模电(第10章直流电源)(通信11122)

第10章直流电源10.1直流电源的组成及各部分的作用10.2整流电路10.3滤波电路10.4稳压管稳压电路10.5串联型稳压电路10.6开关型稳压电路10.7Multisim应用举例10.1直流电源的组成及各部分的作用

直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。稳压电路滤波电路整流电路电源变压器220V半波整流全波整流

变压器：改变电压值，通常是降压。

整流电路：将交流变为单向脉动的直流。

滤波电路：减小脉动。

稳压电路：使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。

在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动±10％，且负载有一定的变化范围。10.2整流电路

整流二极管为理想二极管：导通时正向压降为零，截止时反向电流为零；

变压器无损耗，内部压降为零。

对整流电路要研究清楚以下问题：

1、电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析。

2、输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压。

3、整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压。10.2.1整流电路的分析方法及基本参数

一、工作原理

220V50HzRLD+-+-

1、u2为正半周时，

二极管D导通，

uo=u2

2、u2为负半周时，

D截止，承受反向电压为u2，

uo=0tu2OtuoOtOU2muD

二、主要参数

1、输出电压平均值UO（AV）

2、输出电流平均值IO（AV）

3、脉动系数S

整流输出电压的脉动系数S：定义为整流输出电压的基波峰值UO1M与输出电压平均值UO（AV）之比，

三、二极管的选择

考虑电网电压的波动，应选择二极管的参数为

【例10.2.1】在半波整流电路中，已知电网电压波动范围是±10％，变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

（1）RL上的UO（AV）和IO（AV）各为多少？

（2）二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

（3）若不小心将输出端短路，则会出现什么现象？

解：（1）

（2）二极管承受的最大反向电压

二极管流过的最大平均电流

（3）若不小心将输出端短路，则变压器副边电压全部加在二极管上，二极管会因正向电流过大而烧坏；

若二极管烧成为短路，则会使变压器副边线圈短路，副边电流将很大，如不及时断电，会造成变压器永久性损坏。10.2.2单相桥式整流电路

一、电路的组成

220V50HzRL+-+-D1D3D2D4

220V50HzRLD4D2D1D3

220V50HzRLD1~D4

二、工作原理

1、u2为正半周时，

220V50HzRLD4D2D1D3

D1、D3正偏导通，D2、D4反偏截止。uo=u2

2、u2为负半周时，

220V50HzRLD4D2D1D3

D1、D3反偏截止，D2、D4正偏导通。uo=-u2u2uD4,uD2uD3,uD1uo

三、输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）

四、二极管的选择

考虑电网电压的波动，应选择二极管的参数为桥式整流电路和半波整流电路中二极管承受的最大反向电压和平均电流相同。

220V50HzD1D3D2D4

RL1RL2+-+-

在负载RL1两端得到正电压uo1；

在负载RL2两端得到负电压uo2.

【例10.2.2】在桥式整流电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

（1）RL上的UO（AV）和IO（AV）各为多少？

（2）当电网电压波动范围为±10％，二极管的最大平均电流IF与最高反向工作电压URM至少应选取多少？

（3）若二极管D1开路或短路，则分别产生什么现象？

解：（1）

（2）二极管承受的最大反向电压

二极管流过的最大平均电流

（3）若D1开路，则电路仅能实现半波整流，因而输出电压平均值仅为原来的一半；

若D1短路，则在u2的负半周将变压器副边电压全部加在D2上，D2将因电流过大而烧坏，且若D2烧成为短路，则有可能烧坏变压器。10.3滤波电路10.3.1电容滤波电路

220V50HzRLD4D2D1D3C

一、滤波原理

当变压器副边电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1、D3导通，电流一路流经负载电阻RL，

另一路对电容C充电。+ωtuOOπ2π3π

当u2下降到一定的数值后，uC的下降速度小于u2的下降速度，使uC大于u2从而导致D1、D3截止，电容C继续通过RL放电。

变压器和二极管是有内阻的，整流电路内阻上是有压降的。ωtuOOπ2π3π

由于整流电路的内阻很小，电容充电时间常数很小，充电进行很快

电容放电时间常数为RLC，通常远大于充电时间常数。

因此，滤波效果取决于放电时间。ωtuOOπ2π3πRLC大RLC小

二、输出电压平均值滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述。滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述。滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述。ωtuOO斜率等于RLC放电的起始斜率

当负载开路时，

当RLC=（3~5）T/2时，

电容的耐压值应大于

三、脉动系数

在近似波形（锯齿波）中，交流分量的基波的峰—峰值为

基波的峰值为

四、整流二极管的导通角θ

在未加滤波电容之前，整流二极管的导通时间为半个周期，即二极管的导通角θ为π。

加滤波电容后，只有当电容充电时整流二极管才导通，即整流二极管的导通时间小于半个周期。

即每只二极管的导通角θ都小于π。ωtuOOπ2πωtiOπ2πiOiD

并且RLC越大，滤波效果越好，导通时间越短，导通角θ越小。

二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电。二极管的寿命将受影响

在选择整流二极管时，最大整流平均电流IF通常要大于负载电流的2~3倍。

五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性

当滤波电容C选定后，UO（AV）和IO（AV）的关系称为输出特性。IO（AV）OUO（AV）C减小

当滤波电容C选定后，S和IO（AV）的关系称为滤波特性。IO（AV）OSC减小

电容滤波电路适用于负载电流较小且变化范围不大的场合。

【例10.3.1】在图10.3.1（a）所示电路（桥式整流、电容滤波）中，

若电网电压的波动范围为10％，UO（AV）≈1.2U2。

要求UO（AV）=15V，IL（AV）=100mA。

试选择合适的滤波电容。解：C的取值满足RLC=（3~5）T/2的条件。

由于UO（AV）≈1.2U2，

电容的耐压值为

可选取容量为330μF、耐压为25V的电容作本电路的滤波电容。

讨论一：

在桥式整流、电容滤波电路中，

已知变压器副边电压有效值为10V，电容量足够大，判断下列情况下输出电压平均值UO（AV）≈？

1、正常工作；

2、C开路；

3、RL开路；

4、D1和C同时开路。12V9V14.1V4.5V

讨论二：

整流电路如图所示，

220V50HzD1D2u22

RLu21uO变压器次级具有中心抽头的全波整流电路求解变压器副边电压有效值U21＝U22＝20V时输出电压的波形和平均值、整流二极管的最大整流电流和最高反向工作电压。10.3.2倍压整流电路

利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。

1、二倍压整流电路

220V50HzD1D2C1C2uO+-u2

当u2

为正半周时，+-D1导通、D2截止，C1充电。

当u2

为负半周时，+-D2导通、D1截止，C2充电。

2、多倍压整流电路

220V50HzD1D6C1+-u2C3C5C2C4C6

在空载情况下，C1上的电压为

C2~C6上的电压均为

以C1和C3上的电压相加作为输出，输出电压值为

依次类推，从不同位置输出，其输出电压值为10.3.3其它形式的滤波电路

一、电感滤波电路

220V50HzRLD1~D4

电感上感生电动势的方向总是阻止电流的变化。

每当整流二极管的电流变小而趋于截止时，感生电动势将延长这种变化，即增大二极管的导通角。uDL

二极管上的冲击电流减小。

RLRLuD线圈的直流电阻若R很小

RL越小、L越大，滤波效果越好。

电感滤波电路适用于大电流负载的场合。

二、复式滤波电路RL

LCRL

LC2C1可换成R

三、各种滤波电路的比较类型电容滤波电感滤波LC滤波RC或LCπ型滤波性能UO（AV）θ适用场合1.2U20.9U20.9U21.2U2小大大小小电流负载大电流负载适应性较强小电流负载10.4稳压管稳压电路10.4.1电路组成

220V50HzRLD4D2D1D3CDzRIRIDzIL稳压电路限流电阻10.4.2稳压原理

220V50HzRLCDzRIRIDzIL电网电压UiUOIDzIRURUOUO基本不变负载电阻UOIDzIRIR基本不变UO基本不变-ΔIz≈ΔILILIR10.4.3性能指标

一、稳压系数Sr

稳压系数Sr

的定义为：负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即整流滤波后的直流电压Sr

表明电网电压波动的影响。

二、输出电阻RO

输出电阻RO定义为：稳压电路输入电压一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比，即RO表明负载电阻对稳压性能的影响。RLrzR

电压调整率：在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量ΔUO。

电流调整率：在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量ΔUO。

纹波系数γ：交流电压分量的总有效值与直流电压分量之比，即10.4.4电路参数的选择

一、稳压电路输入电压Ui的选择Ui

确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。

二、稳压管的选择空载时：满载时：最大稳定电流最小稳定电流

三、限流电阻R的选择

【例10.4.1】在稳压管稳压电路中，已知稳压管的Uz=6V，IZ=5mA，IZM=40mA，rz=15Ω；Ui=15V，负载电流为10~20mA。

（1）求解R的取值范围。

（2）若R=250Ω，则Sr和RO各为多少？

（3）为使稳压性能好一些，在允许范围内，R的取值应当偏大些，还是偏小些？为什么？

解：（1）

R的取值范围是180~360Ω。

（2）

（3）在允许范围内，R的取值应当偏大些。

【例10.4.2】在稳压管稳压电路中，已知Ui=12V，电网电压允许波动范围为±10％；稳压管的Uz=5V，IZ=5mA，IZM=30mA；RL=250~350Ω。求：

（1）R的取值范围。

（2）若限流电阻R短路，则将产生什么现象？

解：（1）

（2）若限流电阻R短路，则Ui全部加在稳压管上，使之因电流过大而烧坏。10.5串联型稳压电路10.5.1串联型稳压电路的工作原理

一、基本调整管电路RLDzR电网电压UiUOUBE=（UB-UE）IBICUCEUOUO基本不变RLDzRUiUOTUO=Uz-UBE

二、具有放大环节的串联型稳压电路

1、电路的组成RLDzRUiUOTRLDzRUiUOT基准电压电路调整管采样电路比较放大

2、稳压原理RLDzRUiUOTUBUNUP电网电压UOUBUBE=（UB-UE）IBICUCEUOUO基本不变RLUN

3、输出电压的可调范围RLDzRUiUOT

4、调整管的选择RLDzRUiUOT

实际选用时，要留有一定的余量，

并按手册上的规定采取散热措施。

三、串联型稳压电路的方框图比较放大电路采样电路调整管基准电压电路保护电路UiRLUO

【例10.5.1】在具有放大环节的串联型稳压电路中，已知输入电压Ui的波动范围为±10％；调整管的饱和压降UCES=2V，输出电压的调节范围UO=5~20V；R1=R3=200Ω。试问：

（1）Uz和R2的取值各为多少？

（2）为使调整管正常工作，Ui的值至少应取多少？

解：（1）输出电压的表达式为

将UOmin=5V、UOmax=20V，R1=R3=200Ω代入，求解二元方程，可得Uz=4V，R2=600Ω。

（2）调整管正常工作：是指在输入电压波动和输出电压改变时调整管应始终工作在放大状态。Ui取25V。10.5.2集成稳压器中的基准电压和保护电路

二、保护电路

1、过流保护电路

过流保护电路的作用：在稳压器输出电流超过额定值时，限制调整管发射极电流在某一数值或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。

限流型过流保护电路：凡在过流时使调整管发射电流限制在某一数值的电路。

截流型（或减流型）过流保护电路：凡在过流时使调整管发射极电流迅速减小到较小数值的电路。

（1）限流型过流保护电路调整管T1UiR0UOT2电流采样电阻来自比较放大电路IO

正常工作时，T2管处于截止状态。

过流时，R0上的电压足以使T2导通，便从T1管的基极电流分流，因而限制了调整管的发射极电流。

（2）截流型过流保护电路调整管T1UiR0UOT2比较放大电路IOR1R2AB

未过流时，T2管处于截止状态。调整管T1UiR0UOT2比较放大电路IOR1R2AB

当IO增大到一定数值或输出端短路时，T2导通，对T1的基极分流，使IO减小，从而导致UO减小；

UO下降的幅值大于UB，即UBE2增大，使得T2的电流进一步增大，T1的电流进一步减小，最终减小到较小的值。10.5.3集成稳压器电路

一、W7800和7900三端稳压器

1、输出电压和输出电流

三端：电压输入端、输出端和公共端。

78系列输出正电压，79系列输出负电压。

输出电压值有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等七个等级。

型号后面的两位数字表示输出电压的大小。

7805的输出电压为+5V，7912的输出电压为-12V。

输出电流有1.5A的7800和7900系列，0.5A的78M00和79M00系列，