項(xiàng)目五-直流穩(wěn)壓電源

項(xiàng)目五直流穩(wěn)壓電源

知識(shí)目標(biāo)了解直流穩(wěn)壓電源的組成及作用掌握橋式整流電路組成、工作原理和分析計(jì)算掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成和工作原理技能目標(biāo)會(huì)用multisim軟件進(jìn)行整流電路的性能分析會(huì)用multisim軟件進(jìn)行整流濾波的性能分析會(huì)用multisim軟件進(jìn)行串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的性能分析掌握集成穩(wěn)壓電路的性能測(cè)試方法知識(shí)鏈接

鏈接一整流電路鏈接二濾波電路鏈接三直流穩(wěn)壓電源項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)任務(wù)一三端式集成穩(wěn)壓器識(shí)別任務(wù)二單相橋式整流電路性能仿真分析任務(wù)三串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路仿真分析任務(wù)四直流穩(wěn)壓電源的性能測(cè)試知識(shí)鏈接

鏈接一整流電路

在實(shí)際應(yīng)用的電源中，除了廣泛使用的交流電外，直流電源也是在許多場(chǎng)合都需要使用的電源。目前各種電子電路和自動(dòng)控制裝置廣泛采用半導(dǎo)體直流電源。利用它就能將220V的交流電源變換成直流電源。一、直流穩(wěn)壓電源組成及作用1.穩(wěn)壓電源的電路組成直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成。電源變壓器：降壓；整流電路：交流變脈動(dòng)直流；濾波電路：濾除脈動(dòng)；穩(wěn)壓電路：進(jìn)一步消除紋波，提高電壓的穩(wěn)定性和帶載能力。直流穩(wěn)壓電源電路組成2.穩(wěn)壓電源的作用直流穩(wěn)壓電源的作用就是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。交流電網(wǎng)電壓通過(guò)變壓器將電網(wǎng)上的交流電壓變換成整流所需的交流電壓u2，而u2經(jīng)過(guò)整流電路則變成單向的脈動(dòng)電壓u3。

u3則經(jīng)過(guò)濾波電路除去大部分脈動(dòng)成分得到較為恒定的直流電壓U4，此時(shí)的U4還會(huì)受到電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載及溫度變化等因素的影響，U4經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定就可以獲得穩(wěn)定輸出的直流電壓U5。在這種小功率半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)使用的對(duì)象來(lái)組成電路。對(duì)于一般的電子線路，要求整流電路加濾波電路;對(duì)于要求較高的對(duì)象(如許多自動(dòng)控制裝置和一些要求較高的電子檢測(cè)電路)，則需要濾波電路后再加穩(wěn)壓電路。二、整流電路整流電路是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟缍O管等，將工頻交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)直流電的電路。整流電路有多種形式，按交流電源的相數(shù)劃分，可分為單相整流電路和三相整流電路;按電路的結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為半波、全波和橋式整流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。1．單相半波電路（1）電路

（2）工作原理u2為正半周時(shí)，二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過(guò)負(fù)載，并且和二極管上的電流相等，即io=id。忽略二極管的電壓降，則負(fù)載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2

，輸出電壓uo的波形與u2相同。當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，二極管D承受反向電壓而截止。此時(shí)負(fù)載上無(wú)電流流過(guò)，輸出電壓uo=0，變壓器副邊電壓u2全部加在二極管D上。（3）平均電壓、電流及整流管主要參數(shù)計(jì)算單相半波整流電壓的平均值為：流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流平均值為：流經(jīng)二極管的電流平均值與負(fù)載電流平均值相等，即：二極管截止時(shí)承受的最高反向電壓為u2的最大值，即：【例5-1】有一單相半波整流電路，如圖5-2（a）所示。已知負(fù)載電阻，變壓器副邊電壓，試求Uo、Io，并選用二極管。解：查半導(dǎo)體手冊(cè)，二極管可選用2AP4，其最大整流電流為16mA，最高反向工作電壓為50V。為了使用安全，二極管的反向工作峰值電壓要選得比UDRM大一倍左右。2.單相橋式整流電路（1）電路（2）工作原理

u2為正半周時(shí)，二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的路徑為：a→D1→RL→D3→b。u2為負(fù)半周時(shí)，二極管D2、D4承受正向電壓而導(dǎo)通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的路徑為：b→D2→RL→D4→a，。（3）波形（4）平均電壓、電流及整流二極管主要參數(shù)計(jì)算單相全波整流電壓的平均值為：流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流平均值為：流經(jīng)每個(gè)二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，即：每個(gè)二極管在截止時(shí)承受的最高反向電壓為u2的最大值，即：整流變壓器副邊電壓有效值為：整流變壓器副邊電流有效值為：由以上計(jì)算，可以選擇整流二極管和整流變壓器。 由于橋式整流具有波形較好，平均電壓高，二極管反向電壓低及變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中整流電路大都使用橋式整流電路。

【例5-2】試設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出電壓為24V，輸出電流為lA的直流電源，電路形式可采用半波整流或全波整流，試確定兩種電路形式的變壓器副邊繞組的電壓有效值，并選定相應(yīng)的整流二極管。解：（1）當(dāng)采用半波整流電路時(shí)，變壓器副邊繞組電壓有效值為：整流二極管承受的最高反向電壓為：流過(guò)整流二極管的平均電流為：因此可選用2CZ12B整流二極管，其最大整流電流為3A，最高反向工作電壓為200V。（2）當(dāng)采用橋式整流電路時(shí)，變壓器副邊繞組電壓有效值為：整流二極管承受的最高反向電壓為：流過(guò)整流二極管的平均電流為：可選用四只2CZ11A整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為100V。鏈接二濾波電路整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但整流電路的輸出電壓為單向脈動(dòng)直流電壓，脈動(dòng)較大，這種脈動(dòng)直流電壓含有很大的波動(dòng)成分，在某些應(yīng)用中如電鍍、蓄電池充電等可直接使用脈動(dòng)直流電源。但許多電子設(shè)備需要質(zhì)量較好的平穩(wěn)的直流電源，這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。濾波電路一般由電容、電感和電阻組成，常用的濾波電路有電容濾波電路，LC濾波電路，二形LC濾波電路，二形RC濾波電路。一、電容濾波電路1．電路整流電路后面加濾波電容C，C與負(fù)載并聯(lián)。2．工作原理假設(shè)電路接通時(shí)恰恰在u2由負(fù)到正過(guò)零的時(shí)刻，這時(shí)二極管D開始導(dǎo)通，電源u2在向負(fù)載RL供電的同時(shí)又對(duì)電容C充電。如果忽略二極管正向壓降，電容電壓uC緊隨輸入電壓u2按正弦規(guī)律上升至u2的最大值。然后u2繼續(xù)按正弦規(guī)律下降，且，使二極管D截止，而電容C則對(duì)負(fù)載電阻RL按指數(shù)規(guī)律放電。uC降至u2大于uC時(shí)，二極管又導(dǎo)通，電容C再次充電……。這樣循環(huán)下去，u2周期性變化，電容C周而復(fù)始地進(jìn)行充電和放電，使輸出電壓脈動(dòng)減小，如圖（b）所示。電容C放電的快慢取決于時(shí)間常數(shù)（）的大小，時(shí)間常數(shù)越大，電容C放電越慢，輸出電壓uo就越平坦，平均值也越高。電容濾波電路的輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)波動(dòng)較大，說(shuō)明它的帶負(fù)載能力較差，只適用于負(fù)載較輕且變化不大的場(chǎng)合?！愠Ｓ萌缦陆?jīng)驗(yàn)公式估算電容濾波時(shí)的輸出電壓平均值。輸出電壓平均值U0

經(jīng)過(guò)濾波后的輸出電壓平均值RL得到提高。工程上，一般按下式估算U0與U2的關(guān)系：半波時(shí)全波時(shí)

為了獲得較平滑的輸出電壓，負(fù)載上直流電壓平均值及其平滑程度與放電時(shí)間常數(shù)τ=RC有關(guān)，τ愈大，放電愈慢，輸出電壓平均值愈大，波形愈平滑。實(shí)際應(yīng)用中一般要求式中T為交流電壓的周期。濾波電容C一般選擇體積小，容量大的電解電容器。應(yīng)注意，普通電解電容器有正、負(fù)極性，使用時(shí)正極必須接高電位端，如果接反會(huì)造成電解電容器的損壞。加入濾波電容以后，二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短，且在短時(shí)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(shí)應(yīng)放寬裕量。單相半波整流、電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓為，當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，承受的反向電壓為最高，為：

【例5-3】設(shè)計(jì)一個(gè)單相橋式整流、電容濾波電路。要求輸出電壓V，已知負(fù)載電阻Ω，交流電源頻率為50Hz，試選擇整流二極管和濾波電容器。解：流過(guò)整流二極管的平均電流：變壓器副邊電壓有效值：整流二極管承受的最高反向電壓：因此可選擇2CZ11B作整流二極管，其最大整流電流為1A，最高反向工作電壓為200V。取則：μF二、電感及復(fù)合濾波電路

當(dāng)通過(guò)電感的電流增大時(shí)，電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加同時(shí)將一部分電能存儲(chǔ)于電感中；當(dāng)通過(guò)電感的電流減小時(shí)，電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流減小的同時(shí)將一部分存儲(chǔ)于電感中的能量釋放，以補(bǔ)償電流的減??；在信號(hào)的半個(gè)周期中，整流二極管均導(dǎo)通；利用電感的儲(chǔ)能作用，可以減小輸出電壓和電流的紋波，VL=0.9V2，且L越大，RL越小，濾波效果越好，電感濾波適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。它的缺點(diǎn)是制做復(fù)雜、體積大、笨重且存在電磁干擾。電感濾波適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。LC、CLCπ型濾波電路適用于負(fù)載電流較大，要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場(chǎng)合。在負(fù)載較輕時(shí)，經(jīng)常采用電阻替代笨重的電感，構(gòu)成CRCπ型濾波電路，同樣可以獲得脈動(dòng)很小的輸出電壓。但電阻對(duì)交、直流均有壓降和功率損耗，故只適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。任務(wù)三直流穩(wěn)壓電路許多自動(dòng)控制裝置需要用穩(wěn)定性非常高的直流電源。而經(jīng)過(guò)整流和濾波后得到的直流電壓易受到電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和環(huán)境溫度變化的影響而發(fā)生變化。因此，還需要在濾波電路后加上穩(wěn)壓電路才能獲得穩(wěn)定性高的直流電壓。將不穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定且可調(diào)的直流電壓的電路稱為直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路按調(diào)整元件與負(fù)載的連接方式，分為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路和串聯(lián)聯(lián)型穩(wěn)壓電路，最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路是硅穩(wěn)壓管并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，但其穩(wěn)壓性能較差；串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓性能好、負(fù)載能力強(qiáng)且輸出穩(wěn)壓電壓可調(diào)，按調(diào)整器件的工作狀態(tài)可分為線性穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電路兩大類。前者使用起來(lái)簡(jiǎn)單易行，但轉(zhuǎn)換效率低，體積大；后者體積小，轉(zhuǎn)換效率高，但控制電路較復(fù)雜。隨著自關(guān)斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發(fā)展，開關(guān)電源已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。一、并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1．電路組成該電路由一個(gè)穩(wěn)壓管VDZ和一個(gè)電阻R組成，調(diào)整穩(wěn)壓管VDZ與負(fù)載并聯(lián)。電阻R稱為限流電阻，它的作用就是限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流，使之不要超過(guò)IZmax。輸入電壓Ui波動(dòng)時(shí)會(huì)引起輸出電壓Uo波動(dòng)。無(wú)論是負(fù)載變化，還是電網(wǎng)電壓變化，穩(wěn)壓電路都能通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使負(fù)載兩端電壓Uo保持不變。2．穩(wěn)壓原理不論電網(wǎng)電壓變化引起輸出電壓Uo變化，還是負(fù)載變化引起輸出電壓Uo變化。它的穩(wěn)壓原理可以通過(guò)下列的過(guò)程來(lái)說(shuō)明：如Ui升高將引起隨之升高，導(dǎo)致穩(wěn)壓管的電流IZ急劇增加，使得電阻R上的電流I和電壓UR迅速增大，從而使Uo基本上保持不變。反之，當(dāng)Ui減小時(shí)，UR相應(yīng)減小，仍可保持Uo基本不變。當(dāng)負(fù)載電流Io發(fā)生變化引起輸出電壓Uo發(fā)生變化時(shí)，同樣會(huì)引起IZ的相應(yīng)變化，使得Uo保持基本穩(wěn)定。如當(dāng)Io增大時(shí)，I和UR均會(huì)隨之增大使得Uo下降，這將導(dǎo)致IZ急劇減小，使I仍維持原有數(shù)值保持UR不變，使得Uo得到穩(wěn)定。二、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1．電路的組成電路調(diào)整三極管V1與負(fù)載串聯(lián)。由三極管V1、V2、穩(wěn)壓管VDZ和多個(gè)電阻等組成，分別構(gòu)成取樣環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓、比較放大環(huán)節(jié)和調(diào)整環(huán)節(jié)等。2．各部分的作用（1）取樣環(huán)節(jié)：由R1、RP、R2組成的分壓電路構(gòu)成，它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓UF，送到比較放大環(huán)節(jié)。（2）基準(zhǔn)電壓：由穩(wěn)壓二極管DZ和電阻R3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成，它為電路提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓UZ，作為調(diào)整、比較的標(biāo)準(zhǔn)。（3）比較放大環(huán)節(jié)。由V2和R4構(gòu)成的直流放大器組成，其作用是將取樣電壓UF與基準(zhǔn)電壓UZ之差放大后去控制調(diào)整管V1。（4）調(diào)整環(huán)節(jié)：由工作在線性放大區(qū)的功率管Vl組成，Vl的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集、射電壓UCEl改變，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)整穩(wěn)定輸出電壓的目的。3．電路工作原理當(dāng)輸入電壓Ui或輸出電流Io變化引起輸出電壓Uo增加時(shí)，取樣電壓UF相應(yīng)增大，使V2管的基極電流IB2和集電極電流IC2隨之增加，V2管的集電極電位UC2下降，因此Vl管的基極電流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo下降，使Uo保持基本穩(wěn)定。同理，當(dāng)Ui或Io變化使Uo降低時(shí)，調(diào)整過(guò)程相反，UCE1將減小使Uo保持基本不變。從上述調(diào)整過(guò)程可以看出，該電路是依靠電壓負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的。4．電路的輸出電壓設(shè)V2發(fā)射結(jié)電壓UBE2可忽略，則：或：用電位器RP即可調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的大小，但Uo必定大于或等于UZ。如UZ=6V，R1=R2=RP=100Ω，則Ra+Rb=R1+R2+RP=300Ω，Rb最大為200Ω，最小為100Ω。由此可知輸出電壓Uo在9~18V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。5.采用集成運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

其電路組成部分、工作原理及輸出電壓的計(jì)算與前述電路完全相同，唯一不同之處是放大環(huán)節(jié)采用集成運(yùn)算放大器，使輸出電壓更加穩(wěn)定。三、集成穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電路是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體積小、使用方便、工作可靠等特點(diǎn)。目前集成穩(wěn)壓組件在穩(wěn)壓電路中應(yīng)用得更為廣泛。這