第十章直流電源

直流電源第十章第十章

直流電源10.1直流電源的組成及各部分作用10.2整流電路10.3濾波電路10.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.6開關(guān)型穩(wěn)壓電路*第三版童詩白第三版童詩白本章重點和考點：1.重點掌握整流、濾波和穩(wěn)壓的流程及參數(shù)的計算。2.掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理及集成穩(wěn)壓器的使用。本章教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時

10.1直流電源的組成及各部分的作用圖10.1.1直流穩(wěn)壓電源的方框圖電網(wǎng)電壓電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路負(fù)載整流：將交流變?yōu)橹绷鞯倪^程。濾波：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?0.2整流電路10.2.1整流電路的分析方法及其基本參數(shù)優(yōu)點：使用元件少。缺點：輸出波形脈動大；直流成分??；變壓器利用率低。圖10.2.2一、工作原理圖10.2.1單相半波整流電路二、主要參數(shù)1.輸出電壓平均值UO(AV)輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值2.負(fù)載電流的平均值3.脈動系數(shù)單相半波整流的S等于1.57。三、二極管的選擇根據(jù)流過二極管電流的平均值和它所承受的最大反向電壓來選擇二極管的型號。二極管的正向電流等于負(fù)載電流平均值二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對于二極管最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR均應(yīng)留10%的余地，以保證二極管安全工作。可選取用1N4001~1N4003三極管.10.2.2單相橋式整流電路圖10.2.4單向橋式整流電路圖10.2.5單向橋式整流電路的習(xí)慣畫法一、單向橋式整流電路的組成在實用電路中，多采用全波整流電路，最常用的是單向橋式整流電路二、工作原理(二極管的單向?qū)щ娦?1.u2>0時，電流由+流出，經(jīng)D1、RL、D2流入-。2.u2<0時，電流由-流出，經(jīng)D3、RL、D4流入+。iD1iD2iD3iD4uD3uD4uD1uD2圖10.2.6單相橋式整流電路的波形圖動畫avi\15-1.avi三、輸出電壓平均值UO(AV)和輸出電流的平均值IO(AV)

脈動系數(shù)：四、二極管的選擇每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個周期通過電流，所以每只二極管的平均電流只有負(fù)載電阻上電流平均值的一半。二極管承受的最大反向電壓等于變壓器副邊的峰值電壓對于二極管最大整流平均電流IF和最高反向工作電壓UR均應(yīng)留10%的余地，以保證二極管安全工作。如何實現(xiàn)正、負(fù)電源？將橋式整流電路變壓器副邊中點接地，并將二個負(fù)載電阻相連接，且連接點接地。三相整流電路圖10.2.7利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負(fù)電源圖10.2.8三相整流電路uO1為正；uO2為負(fù)變壓器副邊的三個端均應(yīng)接二只二極管，一只接陽極，另一只接陰極。D1D2D3輪流導(dǎo)通，陽極電位高的D先導(dǎo)通；D4D5D6輪流導(dǎo)通，陰極電位低的D先導(dǎo)通。濾波電路的結(jié)構(gòu)特點:

電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC10.3濾波電路濾波：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?0.3.1電容濾波電路圖10.3.1(a)濾波電路濾波電路濾波電容容量較大，一般采用電解電容器。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。濾波電路輸出電壓波形(b)理想情況下的波形(c)考慮整流電路內(nèi)阻時的波形動畫avi\15-3.avi動畫avi\15-2.avi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a橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC（電容器的充、放電）RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot設(shè)t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且RLC較大）時

(忽略整流電路內(nèi)阻)u2tuot無濾波電容時的波形加入濾波電容時的波形充電放電au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=ucu2時間常數(shù)=(RL//Rint)C（?。﹗2下降，u2小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)=RLC放電時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電時間常數(shù)，濾波效果取決于放電，其值愈大，濾波效果愈好。二、輸出電壓平均值當(dāng)負(fù)載開路時當(dāng)RLC＝（3~5)T/2時考慮電網(wǎng)電壓波動，電容的耐壓值應(yīng)大于三、脈動系數(shù)S

約為10%~20%u2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時，才有充電電流。因此二極管中的電流是脈沖波。二極管中的電流充電電流au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC四、整流二極管的導(dǎo)通角二極管的導(dǎo)通角<五、電容濾波電路的輸出特性和濾波特性1.輸出特性當(dāng)濾波電容選定后，輸出電壓平均值UO（AV）和輸出電流平均值IO（AV）的關(guān)系。2.濾波特性脈動系數(shù)S和輸出電流平均值IO（AV）的關(guān)系。圖10.3.5a電容濾波電路的輸出特性圖10.3.5b電容濾波電路濾波的特性10.3.2倍壓整流電路1.二倍壓整流電路iD1iD2圖10.3.6二倍壓整流電路負(fù)載上的電壓在理想情況下是變壓器副邊電壓的二倍+_+-+--+u2+-+-+-+-+-適用于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小的場合。圖10.3.7多倍壓整流電路2.多倍壓整流電路10.3.3其它形式的濾波電路一、電感濾波電路L愈大，濾波效果愈好；適用于負(fù)載電流較大的場合。二、LC濾波電路輸出直流電壓為：脈動系數(shù)S：適用于各種場合。圖10.3.8單相橋式電感濾波電路圖10.3.9復(fù)式濾波電路(a)三、LC-型濾波電路圖10.3.9復(fù)式濾波電路(b)四、RC-型濾波電路圖10.3.9復(fù)式濾波電路(c)適用于負(fù)載電流較小的場合適用于負(fù)載電流較小的場合三、各種濾波電路的比較表10.3.1各種濾波電路的性能比較序號性能類型UO（AV）/U2適用場合整流管的沖擊電流和導(dǎo)通角外特性1電容濾波1.2小電流大/小軟2RC-型濾波1.2小電流大/小更軟3LC-型濾波1.2小電流大/小軟4電感濾波0.9大電流小/大硬5LC濾波0.9適應(yīng)性較強小/大硬10.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.4.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的組成整流濾波電路輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因：·負(fù)載變化；·電網(wǎng)電壓波動。圖10.4.1穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路

兩個基本公式UI＝UR+UOIR＝IDZ+IL穩(wěn)壓管的伏安特性圖10.4.2穩(wěn)壓管的伏安特性在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，只要使穩(wěn)壓管始終工作在穩(wěn)壓區(qū)，保證穩(wěn)壓管的電流：IZ≤IDZ≤IZM

輸出電壓UO就基本穩(wěn)定。10.4.2穩(wěn)壓原理1.UI不變，RL減小RLILURUOIZIR=IL+IZ基本不變2.RL不變，UI升高UIUOIZURUO=UI-

UR基本不變UOUO·電網(wǎng)電壓波動；·負(fù)載變化。穩(wěn)壓電路應(yīng)從以下二個方面考察其穩(wěn)壓特性IL綜上所述，在穩(wěn)壓二極管所組成的穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上電壓或電流的變化進(jìn)行補償，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。10.4.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)一、內(nèi)阻Ro二、穩(wěn)壓系數(shù)Sr三、電壓調(diào)整率四、電流調(diào)整率內(nèi)阻和穩(wěn)壓系數(shù)的估算1.內(nèi)阻Ro2.穩(wěn)壓系數(shù)Sr當(dāng)rZ<<RL，rZ<<R時，圖10.4.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的交流等效電路10.4.4電路參數(shù)的選擇在選擇元件時，應(yīng)首先知道負(fù)載所要求的輸出電壓UO，負(fù)載電流IL的最小值ILmin和最大值ILmax，輸入電壓UI的波動范圍。1.穩(wěn)壓電路輸入電壓UI的選擇UI＝（2~3）UO2.穩(wěn)壓管的選擇UZ＝UOIZM－IZ>ILmax－ILminIZM>ILmax+IZ3.限流電阻R的選擇（1）當(dāng)電網(wǎng)電壓最高和負(fù)載電流最小時，穩(wěn)壓管IZ的值最大，此時IZ不應(yīng)超過允許的最大值，即或：（2）當(dāng)電網(wǎng)電壓最低和負(fù)載電流最大時，穩(wěn)壓管IZ的值最小，此時IZ不應(yīng)低于其允許的最小值，即或：IL[例10.4.1]在10.4.1所示的電路中，已知UI＝15V，負(fù)載電流為10~20mA；穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝6V，最小穩(wěn)定電流IZ＝5A，最大穩(wěn)定電流IZM＝40A動態(tài)電阻rZ＝15Ω。（1）求解R的取值范圍；解：（1）＝360Ω＝180Ω（2）＝15Ω（3）在允許范圍內(nèi)R的取值應(yīng)當(dāng)偏大些。（2）若R＝250Ω，則穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻各為多少？（3）為使穩(wěn)壓性能好一些，R的值是大還是小些，為什么？10.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的電流放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引入電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定；可通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。10.5.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理一、基本調(diào)整管電路DZ(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路動畫avi\15-4.avi基本調(diào)整管電路圖10.5.1(b)加晶體管擴(kuò)大負(fù)載電流的變化范圍穩(wěn)壓電路圖10.5.1(c)常見畫法的穩(wěn)壓電路T的工作電源為UI，不穩(wěn)定“輸入信號”為穩(wěn)定電壓UZ在UI變化或負(fù)載電阻RL變化時，輸出電壓基本不變。穩(wěn)壓原理：晶體管的調(diào)節(jié)作用，T應(yīng)工作在線性放大狀態(tài)(CC)。調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路調(diào)整管工作在線性區(qū)線性穩(wěn)壓電源電路二、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路輸出電壓仍不可調(diào)節(jié)，且輸出電壓將因UBE的變化而變化，穩(wěn)定性較差。1.電路的構(gòu)成圖10.5.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(a)原理電路圖電路組成(b)常見畫法采樣電路：R1、R2、R3；比較放大電路：A；基準(zhǔn)電壓電路：由R、VDZ提供。調(diào)整管：VT；2.穩(wěn)壓原理UIUOUFUIdUBEIB,

ICUCE↑UO圖10.5.2具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路動畫avi\16-1.avi3.輸出電壓的可調(diào)范圍由于U+=U-，UF=UZ，所以當(dāng)R2的滑動端調(diào)至最上端時，UO為最小值當(dāng)R2的滑動端調(diào)至最下端時，UO為最大值，則：圖10.5.2串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路4.調(diào)整管的選擇一、集電極最大允許電流ICM二、集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓U(BR)CEO三、集電極最大允許耗散功率PCM≥≥≥四、穩(wěn)壓電路的輸入直流電壓五、變壓器副邊電壓三、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的方框圖實用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路至少包括調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、取樣電路、比較放大電路四個部分組成。此外為使電路安全工作，還常在電路中加保護(hù)電路。圖10.5.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的方框圖動畫avi\16-2.avi*10.5.2集成穩(wěn)壓器中的基準(zhǔn)電壓電路和保護(hù)電路一、基準(zhǔn)電壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓取決于基準(zhǔn)電壓。要求基準(zhǔn)電壓應(yīng)具有溫度系數(shù)為零，輸出電阻小，噪聲低。1.穩(wěn)壓管基準(zhǔn)電壓電路圖10.5.5穩(wěn)壓管基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管具有正溫度系數(shù)，而晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。能進(jìn)行溫度補償。電路采用射極輸出形式，引入電壓負(fù)反饋。零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓源電路UREFUREF圖10.5.6零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓源電路及等效電路基準(zhǔn)電壓：UREF=IER2+mUBE在m、n、穩(wěn)壓管的UZ和二極管的UBE的溫度系數(shù)確定的情況下，只要R1和R2按要求選定，基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)則為零。2.能隙基準(zhǔn)電壓源電路（CJ336/329,MC1403,AD580）UIUREFR3R2R1T1T2T3-++-II2I1圖10.5.7能隙基準(zhǔn)電壓源電路I3UREF＝UgoUgo為硅材料在0K時外推禁帶寬度的電壓值基準(zhǔn)電壓與溫度無關(guān)，從而獲得很好的穩(wěn)定性。二、保護(hù)電路R4很小，約為1。負(fù)載電流超過某一值后，VT2導(dǎo)通，限制VT1中的電流，保護(hù)調(diào)整管。保護(hù)電路的輸出特性：UOILO正常穩(wěn)壓區(qū)限流保護(hù)1.過流保護(hù)電路（限流型）過流時，使調(diào)整管發(fā)射電流限制在某一數(shù)值的電路。圖10.5.8(a)圖10.5.8(c)在集成穩(wěn)壓器電路內(nèi)部有各種保護(hù)電路，如過流保護(hù)、短路保護(hù)、調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)、芯片過熱保護(hù)。不適應(yīng)于大功率電路截流型過流保護(hù)電路圖10.5.9截流型過流保護(hù)電路及其輸出特性T1為調(diào)整管R0為取樣電阻，它與T2、R1和R2構(gòu)成保護(hù)電路保護(hù)原理過流時，使調(diào)整管發(fā)射電流迅速減小到較小數(shù)值的電路。2.調(diào)整管的安全工作區(qū)保護(hù)電路3.芯片過熱保護(hù)電路圖10.5.10調(diào)整管的安全工作區(qū)保護(hù)電路圖10.5.11芯片過熱保護(hù)電路集成穩(wěn)壓器電路圖恒流源基準(zhǔn)電壓電路調(diào)整電路比較放大減流保護(hù)過熱保護(hù)啟動電路取樣電路10.5.3集成穩(wěn)壓器電路從外形上看，集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路有三個引腳，分別為輸入端、輸出端和公共端，因而稱為三端穩(wěn)壓器。固定式穩(wěn)壓電路：W78XX、W79XX?？烧{(diào)式穩(wěn)壓電路：W117、W217、W317。一、W78XX三端穩(wěn)壓器——穩(wěn)定正電壓輸出電壓有七個等級：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。如W7805，輸出+5V；W7809，輸出+9V輸出電流有三個等級：1.5A、0.5A（M）和0.1A（L）。如W7805，輸出+5V；最大輸出電流為1.5A；W78M05，輸出+5V；最大輸出電流為0.5A；W78L05，輸出+5V；最大輸出電流為0.1A。W79XX系列——穩(wěn)定負(fù)電壓1三端集成穩(wěn)壓器的組成圖10.5.14W7800的原理框圖2.主要參數(shù)參數(shù)名稱符號單位參型號數(shù)值7805780678097812781578187824輸入電壓UIV10111419232733輸出電壓UOV56912151824電壓調(diào)整率SU%/V0.00760.00860.010.0080.00660.010.011電流調(diào)整率SImV40434552525560最小壓差UI-UOV2222222輸出噪聲UNμV10101010101010輸出電阻Rom17171818191920峰值電流IOMA2.22.22.22.22.22.22.2輸出溫漂STmV/C1.01.01.21.51.82.4輸入端和輸出端之間的電壓允許值為3~13V。二、W117三端集成穩(wěn)壓器1.原理框圖2.主要參數(shù)10.5.4三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用一、三端穩(wěn)壓器的外形及電路方框圖圖10.5.16三端穩(wěn)壓器的外形和方框圖不同封裝形式、正負(fù)電源管腳號不同。圖(b)(d)為塑料封裝式。W78XX123W78XX213LM337213LM317312輸出基準(zhǔn)電壓為1.2~3.7V。二、W78XX應(yīng)用1.基本應(yīng)用電路若輸出電壓較高，接一保護(hù)二極管D，以保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。圖10.5.17三端集成穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路23VD2.擴(kuò)大輸出電流VD

的作用：補償三極管的發(fā)射結(jié)電壓，使電路輸出電壓等于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓。圖10.5.18擴(kuò)大三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流負(fù)載電流的最大值233.提高輸出電壓圖10.5.192323改變R2的大小，可