模擬電子電路第九章功率電路及系統(tǒng)

模擬電子電路第九章功率電路及系統(tǒng)第一頁，共八十一頁，2022年，8月28日1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:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo直流電源的一般組成如下圖所示。第二頁，共八十一頁，2022年，8月28日1.整流工作原理利用二極管的單向?qū)щ娦噪娐穲D整流分類：半波、全波、橋式、倍壓整流電路

9—2—1整流濾波電路一、整流濾波電路第三頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖9—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流第四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖9—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流第五頁，共八十一頁，2022年，8月28日

圖9—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流第六頁，共八十一頁，2022年，8月28日濾波電路的結(jié)構(gòu)特點:

電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC濾波電路濾波原理：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。第七頁，共八十一頁，2022年，8月28日幾種濾波電路

濾波電路（a）電容濾波電路（b）電感電容濾波電路（倒L型）（c）型濾波電路第八頁，共八十一頁，2022年，8月28日二整流與濾波電路工作原理1.半波整流電路二極管導(dǎo)通，uL=u2二極管截止,uL=0+–io+–u2>0時:u2<0時:u2uLuDt2340第九頁，共八十一頁，2022年，8月28日1、工作原理iDu2tuot設(shè)變壓器輸出電壓：u2=U2sinωtu1

u2uoRL+－則輸出電壓：uo=2、電路特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，元件少。缺點：輸出波形脈動大，利用率低+－第十頁，共八十一頁，2022年，8月28日uo=3、電路分析（1）輸出直流電壓：（2）負載平均電流（3）二極管所承受的最大反向電壓（4）整流管平均整流電流=負載平均電流4、整流輸出電壓的脈動系數(shù)u1

u2uoRL第十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日2.全波整流電路+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個相等的電壓u2當(dāng)u2正半周時，D1導(dǎo)通，D2截止。當(dāng)u2負半周時，D2導(dǎo)通，D1截止。第十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日全波整流電壓波形u2uLuD1t2340uD2第十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日全波整流電路u1u2u2D1RLD2u2tuot電路分析：u0=第十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日3.橋式整流電路（1）組成：由四個二極管組成橋路u2正半周時:D1

、D3導(dǎo)通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2uL第十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日-+u2負半周時：D2、D4

導(dǎo)通，D1

、D3截止u2uL第十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日橋式整流電路u2tuot正確利用二極管的引導(dǎo)作用u1u2RLu0=第十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日如何實現(xiàn)正、負電源？將橋式整流電路變壓器副邊中點接地，并將二個負載電阻相連接，且連接點接地。圖利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源uO1

為正；uO2為負第十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日思考1：一個二極管接反時的情況。思考！整流橋中一個二極管接反，可能燒毀變壓器線圈或整流管。第十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日思考2：一個二極管短路時的情況。思考！整流橋中一個二極管短路，可能燒毀變壓器線圈或整流管。第二十頁，共八十一頁，2022年，8月28日思考3：一個二極管虛焊（斷路）時的情況。思考！整流橋中一個二極管斷路，變成半波整流。第二十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

實際應(yīng)用1：利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源＋－第二十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

實際應(yīng)用1：利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源（＋）（－）變壓器副邊抽頭不在中間時，輸出的正、負電源是否還對稱？？第二十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日圖9—14用“硅橋”實現(xiàn)正、負兩路直流輸出的全波整流電路第二十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成硅整流橋：u2uL+

–

~+~-

+–第二十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日全波整流電路橋式整流電路半波整流電路主要參數(shù)電路形式表1整流電路的主要參數(shù)第二十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日多倍壓整流電路+-+--+u2+-+-+-+-+-適用于要求輸出電壓較高、負載電流較小的場合。圖

多倍壓整流電路第二十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日+–+–u2的第一個正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：u2的第一個負半周：u2、C2、D2、C1構(gòu)成回路，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6倍壓整流電路的工作原理第二十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：u2、C1、C3、D3、C2構(gòu)成回路，C1補充電荷，C3充電到：u2的第二個負半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構(gòu)成回路，C2補充電荷，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。第二十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

由于整流輸出電壓存在一定的紋波,故需用濾波電路來濾除紋波電壓。濾波電路利用電抗性元件的儲能作用實現(xiàn)濾波。

一般通過將電容C與負載并聯(lián)或?qū)㈦姼蠰跟負載串聯(lián)來實現(xiàn)。

經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。

二、整流濾波電路的工作原理及主要性能第三十頁，共八十一頁，2022年，8月28日假設(shè)電路剛好在由負到零的時刻接通,則通過VD1和VD3向C充電。電容電壓緊隨輸入電壓按正弦規(guī)律上升至的最大值。電容濾波電路(1)空載(RL=∞)時:設(shè)電容器兩端初始電壓為零。u2tuLt第三十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路(1)空載(RL=∞)時:設(shè)電容器兩端初始電壓為零。u2tuLtuc=uL故然后繼續(xù)按正弦規(guī)律下降,當(dāng)<時,二極管截止,C放電,由于無放電回路,所以保持。第三十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日電源在向負載RL供電的同時又對電容C充電。電容電壓緊隨輸入電壓

按正弦規(guī)律上升至最大值。

電容濾波電路(2)接入RL(且RLC較大)時:u2t第三十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路(2)接入RL(且RLC較大)時:u2t而后繼續(xù)按正弦規(guī)律下降,當(dāng)<時，二極管截止，而電容C則對負載電阻RL按指數(shù)規(guī)律放電。

第三十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路(2)接入RL(且RLC較大)時:u2t當(dāng)降至>時，二極管又導(dǎo)通，電容C再次充電……。第三十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路(2)接入RL(且RLC較大)時:u2t二極管中的電流uc=uLiDt這樣循環(huán)下去，周期性變化，電容C周而復(fù)始地進行充電和放電,使輸出電壓脈動減小。

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。第三十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容C放電的快慢取決于時間常數(shù)(τ=RLC）的大小，時間常數(shù)越大，電容C放電越慢，輸出電壓就越平坦，平均值也越高。電容濾波電路(2)接入RL(且RLC較大)時:u2t二極管中的電流uc=uLiDt第三十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路的特點：RLC較大u2tiDtuc=uL(2)UL與RLC的關(guān)系：RLC愈大C放電愈慢UL(平均值)愈大一般?。?T:電源電壓的周期)近似估算:UL=1.2U2(1)整流管導(dǎo)電時間越短的峰值電流越大第三十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日電容濾波電路的特點：(3)圖為輸出直流電壓UL隨負載電流IL的變化關(guān)系曲線。OC型濾波純電阻負載負載直流電壓隨負載電流增加而減小。

電容濾波電路的輸出電壓在負載變化時波動較大，說明它的帶負載能力較差，只適用于負載較輕且變化不大的場合。C值一定,RL=∞即空載時,C=0,即無電容時,第三十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日（1）濾波電容C一般選擇體積小，容量大的電解電容器。

（2）普通電解電容器有正、負極性，使用時正極必須接高電位端，如果接反會造成電解電容器的損壞。要注意的幾點：（3）加入濾波電容以后，二極管導(dǎo)通時間縮短，且在短時間內(nèi)承受較大的沖擊電流()，為了保證二極管的安全，選管時應(yīng)放寬裕量。第四十頁，共八十一頁，2022年，8月28日*使用條件：各種電路參數(shù)比較：第四十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日一、電容濾波電路例1、某電子設(shè)備需要直流電壓U0=30v，I0=400mA的直流電流，若采用橋式直流，電容濾波電路，試選擇直流元件和濾波電容。（1）選擇二極管考慮到電容充電電流的沖擊，選用最大直流電流為500mA、耐壓為50v的整流二極管。（2）選電容選C=500μF，耐壓為50v的電解電容。例2、一個全波整流、電容濾波電路中，U2=10v，C=1000μF，當(dāng)RL=20Ω時，試求和S的值，整流管的壓降和整流內(nèi)阻可忽略。第四十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日

例3如圖所示，要求輸出電壓UO（AV)=15V，負載電流平均值IL（AV)=100mA,UO（AV)=1.2U2。試問：（1）濾波電容的大小。（2）考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍為±10%,濾波電容的耐壓值。解：（1）由UO（AV)=1.2U2

可知，C的取值應(yīng)滿足RLC=（3~5）T/2的條件。第四十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日第四十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日（2）電容的耐壓值為實際可選取容量為300μF、耐壓為25V的電容。第四十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日例4如圖所示，RL=50歐姆，C=1000uF，U2=20VUO（AV)有以下幾種情況:（1）28V（2）18V（3）9V分析電路產(chǎn)生了什么故障?解：（1）RL開路（2）電容開路（3）一個二極管開路且電容開路第四十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的缺點：（1）帶負載能力差（2）輸出電壓不可調(diào)改進1：（1）提高帶負載能力——在輸出端加一射極輸出器UO=UZ-0.7V基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路9—2—2串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電源的工作原理第四十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日1、穩(wěn)壓原理UB不變基本調(diào)整管電路第四十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日改進2：（2）使輸出電壓可調(diào)——在射極輸出器前加一帶有負反饋的放大器——具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路第四十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.電路構(gòu)成基準電壓電路采樣電路比較放大電路調(diào)整管電路第五十頁，共八十一頁，2022年，8月28日3.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍2.穩(wěn)壓原理UO↑→U-↑→UB↓→UO↓

UO↓

→U-↓→UB↑→UO↑引入了負反饋第五十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日4.調(diào)整管的選擇參數(shù)確定：

調(diào)整管一般為大功率管，選擇時主要考慮三個極限參數(shù)：第五十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日例:設(shè)如圖所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓管為2CW14,其穩(wěn)定電壓為UZ＝7V，采樣電阻R1=3KΩ，R2=2KΩ,R3=3KΩ,試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。解：第五十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日解：因此,穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍是(11.2～18.7V)。例:設(shè)如圖所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓管為2CW14,其穩(wěn)定電壓為UZ＝7V，采樣電阻R1=3KΩ，R2=2KΩ,R3=3KΩ,試估算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。第五十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日8.4.3調(diào)整管的選擇

例：如圖,要求輸出電壓UO=(10～15V),負載電流IL=(0～100)mA,已選定基準電壓的穩(wěn)壓管為2CW1,其穩(wěn)定電壓UZ=7V,IZmin=5mA,IZmax＝33mA。若選用3DD2C,其主要參數(shù):ICM=0.5A,U(BR)CEO=45V,PCM=3W。

①假設(shè)采樣電阻總的阻值選定為2kΩ左右,則R1、R2、R3三個電阻分別為多大？第五十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日解：因故取故則取(電位器)則取第五十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日

在確定了采樣電阻R1R2R3的阻值以后再來驗算輸出電壓的變化范圍是否符合要求,此時

輸出電壓的實際變化范圍為,所以符合給定的要求。

②估算電源變壓器副邊電壓的有效值U2；解：穩(wěn)壓電路的直流輸入電壓的有效值為第五十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日取，則變壓器副邊電壓的有效值為

③估算基準穩(wěn)壓管的限流電阻R的阻值；

解：基準電壓支路中的電阻R的作用是保證穩(wěn)壓管VDZ的工作電流比較合適,通常使穩(wěn)壓管中的電流略大于其最小參考電流值IZmin?？烧J為故基準穩(wěn)壓管的限流電阻應(yīng)為第五十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

④驗算穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管是否安全。

解：根據(jù)穩(wěn)壓電路的各項參數(shù),可知調(diào)整管的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)為

已知低頻大功率三極管3DD2C的ICM＝0.5A，U(BR)CEO=45V,PCM=3W,可見調(diào)整管的參數(shù)符合安全的要求,而且留有一定的余地。第五十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

三、集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器是集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用途十分廣泛，而且非常方便。集成三端穩(wěn)壓器有78××系列(輸出正電壓)和79××系列(輸出負電壓)，后面兩位數(shù)表示輸出電壓值，如7812，即表示輸出直流電壓為+12V。第六十頁，共八十一頁，2022年，8月28日1.調(diào)整管

當(dāng)電網(wǎng)電壓或負載電流波動時,調(diào)整自身的集－射壓降使輸出電壓基本保持不變。集成三端穩(wěn)壓器(集成的穩(wěn)壓電源)框圖第六十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日2.放大電路

將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進行比較,然后再放大并送到調(diào)整管的基極。第六十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成三端穩(wěn)壓器的組成3.基準電源

采用能帶間隙式基準源,具有低噪聲、低溫漂的特點,在單片式大電流集成穩(wěn)壓器中廣泛應(yīng)用。第六十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成三端穩(wěn)壓器的組成4.采樣電路

由兩個分壓組成,它將輸出電壓變化量的一部分送到放大電路的輸入端。第六十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成三端穩(wěn)壓器的組成5.啟動電路

在剛接通直流輸入時使調(diào)整管、放大電路和基準電源等建立起各自的工作電流,當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作時斷開啟動定路,以免影響穩(wěn)壓電路的性能。第六十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成三端穩(wěn)壓器的組成6.保護電路

在W7800系列三端集成穩(wěn)壓器中,已將三種保護電路集成在芯片內(nèi)部,它們是限流保護電路、過熱保護電路和過壓保護電路。第六十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路注意：輸入電壓UI一般應(yīng)比輸出電壓端UO高2-3V以上。C1、C2的作用：防止自激振蕩，減小高頻噪聲、改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。(1)基本電路第六十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路

若輸出電壓比較高，應(yīng)在輸入端與輸出端之間跨接一個保護二極管VD，在輸入端短路時，使CO通過二極管放電，以便保護集成穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管。(1)基本電路第六十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日

集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路

負載所需的大電流由大功率三極管提供。(2)擴大輸出電流

二極管VD補償了溫度對三極管UBE的影響,使輸出電壓穩(wěn)定。

電容C2的作用是濾調(diào)二極管VD兩端的脈動電壓，以減小輸出電壓的脈動成分。第六十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日

集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路(3)提高輸出電壓

利用電阻來提升輸出電壓。假設(shè)流過電阻R1、R2的電流比三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流I大很多,則可認為即輸出電壓為第七十頁，共八十一頁，2022年，8月28日

集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路(4)使輸出電壓可調(diào)

集成運放接成電壓跟隨形式，它的輸出電壓UA等于某輸入電壓，即即由圖可得第七十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日

9—2—3開關(guān)型穩(wěn)壓電源

1.串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電源用途廣泛，但存在以下兩個問題：

(1)調(diào)整管總工作在線性放大狀態(tài)，管壓降大，流過的電流也大(大于負載電流)，所以功耗很大，效率較低(一般為40%~60%)，且需要龐大的散熱裝置。

(2)電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低而使得變壓器體積大、重量重。第七十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日(1)、能否讓調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)？導(dǎo)通時，電流大而管壓降?。唤刂箷r，管壓降高而電流趨于零。因此，總功耗很小，大大提高了效率(一般可達80％～90％)。(2)、能否省去低頻工作的電源變壓器?

改用高頻變壓器(工作頻率提高到幾十kHz)，從而大大減小電源的體積和重量。

開關(guān)穩(wěn)壓電源正是基于上述改革思路而發(fā)明的新型穩(wěn)壓電源。已廣泛應(yīng)用于計算機、電視機及其它電子設(shè)備中。

2改進思路第七十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日開關(guān)調(diào)整管脈沖調(diào)制比較放大濾波電路采樣電路基準電壓+-UIUO+-圖

開關(guān)型穩(wěn)壓電路框圖第七十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日電路結(jié)構(gòu)1與串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路相比，增加了LC濾波電路、三角波發(fā)生器和比較器C組成的控制電路。第七十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)型穩(wěn)壓電路1二、工作原理當(dāng)ut>uA

時，uB=+