直流穩(wěn)壓電源 教學基本要求 了解直流穩(wěn)壓電源的基本組成及工作原理 了解組成直流穩(wěn)壓電源的整流電路 濾波電路及穩(wěn)壓電路的工作原理了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理及特點了解串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的組成 工作原理與特點了解線性集成穩(wěn)壓電源的工作原理一般了解開關(guān)型穩(wěn)壓電源的工作原理與特點本章講授 3學時自學12學時 主要內(nèi)容 直流穩(wěn)壓電源的組成整流濾波電路穩(wěn)壓電路與穩(wěn)壓電源本章小結(jié) 直流穩(wěn)壓電源的組成 組成框圖與各部分的作用 直流穩(wěn)壓電源的組成 半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖 交流電源 負載 變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓 整流電路 單相半波整流電路 u2 0時 二極管導(dǎo)通 uo u2 u2 0時 二極管截止 uo 0 整流電路 參數(shù)計算 4 輸出電壓平均值 1 輸出電壓波形 3 最高電壓 2 平均電流 ID IL U0 整流電路 例1 有一單相整流電路 負載電阻為750 變壓器副邊電壓為20V 試求Uo Io及UDRM 并選用二極管 解 查二極管參數(shù) 選用2AP4 16mA 50V 為了使用安全此項參數(shù)選擇應(yīng)比計算值大一倍左右 整流電路 單相全波整流電路 4 uo平均值 Uo 0 9U2 1 輸出電壓波形 3 二極管上承受的最高電壓 2 二極管上的平均電流 整流電路 單相橋式整流電路 整流電路 單相橋式整流電路 u2正半周時電流通路 整流電路 單相橋式整流電路 u2負半周時電流通路 整流電路 單相橋式整流電路 u2 0時 D1 D3導(dǎo)通D2 D4截止A D1 RL D3 B u2 0時 D2 D4導(dǎo)通D1 D3截止B D2 RL D4 A 輸出是脈動的直流電壓 整流電路 單相橋式整流電路 2 二極管上承受的最高反向電壓 1 二極管上的平均電流 3 uo平均值 iL iL iD 整流電路 1 整流輸出電壓平均值 Uo 負載上的 平均 電流IL S定義 整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比 2 脈動系數(shù) 整流電路 3 整流二極管的平均電流 ID 與反向峰值電壓 UDRM 整流電路 常見的幾種整流電路 整流電路 幾種常見的硅整流橋外形 電容濾波電路 濾波原理 1 RL未接入時 忽略整流電路內(nèi)阻 電容濾波電路 RL未接入時 忽略整流電路內(nèi)阻 充電結(jié)束 沒有電容時的輸出波形 電容濾波電路 RL接入 且RLC較大 時 忽略整流電路內(nèi)阻 電容通過RL放電 在整流電路電壓小于電容電壓時 二極管截止 整流電路不為電容充電 uo會逐漸下降 電容濾波電路 只有整流電路輸出電壓大于uo時 才有充電電流iD 因此整流電路的輸出電流是脈沖波 整流電路的輸出電流iD 電容濾波電路 電容濾波電路的特點 2 流過二極管瞬時電流很大 RLC越大 Uo越高 負載電流的平均值越大 整流管導(dǎo)電時間越短 iD的峰值電流越大 故一般選管時 取 1 輸出電壓Uo與放電時間常數(shù)RLC有關(guān) RLC愈大 電容器放電愈慢 Uo 平均值 愈大 電容濾波電路 電容濾波電路的特點 輸出波形隨負載電阻RL或C的變化而改變 Uo和S也隨之改變 如 RL愈小 IL越大 Uo下降多 S增大 結(jié)論 電容濾波電路適用于輸出電壓較高 負載電流較小且負載變動不大的場合 3 輸出特性 外特性 電容濾波電路 例 單相橋式整流濾波電路 交流電源頻率f 50Hz RL 200 要求直流輸出電壓Uo 30V 選擇整流二極管及濾波電容器 解 1 選擇整流二極管 可選用二極管2CP11 IOM 100mAUDRM 50V 電容濾波電路 2 選擇濾波電容器 取RLC 5 T 2 已知RL 50 可選用C 250 F 耐壓為50V的極性電容器 電感濾波電路 電路結(jié)構(gòu) 在橋式整流電路與負載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路 電感濾波電路 濾波原理 對直流分量 XL 0相當于短路 電壓大部分降在RL上 對諧波分量 f越高 XL越大 電壓大部分降在XL上 因此 在輸出端得到比較平滑的直流電壓 Uo 0 9U2 當忽略電感線圈的直流電阻時 輸出平均電壓約為 電感濾波電路 電感濾波的特點 整流管導(dǎo)電角較大 峰值電流很小 輸出特性比較平坦 適用于低電壓大電流 RL較小 的場合 缺點是電感鐵芯笨重 體積大 易引起電磁干擾 其他形式的濾波電路 改善濾波特性的方法 采取多級濾波 L C型濾波電路 在電感濾波后面再接一電容 RC 型濾波電路 在電容濾波后再接一級RC濾波電路 性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似 LC 型濾波電路 在電容濾波后面再接L C型濾波電路 其他形式的濾波電路 電感電容濾波器 LC濾波器 電感電容濾波電路 由于電感線圈對整流電流的交流分量具有阻抗 L比RL大得愈多則濾波效果就愈好 一般需要線圈的電感量較大 但其直流電阻也較大 因而會造成輸出電壓的下降 LC濾波器適于電流較大 輸出電壓脈動很小的場合 更適合與高頻濾波 其他形式的濾波電路 形濾波器 形LC濾波電路 如果需要輸出電壓的脈動更小 可以再加一個濾波電容 形LC濾波器的效果跟好 但整流二極管的沖擊電流較大 由于線圈體大且重 有些情況可用電阻代替電感線圈以構(gòu)成 形RC濾波器 R愈大濾波效果愈好 但將使輸出電壓下降 所以適用于負載電流較小 電壓脈動很小的場合 形RC濾波電路 穩(wěn)壓電路與穩(wěn)壓電源 分類 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓電路 開關(guān)型 穩(wěn)壓電路 線性 穩(wěn)壓電路 常用穩(wěn)壓電路 小功率設(shè)備 以下主要討論線性穩(wěn)壓電路 電路最簡單 但是帶負載能力差 一般只提供基準電壓 不作為電源使用 效率較高 目前用的也比較多 但因?qū)W時有限 這里不做介紹 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 1 穩(wěn)壓二極管的電路符號 2 穩(wěn)壓二極管的特性 1 PN結(jié)易于擊穿 擊穿電壓比普通二極管低很多 2 PN結(jié)面積大 散熱條件好 使反向擊穿是可逆的 特點 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 1 穩(wěn)定電壓UZ 2 穩(wěn)定電流IZ 保證穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的最小工作電流 3 最大穩(wěn)定電流IZM 4 最大允許耗散功率PZM 5 動態(tài)電阻 6 電壓溫度系數(shù) U 穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗 動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果越好 穩(wěn)壓管受溫度變化的影響系數(shù) 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路構(gòu)成 1 電源電壓波動 2 負載變化 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 工作過程與參數(shù)選取 整流濾波輸出電壓被分成兩部分 一部分是負載得到的直流輸出電壓U0 另一部分則是降在調(diào)整元件上的電壓UR 電路工作時 穩(wěn)壓管處于反向擊穿狀態(tài) 電阻R中流過的電流一部分流入穩(wěn)壓二極管形成穩(wěn)壓管電流Iz 另一部分則提供給負載電阻RL 如果電阻R取值太小 則穩(wěn)壓管中的電流將可能太大而損壞器件 所以 該電阻又稱為限流電阻 輸出電壓的數(shù)值直接由穩(wěn)壓管的參數(shù)確定 Uz 構(gòu)造電路時要根據(jù)需要選擇穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 工作過程與參數(shù)選取 R承受的最大可能電壓 R承受的最小可能電壓 R允許流過的最大電流 R必須流過的最小電流 如果負載電流的變化范圍為ILm ILM 電源電壓波動使濾波輸出電壓Ui的變化范圍為Uimin Uimax 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 例題分析 例 電路如圖 已知Ui 30V 穩(wěn)壓管DZ 2CW18 的穩(wěn)定電壓UZ 10V 最小穩(wěn)定電流IZmin 5mA 最大穩(wěn)定電流IZmax 20mA 負載電阻RL 2k 求當Ui變化 10 時 電阻R的取值范圍 輸出電壓 負載電流 整流濾波輸出電壓 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓電路 存在的問題穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路雖然簡單 但存在以下問題穩(wěn)壓值只能由穩(wěn)壓管的型號決定 不能調(diào)節(jié) 輸出電流受IZM的限制 調(diào)節(jié)范圍和數(shù)值都較小 輸出電阻RO比較大 輸出電壓的穩(wěn)定性較差 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路只能用在輸出直流電壓固定且負載電流不大的場合 在電子系統(tǒng)中 應(yīng)用較為廣泛的是串聯(lián)型穩(wěn)壓器和開關(guān)型穩(wěn)壓器 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 電路結(jié)構(gòu)的一般形式 負載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴大 1 倍 Uo UZ UBE 但帶負載的能力比穩(wěn)壓管強 1 串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 電路結(jié)構(gòu)的一般形式 1 串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式 兩個主要缺點 1 穩(wěn)壓效果不好 Uo UZ UBE 2 輸出電壓不可調(diào) 改進的方法 在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負反饋的放大環(huán)節(jié) 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 變壓 整流 濾波 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 采樣環(huán)節(jié) 采樣環(huán)節(jié) R1 R2及Rp組成 將輸出電壓的一部分送到放大環(huán)節(jié) 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 采樣環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 由晶體管T2構(gòu)成的直流放大電路 其輸入電壓是采樣電壓與基準電壓之差 放大后控制調(diào)整管 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 基準電壓 采樣環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 基準電壓 由穩(wěn)壓管DZ和R3構(gòu)成 穩(wěn)壓管兩端的直流電壓UZ是穩(wěn)定性較高的直流電壓 作為調(diào)整和比較的標準 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 2 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 調(diào)整環(huán)節(jié) 基準電壓 采樣環(huán)節(jié) 放大環(huán)節(jié) 調(diào)整環(huán)節(jié) 由工作于放大狀態(tài)的功率管T1構(gòu)成 其基極電流受放大環(huán)節(jié)控制 并由射極輸出直流電壓 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源自動調(diào)節(jié)電壓過程 Uo UBE2 IB2 IC2 UCE2 Uo UCE1 IC1 IB1 UBE1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源屬于 串聯(lián)電壓負反饋電路 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 影響穩(wěn)壓特性的主要因素 2 流過穩(wěn)壓管的電壓隨UI波動 使UZ不穩(wěn)定 降低了穩(wěn)壓精度 1 電路對電網(wǎng)電壓的波動抑制能力較差 例 UI VC2 Uo 3 溫度變化時 T2組成的放大電路產(chǎn)生零點漂移 使輸出電壓的穩(wěn)定度變差 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路 改進措施 在運放理想條件下 1 選用差動放大器或運放構(gòu)成的放大器代替T2管構(gòu)成的放大器 可以解決零點漂移的問題 線性集成穩(wěn)壓電源 簡單的集成穩(wěn)壓電源 線性集成穩(wěn)壓電源 單片集成穩(wěn)壓電源 目前最普遍應(yīng)用的單片穩(wěn)壓電源是W7800系列和W7900系列 只有三個引出端 輸入端1 輸出端2和公共端3 俗稱三端集成穩(wěn)壓器 外形圖和主要參數(shù) 線性集成穩(wěn)壓電源 1端 輸入端2端 公共端3端 輸出端 W7800系列穩(wěn)壓器外形 1端 公共端2端 輸入端3端 輸出端 W7900系列穩(wěn)壓器外形 線性集成穩(wěn)壓電源 注 型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值 輸出電壓額定電壓值有 5V 9V 12V 18V 24V等 三端集成穩(wěn)壓器 線性集成穩(wěn)壓電源 應(yīng)用電路 輸出為固定電壓的電路 固定正壓時的接法如圖 注意 輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V 線性集成穩(wěn)壓電源 應(yīng)用電路 輸出為固定電壓的電路 固定負壓時的接法如圖 線性集成穩(wěn)壓電源 應(yīng)用電路 輸出為固定電壓的電路 正負同時輸出的接法如圖 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源 串聯(lián)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū) 調(diào)整管功耗大 穩(wěn)壓電源的效率一般低于50 且需加裝體積較大的散熱板 開關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管一般以10kHz 100kHz的頻率反復(fù)翻轉(zhuǎn)于飽和區(qū)和截止區(qū)的開關(guān)工作狀態(tài) 功耗很低 電源效率可以提高到80 90 開關(guān)型穩(wěn)壓器體積小 重量輕 對電網(wǎng)電壓的波動要求低 由于開關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài) 輸出的脈動較大 會產(chǎn)生尖峰干擾和諧波干擾 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源 開關(guān)型穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu) 與串聯(lián)線性穩(wěn)壓器相比 開關(guān)型穩(wěn)壓器增加了開關(guān)控制和續(xù)流濾波電路 調(diào)整管采用用開關(guān)型晶體管 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源 開關(guān)型穩(wěn)壓器的工作波形 上門限電壓 下門限電壓 輸出電壓的平均值 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源 開關(guān)型穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓過程 U1 RL UO u ton UO U1 RL UO u ton UO 本章小結(jié) 直流穩(wěn)壓電源的組成整流濾波電路穩(wěn)壓電路與穩(wěn)壓電源