模擬電子電路原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：10 直流電源

1、直流穩(wěn)壓電源組成與功能單向整流電路集成穩(wěn)壓電源單相半波整流電路單相全波整流電路單相橋式整流電路主 要 參 數(shù)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路濾波電路L-C型濾波電路L-C型濾波電路倍壓整流電路電容濾波電路電感濾波電路R-C型濾波電路其他濾波電路影響因素輸出電壓電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓原理主要性能指標(biāo)電路缺點(diǎn)改進(jìn)措施過流保護(hù)電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的 交流電壓u2。整 流 電 路濾 波 電 路穩(wěn) 壓 電 路u1u2u3u4uo整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交?直流電壓u4。穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響, 保持輸出電壓uo

2、的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能Exit整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。 常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理。單相整流電路Exitu2 0 時(shí)，二極管導(dǎo)通iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20 時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A D1RLD3Bu20 時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B D2RLD4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB單相整流電路E

3、xit幾種常見的硅整流橋外形：+ A C -+- + - 單相整流電路Exit1. 整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時(shí)，負(fù)載電壓 Uo的平均值為:負(fù)載上的(平均)電流:整流電路的主要參數(shù)單相整流電路Exit 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(dòng)系數(shù)用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出 uo 分解后可得:整流電路的主要參數(shù)單相整流電路Exit選擇整流管的主要依據(jù)例如： 在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負(fù)載平均電流的一半。 二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：3. 平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)整流電路的主要參數(shù)

4、單相整流電路Exit結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 電容與負(fù)載 RL 并聯(lián)，或電感與負(fù)RL串聯(lián)。交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲(chǔ)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(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。濾波電路Exit以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。一、濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+電容濾波電路濾波電路Exit1.RL未接入時(shí)(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)t1時(shí)刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時(shí)的輸出波形一、濾波原理電容濾波電路濾波電路au1u2u1b

5、D4D2D1D3RLuoSC+電路圖Exit2.RL接入（且RLC較大）時(shí)(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會(huì)逐漸下降。一、濾波原理電容濾波電路濾波電路電路圖au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+Exituot只有整流電路輸出電壓大于uo時(shí)，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采用電容濾波時(shí)，整流管的導(dǎo)通角較小。u2t2.RL接入（且RLC較大）時(shí)(忽略整流電路內(nèi)阻)一、濾波原理電容濾波電路濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iD電路圖Exituo

6、t電容充電時(shí)，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RLC越小，輸出電壓越低。3. RL接入（且RLC較大）時(shí)(考慮整流電路內(nèi)阻)u2t一、濾波原理電容濾波電路濾波電路電路圖au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+Exit一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。RLC 越大 Uo越高 負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD的峰值電流越大二、電容濾波電路的特點(diǎn)(1) 輸出電壓Uo與放電時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān)。RLC 愈大 電容器放電愈慢 Uo(平均值)愈大電容濾波電路濾波電路Exit(2) 流過二極管瞬時(shí)電流很大。故一般選管時(shí)，取二、電容濾波電路的特點(diǎn)電容濾波電路濾

7、波電路(3) 輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負(fù)載1.4U20.9U20IL 輸出波形隨RL 或 C 的變化而改變, Uo 和S 也隨之改變。結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大的場合。Exit一、二倍壓整流電路u2的正半周時(shí)：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負(fù)半周時(shí)：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負(fù)載上的電壓：+u1u2+D1C2C1D2uoRL倍壓整流電路的工作原理濾波電路Exit+二、多倍壓整流電路+u2的第一個(gè)正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個(gè)負(fù)半周：u2、C2、D2 、C1構(gòu)成回路

8、，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6倍壓整流電路的工作原理濾波電路Exit改善濾波特性的方法：采取多級(jí)濾波。如：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(jí)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濾波電路Exit電路結(jié)構(gòu): 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L。電感濾波電路u2u1RLLuo1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路Exit濾波原理對(duì)直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)諧波分量: f 越高，XL

9、 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(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路電路圖Exit電感濾波的特點(diǎn)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(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路ExituoRu2u1C1C2uo1RL 設(shè)uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，則uo的直流分量：2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exituo的交流分量的基波的幅值：uoRu

10、2u1C1C2uo1RL2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動(dòng)系數(shù)S與uo1的脈動(dòng)系數(shù)S的關(guān)系：2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exitu2u1LuoCRLuo1設(shè)uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，：3) L-C 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動(dòng)系數(shù)S與uo1的脈動(dòng)系數(shù)S的關(guān)系：3) L-C 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exitu2u1LuoC2RLuo1C1 LC 型濾波電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)比只有LC濾波時(shí)更小，波形更加平滑；由于在輸入端接

11、入了電容，因而較只有LC濾波時(shí)，提高了輸出電壓。4) LC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit+C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6 u2、C1、C3 、D3 、C2構(gòu)成回路， C1補(bǔ)充電荷， C3充電到： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構(gòu)成回路， C2補(bǔ)充電荷， C4充電到： 把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。4) LC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路u2的第二個(gè)正半周u2的第二個(gè)負(fù)半周Exit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(fù)載能力差，一般只提供基

12、準(zhǔn)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(shí)有限，這里不做介紹。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit一、電路結(jié)構(gòu)1.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式 負(fù)載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴(kuò)大（1+）倍。 實(shí)際上是射極輸出器，Uo=UZ-UBE 。但帶負(fù)載的能力比穩(wěn)壓管強(qiáng)。TUORL+UZUIiRiZiL串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit兩個(gè)主要缺點(diǎn)：(1) 穩(wěn)壓效果不好。Uo=UZ UBE(2) 輸出電壓不可調(diào)。改進(jìn)的方法：在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負(fù)反饋的放大環(huán)節(jié)。一、電路結(jié)構(gòu)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)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路TUORL+UZUIiRiZiLExit2.

13、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路T+_UIUO比較放大基 準(zhǔn)取 樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+一、電路結(jié)構(gòu)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路與負(fù)載串聯(lián)，通過全部負(fù)載電流?？梢允菃蝹€(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)?？梢允菃喂芊糯箅娐罚顒?dòng)放大電路，集成運(yùn)算放大器。可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。 因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。Exit一種實(shí)際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源UoUB2UBE2( = UB2-UZ）UC2Uo當(dāng) UI 增加或輸出電流減小使 Uo升高時(shí):R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+

14、_+_UIUB2二 、穩(wěn)壓原理串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit三 、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2Exit2. 流過穩(wěn)壓管的電壓隨 UI 波動(dòng)，使UZ 不穩(wěn)定，降低了穩(wěn)壓精度。1. 電路對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)抑制能力較差。例：UIVC2 Uo 3. 溫度變化時(shí)，T2組成的放大電路產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定度變差。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2四、影響穩(wěn)壓特性的主要因素串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit在運(yùn)放理想條件下: 1. 選用差動(dòng)放大器或運(yùn)放構(gòu)成的

15、放大器代替T2管構(gòu)成的放大器，可以解決零點(diǎn)漂移的問題。串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路UITR1R2UFRLUoAV+-RWRUZ五、改進(jìn)措施串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit采用輔助電源(比較放大部分的電源)。用恒流源負(fù)載代替集電極電阻以提高增益。4. 調(diào)整管采用復(fù)合三極管以擴(kuò)大輸出電流的范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2五、改進(jìn)措施串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路ExitT1RT1IL1. 限流型：當(dāng)調(diào)整管的電流超過額定值時(shí)，對(duì)調(diào)整管的基極電流進(jìn)行分流，使發(fā)射極電流不至于過大。當(dāng)IL不超過額定值時(shí)，T1截止；當(dāng)IL超過額定值時(shí)， T1導(dǎo)通，其集電極從T1的基

16、極分流。R為一小電阻，用于檢測負(fù)載電流。*六 、過流保護(hù)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit2. 截流型: 過流時(shí)使調(diào)整管截止或接近截止。T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4 輸出電流在額定值以內(nèi)時(shí)： 三極管T2截止，這時(shí)，電壓負(fù)反饋保證電路正常工作。UO U+ UO UB1 *六 、過流保護(hù)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit 輸出電流超出額定值時(shí)： 因輸出電壓降低，三極管T2逐漸導(dǎo)通，U+ ，穩(wěn)壓管截止，電壓負(fù)反饋被切斷。這樣:U+ UB1 UC1 (=UO)UB2 IC2 U+ 最終UO降低到零。2. 截流型: 過流時(shí)使調(diào)整管截止或接近截止。*六 、過流保護(hù)串聯(lián)反饋式穩(wěn)

17、壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4Exit損耗 (P=UCE IL) 大電源的效率 ( =Po/Pi=UoIL/UiIi) 較低為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí):七、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路缺點(diǎn)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit一、穩(wěn)壓系數(shù) S 反映電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比。二、輸出電阻Ro 反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電壓固定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實(shí)際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。八、穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo)串聯(lián)

18、反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。集成穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電路ExitW7800系列穩(wěn)壓器外形1231端: 公共端2端: 輸入端3端: 輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123 硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。1端: 輸入端2端: 公共端3端: 輸出端集成穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit注：型號(hào)