直流电源课件.ppt

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1、第十章 直流电源,10.1 直流电源的组成10.2 单相整流电路10.2.1 单相半波整流电路10.2.2 单相桥式整流电路10.2.3 整流电路的主要参数10.3 滤波电路10.3.1 电容滤波电路10.5 硅稳压管稳压电路10.5.1 稳压电路的主要指标10.5.2 硅稳压管稳压电路的组成和工作原理10.5.3 稳压电路的内阻和稳压系数10.5.4 稳压电路中限流电阻的选择10.6 串联型直流稳压电路10.6.1 电路组成和工作原理10.6.2 输出电压的调节范围10.6.3 调整管的选择10.6.4 稳压电路的过载保护10.7 集成稳压器10.7.1 三端集成稳压器的组成10.7.2 三

2、端集成稳压器的主要参数10.7.3 三端集成稳压器的应用,第一节 单相整流电路,单相半波整流电路,整流电路的主要参数,直流电源的组成,单相桥式整流电路,一、直流电源的组成,电子设备中所用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压后得到的。对直流电源的主要要求： 能够输出不同电路所需要的电压和电流；直流输出电压平滑，脉动成分小；输出电压的幅值稳定；交流电变换成直流电时的转换效率高。直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。,电网电压信号,整流输出信号,滤波输出信号,变压器输出信号,稳压输出信号,利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整

3、流成为单方向的脉动电压。滤波器的作用：尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。稳压电路的作用：使输出的直流电压，在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。,整流电路的作用：,二. 单相半波整流电路,uO = u2,uD = 0,iO = iD = 0,uO = 0,uD = u2,u2负半周内：,u2正半周内,优点: 结构简单，所用元件少，缺点：输出波形脉动大；直流成分比较低；变压器利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。所以只能用在输出电流较小，要求不高的场合。,单相全波整流电路,u2正半周内， VD1导通， VD2截止，uD1 = 0， uo = u2，

4、 iD2 = 0，iO = iD1 = u2 / RL 。,U2负半周内， VD2导通， VD1截止uD1 = u2 ， uo = -u2， iD2 = 0， iO = iD2 = u2 / RL,输出电压平均值是半波整流的两倍，脉动成分比半波整流时有所下降。,变压器必须有中心抽头，变压器利用率不高。,三、 单相桥式整流电路,1. 电路组成,电路中用了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。,2. 桥式整流电路的其他画法,3. 工作原理,u2 正半周内， VD1、VD2 导电，VD3、VD4 截止；,u2 负半周时，VD3、VD4 导电，VD1、VD2截止。,正、负半周均有电流流过负载电

5、阻 RL且方向一致。,四、 整流电路的主要参数,1. 输出直流电压 UO(AV),2. 脉动系数 S,以单相桥式整流电路为例,整流电路输出波形的傅立叶级数表示为：,3. 二极管正向平均电流 ID(AV),4. 二极管最大反向峰值电压 URM,例10.1.1某电子装置要求电压值为15V的直流电源，已知负载电阻RL等于100，试问：如果选用单相桥式整流电路，则变压器二次电压U2应为多大？整流二极管的正向平均电流ID(AV)和最大反向峰值电压URM等于多少？输出电压的脉动系数S等于多少？如果改用单相半波整流电路，则U2 、 ID(AV) 、 URM和S各等于多少？,解： ,第二节 滤波电路,电感滤波

6、电路,电容滤波电路,复式滤波电路,对滤波电路的要求：,1、尽量降低输出电压中的脉动成分；2、尽量保留其中的直流成分，使输出电压成为比较平滑的直流电压。,一、 电容滤波电路,1. 电路组成,2. 工作原理,RLC = ,RLC大,RLC小,T为电网交流电压的周期。,3. 滤波电容的选择和输出直流电压的估算,（1）电容滤波电路适用于小电流负载。（2）电容滤波电路的外特性比较软。滤波电路的输出电压UO(AV)与输出电流IO(AV)之间的关系曲线称为外特性。电容滤波电路的UO(AV) 将随着IO(AV) 而变化。电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。,（5）采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击

7、电流。必须选用较大容量的整流二极管。,4.电容滤波电路的特点,（1）加了电容滤波以后，输出电压的直流成分提高了。（2）加电容滤波以后，输出电压中的脉动成分降低了。（3）电容滤波电路的输出直流电压 UO(AV) 将随着输出 直流电流 IO(AV) 而变化。,（5）电容放电的时间常数 = RLC 愈大， 放电过程愈慢，则输出电压愈高， 同时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。,（4）接入电容以后，整流二极管的导电时间缩短了。,结论：,二 、 电感滤波电路,1. 电路组成和工作原理,2. 输出直流电压和脉动系数,如果忽略电感的直流电阻，则输出直流电压为：,设A点的直流电压为 ，基波电压的最大值为 ，脉动

8、系数为 。,输出的基波电压最大值为：,输出电压的脉动系数为：,3. 电感滤波电路的特点,（1）电感滤波电路适用于大电流负载。（2）电感滤波电路的外特性比较硬。（3）由于电感有延长整流管导电管电角的趋势， 因此电流的波形比较平滑， 避免了在整流管中产生较大的冲击电流。,1. LC 滤波电路,在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用。,电感滤波和LC滤波电路克服了整流管电流较大的缺点，外特性比较硬,与电容滤波相比， UO(AV)较低，体积、重量大为增加。,三、复式滤波电路,2. LC-型滤波电路,+,-,u2,RL,+,-,uo,C2,+,A,L,LC滤波电路,LC-型滤波电路输出电压的脉动系数比

9、仅有LC滤波时更小，波形更加平滑。输出直流电压提高了。缺点是整流管的冲击电流比较大，外特性比较软。,C1,+,优点：可进一步降低输出电压的脉动系数。缺点： R上有直流压降；整流管的冲击电流仍比较大； 外特性比电容滤波更软，只适用于小电流的场合。,3. RC 型滤波电路,第三节 硅稳压管稳压电路,硅稳压管稳压电路的组成和工作原理,稳压电路中限流电阻的选择,稳压电路的主要指标,稳压电路的内阻和稳压系数,一、稳压电路的主要指标,1.内阻 RO,2.稳压系数 Sr,定义为：经过整流滤波后输入到稳压电路的直流电压UI不变时，稳压电路的输出电压变化量UO与输出电流IO变化量之比。,定义为：当负载不变时，稳

10、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。,二、硅稳压管稳压电路的组成和工作原理,1. 假设稳压电路的输入电压UI保持不变，,R上的压降,IZ将急剧减小,IR也将减小,UO维持基本稳定,必不可少,2. 假设负载电阻RL保持不变，,R上的压降增大,IZ将急剧增加,IR也将增加,UO维持基本稳定,当电网电压波动或负载电流变化时，通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。,三. 稳压电路的内阻和稳压系数,1. 内阻 Ro,Ro定义为：直流输入电压UI不变时，输出端的UO与IO之比。估算Ro时RL应开路。,rZ为稳压管的动态内阻。,一般情况下满足rZ R , 所以可简化为 Ro rZ,rZ

11、 愈小， 负载变化时，稳压电路的稳压性能愈好。,2. 稳压系数 Sr,rZ 愈小， R 愈大，则 Sr 愈小， 即电网电压波动时，稳压电路的稳压性能愈好。,Sr定义为：RL不变时，稳压电路输出电压与输入电压的相对变化量之比。,满足rZ RL , rZ R时,四、稳压电路中限流电阻的选择,硅稳压管稳压电路中的限流电阻是很重要的组成元件。限流电阻 R 的阻值必须选择恰当，才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时，很好地实现稳压作用。,若限流电阻R的阻值太大，当IL增大时，IZ减小，稳压管可能失去稳压作用；,若限流电阻R的阻值太小，当RL很大或开路时， IZ增大，稳压管可能被损坏。,设稳压管允许的最大

12、工作电流为 IZmax ，最小工作电流为 IZmin ；电网电压最高时的整流输出电压为 UImax ，最低时为UImin ;负载电流的最小值为 ILmin ， 最大值为 ILmax 。则要使稳压管能正常工作，必须满足下列关系：,1. 当电网电压最高和负载电流最小时, I Z 的值最大：,2. 当电网电压最低和负载电流最大时, I Z 的值最小：,例10.5.1 图示硅稳压管稳压电路中，设稳压管的UZ =6V, IZmax = 40mA，IZmin = 5mA ，UImax = 15V ，UImin = 12V ; RLmax = 600 ， RLmin = 300 。给定当IZ由 IZmax变

13、到 IZmin ， UZ的变化量为0.35V。（1）试选择限流电阻R；（2）估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。,解：（1）,可取R=200。电阻上消耗的功率为：,可选200，1W的碳膜电阻。,（2）,估算稳压系数是，取UI=0.5（15+12）V=13.5V,则,硅稳压管稳压电路的缺点：输出电压由稳压管的型号决定，不可随意调节；电网电压和负载电流变化范围较大时，电路将不能适应。为改进以上缺点，可以采用串联型直流稳压电路。,第四节 串联型直流稳压电路,输出电压的调节范围,稳压电路的过载保护,电路组成和工作原理,调整管的选择,采样电阻,放大电路,基准电压,调整管,一、 电路组成和工作原理,1.

14、 电路组成,2. 工作原理,串联型直流稳压电路稳压的过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。,二、 输出电压的调节范围,通过改变采样电阻中电位器R2的滑动端位置进行调节。,式中 Ilmax 是负载电流的最大值。,三、 调整管的选择,调整管不仅要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳定，还要提供负载所要求的全部电流，因此管耗比较大，通常采用大功率的三极管。选用时应估算管子的主要参数确保调整管的安全。,1. 集电极最大允许电流,2.集电极和发射极之间的最大允许反向电压U(BR)CEO,式中 UImax 是空载时整流滤波电路的最大输出电压,稳压电路正常工作时，调

15、整管上的电压降约为几伏。,若负载短路，则整流滤波电路的输出电压UI将全部加在调整管两端。,UI最大值可能接近于变压器副边电压的峰值,另外电网电压可能有10%的波动，所以应选择三极管的参数为：,3. 集电极最大耗散功率 PCM,调整管的功耗 PC = UCEIC = ( UI UO ) IC,式中 UImax 是满载时整流滤波电路的最大输出电压，电容滤波电路中，若电容的容值足够大，可认为其输出电压近似为1.2U2。,当电网电压达到最大值，而输出电压达到最小值，同时负载电流也达到最大值时，调整管的功耗最大，,调整管选定后，为保证调整管工作在放大状态， 通常使 UCE= ( 3 8 ) V,UI =

16、 UOmax ( 3 8 ) V,稳压电路的输入直流电压应为：,若采用桥式整流、电容滤波电路则 UI 1. 2 U2,考虑电网电压可能有10%的波动，因此要求变压器副边线圈电压为：,例10.6.1 在串联型直流稳压电路中，要求输出电压UO=(1015)V，负载电流IL=(0100)mA 。已选定基准电压的稳压管的稳定电压UZ=7V ，最小电流IZmin=5mA ，最大电流IZmax=33mA 。 假设采样电阻总的阻值选定为2k左右，则R1、 R2和R3三个电阻分别为多大？ 估算电源变压器二次电压的有效值U2 ； 估算基准稳压管的限流电阻R的阻值； 估算稳压电路中的调整管的极限参数。,解 ,经验

17、证输出电压的变化范围符合给定的要求。,取 UI=23V,第五节 集成稳压器与开关型稳压电路,三端集成稳压器的主要参数,三端集成稳压器的组成,三端集成稳压器的应用,开关型稳压电路的特点和分类,开关型稳压电路的组成和工作原理,一、三端集成稳压器的组成,电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保护电路和启动电路。,调整管,在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合管。这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。,2. 放大电路,在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并

18、采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。,3. 基准电源,在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。,4. 采样电路,在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。,5. 启动电路,启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。,6. 保护电路,在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路

19、、过热保护电路和过压保护电路。,二、 三端集成稳压器的主要参数,三端集成稳压器的输出电压值通常可分为七个等级5V、6V、 8V、 12V、 15V、 18V、 24V,输出电流有三个等级：1.5A（W7800和W7900系列）、 0.5A （W78M00和W79M00系列）、 0.1A （W78L00和W79L00系列）。,符号,数,参,值,号,符,位,单,参数名称,W7800系列三端集成稳压器的主要参数,1. 三 端 集 成 稳 压 器 的 封装形式和引脚,三、三端集成稳压器的应用,W7800和W78M00系列固定正输出三端集成稳压器的封装形式有两种：金属菱形式和塑料直插式。W7900和W7

20、9M00系列固定负输出三端集成稳压器的封装形式与前者相同，但是引脚有所不同。,应至少比UO高2V,2. 三端集成稳压器应用电路,保护内部调整管,(1) 基本应用电路,为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。,用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。,（2） 扩大输出电流,二极管VD用以补偿三极管的UBE及温度对UBE的影响使UO稳定。,C2用于滤掉VD两端的脉动电压，以减小输出电压的脉动成分。,电路组成,适当选择二极管的型号，并调节R的阻值以改变流过二极管的电流，就可得到UD UBE,工作原理,负载所需的大电流由大功率三极管

21、VT提供。,此时,保护二极管,提高输出电压,（3） 提高输出电压,利用R1 、 R2提高输出电压,若I I,（4） 使输出电压可调, 效率高 体积小重量轻 对电网电压的要求不高 调整管的控制电路比较复杂 输出电压中纹波和噪声成分较大,四、开关型稳压电路的特点和分类,1. 开关型稳压电路的特点,2. 开关型稳压电路的分类,按控制的方式分类，有脉冲宽度调制型（PWM)、脉冲频率调制型(PFM)和混合调制型。按是否使用工频变压器来分类，有低压开关稳压电路，高压开关稳压电路（不用工频变压器）。按激励的方式分类，有自激式和他激式。按所用开关调整管的种类分，有双极型三极管、MOS场效应管和晶闸管开关电路等。,开关型稳压电路的类型很多。可以按不同的方法来分类。,五、开关型稳压电路的组成和工作原理,当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。,