消输入端因接线较长而产生的电感效应，用以旁路高频干扰信号，防止自激振荡，其取值范围在0.1~1μF之间(若接线不长时可不用);C。用以改善负载的瞬态响应，一般取1μF左右，其作用是减少高频噪声。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路利用外接稳压管、集成运放以及采样电阻可以提高输出电压，通过外接大功率三极管或将多片同型号电路并联使用可以提高输出电流。(2)输出正、负电压稳压电路当需要正、负两组电源输出时，可采用7800系列和7900系列各一块，按图7.14接线(电源变压器带有中心抽头并接地)，输出端即可得到大小相等、极性相反的两组电源。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路7.4.2三端可调集成稳压器前面介绍的78、79系列集成稳压器，只能输出固定电压值，在实际应用中不太方便。现在已经有输出电压连续可调的三端稳压器。按输出电压分为正电压输出和负电压输出两大类。按输出电流的大小又有0.1A、0.5A、1.5A等类型。CW117/217/3197(国外型号LM117/217/317)是三端可调式正电压输出稳压器，而CW137/237/337(国外型号LM137/237/337)是三端可调式负电压输出稳压器。三端可调集成稳压器克服了固定三端稳压器输出电压不可调的缺点，继承了三端固定式集成稳压器的诸多优点，应用更加方便。具体参数请参阅有关资料。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路三端可调集成稳压器CW317和CW337是一种悬浮式串联调整稳压器，它们的外形如图7.15所示。输入电压范围在±2~±40V之间，输出电压可在±1.25~±37V之间调整，负载中流可认1.5A。CW317和CW337的基本应用电路如图7.16所示，它只需外接两个电阻(R和R,)来确定输出电压。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路调整端的输出电流约为50μA，并且十分稳定，为了使电路正常工作，一般输电流不小于5mA。那么在CW317应用电路中，可以推出输出电压为:由于调整端的电流非常小，而R}阻值又不大，忽略调整端电流的影响可得上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路对于CW137应用电路，上述关系同样成立，只是输入、输出压都为负值。式中，1.2}是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压Uma:}一般取值120~240Ω(此值保证稳压器在空载时也能正常工作)，调节R}可改变输出电压的大小(R,取值视R,和输出电压的大小而确定)。7.4.3三端集成稳压器的使用注意事项(1)三端集成稳压器的输入、输出和公共端绝对不能接错，否则会损坏稳压器。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路(2)三端集成稳压器为降压式稳压，它的输入电压必须大于输出电压。一般输入、输出电压差值应大于2V，否则不能输出稳定的电压。(3)当温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。因此，实际应用时，稳压器要加接散热片。(4)当需要能输出大电流的稳压电源时，可以采用将多块三端稳压器并联使用。但要注意，并联使用的集成稳压器应采用同厂家、同型号的产品，以避免个别集成电路失效时导致其他电路的连锁损坏。上一页下一页返回7.4三端集成稳压电路【思考题】(1)如何提高CW78系列的输出电压?(2)三端集成稳压器对输入电压、输出电压有何要求?(3)不同型号的集成稳压器能否并联使用?为什么?上一页返回7.5可控整流电路半导体二极管组成的整流电路通常称为不可控整流电路，当输人的交流电压不变时，这种整流电路输出的直流电压也是固定的，不能任意控制和改变。利用晶闸管作为整流元件可以组成可控整流电路，这种整流电路不仅能够将交流电变换成为直流电，而且其输出电压可以根据需要进行调节。本节仅分析单相可控桥式电路。下一页返回7.5可控整流电路7.5.1电路组成及工作原理单相可控桥式整流电路由两只晶闸管、两只整流二极管和负载R,组成，电路如7-17(a)所示，图中负载为纯电阻。这种电路通常称为半控桥，若全采用晶闸管称为全控桥。假设输人电压u:为正弦信号，在ωt=α处给晶闸管V;加入触发脉冲，在“ωt+π=α处给晶闸管V:加入触发脉冲，则电路各点的波形如图7.17(b)所示。在u:的正半周，a端为正，b端为负时，晶闸管V;和二极管V承受正向电压，在ωt=a时刻触发晶闸管V:使之导通，其电流回路为:电源a端~V,}R,,}V,~电源b端。上一页下一页返回7.5可控整流电路若忽略V,,V的正向压降，输出电压u})与u:相等，极性为上正下负，这时晶闸管Vz、二极管V:均承受反向电压而阻断。当ωt=180˚时，u:降为零，V:又变为阻断，电流为零。在u:的负半周，a点为负，b点为正，晶闸管V:和二极管V:承受正向电压，当cut=二时触发V:，使之导通，其电流回路为:电源b端~V凡}Vs}电源a端，负载电压大小和极性与u:在正半周时相同，这时VD;和VD均承受反向电压而阻断。直到、t=36时，u:由负值过零，VD:恢复阻断，电流为零。上一页下一页返回7.5可控整流电路在u:的第二个周期内，电路将重复第一个周期的变化。如此重复下去，便可得到如图7.17(b)所示的输出波形。a称为控制角，θ称为导电角，a与θ满足以下关系显然，当a越小，即θ越大时，输出电压的平均值越大。7.5.2电路参数估算

(1)输出电压和电流从图7.17(b)输出电压u}的波形可以看出，在一个周期内，负载电压平均值U〔为上一页下一页返回7.5可控整流电路由式(7-14)可见，当U:固定时，只需改变控制角a的大小就可以调节Ucxn的数值。输出电流的平均值为上一页下一页返回7.5可控整流电路(2)晶闸管上的电压和电流由图7.17的波形图还可看出，晶闸管和二极管承受的最高反向工作电压以及晶闸管可能承受的最大正向电压均等于电源电压的最大值，即流过每个晶闸管和二极管电流的平均值等于负载电流的一半，即上一页下一页返回7.5可控整流电路单相桥式可控整流电路的调整及维护都较方便，但由于是单相供电，故输出功率一般在10kW以下为宜，以免造成三相电网的不平衡。若功率较大，可采用三相可控整流电路。晶闸管的主要缺点是过载能力差，在实际应用时必须加以保护，以防损坏。一般采取过电流保护和过电压保护两种措施。最常用