第18章直流穩(wěn)壓電源 18 2濾波器 18 3直流穩(wěn)壓電源 18 1整流電路 本章要求 1 理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及參數(shù)的計算 2 了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理 3 了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應用 第18章直流穩(wěn)壓電源 第18章直流穩(wěn)壓電源 小功率直流穩(wěn)壓電源的組成 功能 把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓 18 1整流電路 整流電路的作用 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電壓 常見的整流電路 半波 全波 橋式和倍壓整流 單相和三相整流等 分析時可把二極管當作理想元件處理 二極管的正向?qū)娮铻榱?反向電阻為無窮大 整流原理 利用二極管的單向?qū)щ娦?18 1 1單相半波整流電路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二極管D導通 3 工作波形 u負半周 Va Vb 二極管D截止 承受反壓 1 電路結構 動畫 4 參數(shù)計算 1 整流電壓平均值Uo 2 整流電流平均值Io 3 流過每管電流平均值ID 4 每管承受的最高反向電壓UDRM 5 變壓器副邊電流有效值I 5 整流二極管的選擇 平均電流ID與最高反向電壓UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù) 選管時應滿足 IOM ID URWM UDRM 最大整流電流 反向工作峰值電壓 18 1 2單相橋式整流電路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二極管D1 D3導通 D2 D4截止 承受反壓 3 工作波形 uD2uD4 1 電路結構 動畫 18 1 2單相橋式整流電路 2 工作原理 u負半周 Va Vb 二極管D1 D3截止 承受反壓 D2 D4導通 RL兩端極性不變 3 工作波形 uD2uD4 1 電路結構 動畫 4 參數(shù)計算 1 整流電壓平均值Uo 為半波整流電路的兩倍 2 整流電流平均值Io 3 流過每管電流平均值ID 4 每管承受的最高反向電壓UDRM Uo 2 0 45U 0 9U ID Io 2 0 45U RL 5 變壓器副邊電流有效值I 例1 單相橋式整流電路 已知交流電網(wǎng)電壓為220V 負載電阻RL 50 負載電壓Uo 100V 試求變壓器的變比和容量 并選擇二極管 考慮到變壓器二次側繞組及管子壓降 變壓器副邊電壓大約要高出10 即U 1 1 111V 122V 可選用二極管2CZ55E 其最大整流電流為1A 反向工作峰值電壓為300V 解 負載電流I0 U0 RL 100 50 2 A 每管流過的平均電流ID I0 2 1 A 變壓器二次側電壓的有效值U U0 0 9 111 V 則 每管承受的最高反向電壓 172V I U RL U0 0 9RL 1 11Io 2 1 11 2 2A 變壓器副邊電流有效值 變壓器容量S UI 122 2 2 207 8VA 變壓器副邊電壓U 122V 例2 試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2或D4斷開時負載電壓的波形 如果D2或D4接反 后果如何 如果D2或D4因擊穿或燒壞而短路 后果又如何 解 當D2或D4斷開后電路為單相半波整流電路 正半周時 D1和D3導通 負載中有電流過 負載電壓uo u 負半周時 D1和D3截止 負載中無電流通過 負載兩端無電壓 uo 0 如果D2或D4接反則正半周時 二極管D1 D4或D2 D3導通 電流經(jīng)D1 D4或D2 D3而造成電源短路 電流很大 因此變壓器及D1 D4或D2 D3將被燒壞 如果D2或D4因擊穿燒壞而短路則正半周時 情況與D2或D4接反類似 電源及D1或D3也將因電流過大而燒壞 18 1 3三相橋式整流電路 2 工作原理 在每一瞬間共陰極組中陽極電位最高的二極管導通 共陽極組中陰極電位最低的二極管導通 1 電路 三相變壓器原繞組接成三角形 副繞組接成星形 在t1 t2期間共陰極組中a點電位最高 D1導通 共陽極組中b點電位最低 D4導通 負載兩端的電壓為線電壓uab 負載電壓 2 工作原理 變壓器副邊電壓 動畫 在t2 t3期間共陰極組中a點電位最高 D1導通 共陽極組中c點電位最低 D6導通 負載兩端的電壓為線電壓uaC 負載電壓 2 工作原理 變壓器副邊電壓 在t3 t4期間共陰極組中b點電位最高 D3導通 共陽極組中c點電位最低 D6導通 負載兩端的電壓為線電壓ubC 負載電壓 2 工作原理 變壓器副邊電壓 在t4 t5期間共陰極組中b點電位最高 D3導通 共陽極組中a點電位最低 D2導通 負載兩端的電壓為線電壓uba 負載電壓 2 工作原理 變壓器副邊電壓 2 工作原理 結論 在一個周期中 每個二極管只有三分之一的時間導通 導通角為120 變壓器副邊電壓 負載電壓 負載兩端的電壓為線電壓 3 參數(shù)計算 1 整流電壓平均值Uo 2 整流電流平均值Io 3 流過每管電流平均值ID 4 每管承受的最高反向電壓UDRM 18 2濾波器 交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流 其中既有直流成份又有交流成份 濾波原理 濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓 或通過電感中的電流 不能突變的特性 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份 保留其直流成份 達到平滑輸出電壓波形的目的 方法 將電容與負載RL并聯(lián) 或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián) 18 2 1電容濾波器1 電路結構 2 工作原理 u uC時 二極管導通 電源在給負載RL供電的同時也給電容充電 uC增加 uo uC u uC時 二極管截止 電容通過負載RL放電 uC按指數(shù)規(guī)律下降 uo uC uC 3 工作波形 二極管承受的最高反向電壓為 4 電容濾波電路的特點 T 電源電壓的周期 1 輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間常數(shù)RLC有關 RLC越大 電容器放電越慢 輸出電壓的平均值Uo越大 波形越平滑 近似估算取 Uo 1 2U 橋式 全波 Uo 1 0U 半波 當負載RL開路 并且忽略管壓降時 UO 為了得到比較平直的輸出電壓 2 外特性曲線 有電容濾波 結論 采用電容濾波時 輸出電壓受負載變化 RL IO 影響較大 即帶負載能力較差 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高 負載電流較小且負載變化較小的場合 3 流過二極管的瞬時電流很大 選管時一般取 IOM 2ID RLC越大 O越高 IO越大 整流二極管導通時間越短 iD的峰值電流越大 例 有一單相橋式整流濾波電路 已知交流電源頻率f 50Hz 負載電阻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 流過二極管的電流 二極管承受的最高反向電壓 變壓器副邊電壓的有效值 解 1 選擇整流二極管 可選用二極管2CP11 IOM 100mAURWM 300V 例 有一單相橋式整流濾波電路 已知交流電源頻率f 50Hz 負載電阻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 取RLC 5 T 2 已知RL 200 解 2 選擇濾波電容器 可選用C 250 F 耐壓為50V的極性電容器 18 2 2電感電容濾波器 1 電路結構 2 濾波原理 對直流分量 XL 0 L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L上 因此 在負載上得到比較平滑的直流電壓 當流過電感的電流發(fā)生變化時 線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化 使負載電流和電壓的脈動減小 LC濾波適合于電流較大 要求輸出電壓脈動較小的場合 用于高頻時更為合適 18 2 3 形濾波器 形LC濾波器 濾波效果比LC濾波器更好 但二極管的沖擊電流較大 比 形LC濾波器的體積小 成本低 形RC濾波器 R愈大 C2愈大 濾波效果愈好 但R大將使直流壓降增加 主要適用于負載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合 18 3直流穩(wěn)壓電源 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓器 是為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設備 穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓 負載及環(huán)境溫度的變化無關 理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源 實際上 它是內(nèi)阻很小的電壓源 其內(nèi)阻越小 穩(wěn)壓性能越好 穩(wěn)壓電路是整個電子系統(tǒng)的一個組成部分 也可以是一個獨立的電子部件 18 3 1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 2 工作原理 UO UZIR IO IZ RL IO IR 設UI一定 負載RL變化 UO UZ IZ 1 電路 限流調(diào)壓 穩(wěn)壓電路 18 3 1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 2 工作原理 UO UZIR IO IZ UI UZ 設負載RL一定 UI變化 IZ IR 1 電路 3 穩(wěn)壓管參數(shù)的選擇 1 UZ UO 2 IZM 1 5 3 IOM 3 UI 2 3 UO 4 為保證穩(wěn)壓管安全工作 為保證穩(wěn)壓管正常工作 適用于輸出電壓固定 輸出電流不大 且負載變動不大的場合 19 3 2恒壓源 由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運算放大器可組成恒壓源 反相輸入恒壓源 同相輸入恒壓源 改變RF即可調(diào)節(jié)恒壓源的輸出電壓 18 3 3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 1 電路結構 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準電壓 比較放大 取樣電路和調(diào)整元件四部分組成 調(diào)整元件 比較放大 基準電壓 取樣電路 調(diào)整元件 比較放大 基準電壓 取樣電路 T 同相輸入恒壓源 T 同相輸入恒壓源 T 調(diào)整管T通常為功率管或復合管 其作用 一是向負載提供大電流 二是降落并調(diào)整Ui與UO之間的壓差 2 調(diào)整管T工作在放大區(qū) 連接成射極輸出器 運放和T組成開環(huán)放大部分 R1和R2引入串聯(lián)電壓負反饋 故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 什么電路 當由于電源電壓或負載電阻的變化使輸出電壓UO升高時 有如下穩(wěn)壓過程 2 穩(wěn)壓過程 由電路圖可知 UO Uf UB UO IC UCE 由于引入的是串聯(lián)電壓負反饋 故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 3 輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍 輸出電壓 根據(jù)同相比例運算放大電路可知 18 3 4集成穩(wěn)壓電源 單片集成穩(wěn)壓電源 具有體積小 可靠性高 使用靈活 價格低廉等優(yōu)點 最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入 輸出和公共引出端 故稱之為三端集成穩(wěn)壓器 1 分類 XX兩位數(shù)字為輸出電壓值 1 25 37V連續(xù)可調(diào) 2 外形及引腳功能 W7800系列穩(wěn)壓器外形 W7900系列穩(wěn)壓器外形 塑料封裝 塑料封裝 3 性能特點 7800 7900系列 輸出電流超過1 5A 加散熱器 不需要外接元件內(nèi)部有過熱保護內(nèi)部有過流保護調(diào)整管設有安全工作區(qū)保護輸出電壓容差為4 輸出電壓額定值有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V等 如7805輸出電壓為 5V 7915輸出電壓為 15V 4 主要參數(shù) 1 電壓調(diào)整率SU 穩(wěn)壓系數(shù) 反映當負載電流和環(huán)境溫度不變時 電網(wǎng)電壓波動對穩(wěn)壓電路的影響 2 電流調(diào)整率SI反映當輸入電壓和環(huán)境溫度不變時 輸出電流變化時輸出電壓保持穩(wěn)定的能力 即穩(wěn)壓電路的帶負載能力 0 005 0 02 0 1 1 0 3 輸出電壓UO 6 最大輸入電壓UiM 7 最大功耗PM 4 最大輸出電流IOM 5 最小輸入 輸出電壓差 Ui UO min 可達到2 3V 輸出為固定正電壓時的接法如圖所示 1 輸出為固定電壓的電路 輸入與輸出之間的電壓不得低于3V 5 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的應用 0 1 1 F 1 F 為了瞬時增減負載電流時 不致引起輸出電壓有較大的波動 即用來改善負載的瞬態(tài)響應 用來抵消輸入端接線較長時的電感效應 防止產(chǎn)生自激振蕩 即用以改善波形 2 同時輸出正 負電壓的電路 濾波 UXX 為W78XX固定輸出電壓UO UXX UZ 3 提高輸出電壓的電路 IO I2 IC 4 提高輸出電流的電路 當IO較小時 UR較小 T截止 IC 0 當IO IOM時 UR較大 T導通 IO IOM IC R可由功率管T的UBE和穩(wěn)壓器的IOM確定 即R UBE IOM 6 三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的應用 流過調(diào)整端電流 100 A 在要求不高的場合它在R2上的壓降可以忽略 2 1兩端電壓為1 25V 基準電壓 CW117 CW317輸出可調(diào)正電壓 CW137 CW337輸出可調(diào)負電壓 通過調(diào)整R2 可獲得不同大小的輸出電壓 作業(yè) p 172 18 1 518 2 318 3 218 3 3