第五章　直流穩(wěn)壓電源

§5-1整流電路§5-2濾波電路§5-3穩(wěn)壓電路§5-4集成穩(wěn)壓器§5-5開關(guān)穩(wěn)壓電源1.?了解直流穩(wěn)壓電源的組成。2.?掌握單相整流電路的組成及工作原理，會進(jìn)行簡單的計算，會選擇整流二極管。3.?了解三相整流電路的組成及工作原理，會進(jìn)行簡單的計算，會選擇整流二極管。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-1整流電路將交流電變換成脈動直流電的電路稱為整流電路。根據(jù)所需整流的交流電源不同，整流電路主要分為單相整流電路和三相整流電路兩種。為了研究問題方便起見，下面電路分析過程中，除特別說明外，負(fù)載為純電阻性負(fù)載，變壓器為理想變壓器，二極管為理想二極管（正向?qū)?，等效電阻?；反向截止，等效電阻為∞）。一、單相整流電路1.?單相半波整流電路（1）電路組成及工作原理單相半波整流電路單相半波整流電路的工作波形a）理論波形b）用示波器實(shí)測的波形（2）主要參數(shù)計算單相半波整流電路主要參數(shù)計算公式（3）整流二極管的選擇實(shí)際選擇整流二極管時，應(yīng)滿足IFM≥IF，URM≥URm。（4）電路特點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡單，使用器件少，但輸出電壓脈動大，且電源利用率低，一般應(yīng)用在一些簡單的充電電路中。2.?單相橋式整流電路（1）電路組成和工作原理單相橋式整流電路a）原理圖b）習(xí)慣畫法c）簡化畫法單相橋式整流電路的工作波形a）理論波形b）用示波器實(shí)測的波形（2）主要參數(shù)計算單相橋式整流電路主要參數(shù)計算公式（3）整流二極管的選擇實(shí)際選擇整流二極管時，應(yīng)滿足IFM≥IF，URM≥URm。（4）電路特點(diǎn)與單相半波整流電路相比，二極管的數(shù)量較多，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓U2相同時，對二極管的參數(shù)要求一樣，但輸出電壓較高、脈動較小，變壓器利用率高，所以應(yīng)用較廣。3.?單相整流堆單相橋式整流電路輸出電壓較高，脈動較小，變壓器利用率高，應(yīng)用很廣。一般把若干只整流二極管按某種整流方式用絕緣瓷、環(huán)氧樹脂等外殼封裝成一體制成單相整流堆，又稱單相整流模塊。常見的單相整流堆有半橋和全橋整流堆。（1）半橋整流堆半橋整流堆a(bǔ)）半橋堆內(nèi)部電氣原理圖b）常見半橋堆外形（2）全橋整流堆全橋整流堆簡稱全橋堆，全橋堆的內(nèi)部電氣原理圖如圖所示。常見全橋堆外形如圖所示。全橋堆內(nèi)部電氣原理圖常見全橋堆外形4.?實(shí)際應(yīng)用電路應(yīng)用單相橋式整流的充電用硅整流裝置電路圖二、三相整流電路單相整流電路輸出功率不大，一般不會超過幾千瓦，如果負(fù)載功率太大，必將使三相電網(wǎng)不平衡，因此需要大功率直流電源時，一般采用三相整流電路。三相整流電路輸出功率大，輸出電壓脈動小，變壓器利用率高，更主要的是不影響三相電網(wǎng)的平衡，所以在電氣設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。三相整流電路有多種類型，主要有最基本的三相半波整流電路和應(yīng)用最廣的三相橋式整流電路兩種。1.?三相半波整流電路（1）電路組成和工作原理三相半波整流電路a）共陰極接法b）共陽極接法三相半波整流電路的工作波形a）二次側(cè)相電壓的波形b）理論輸出波形c）實(shí)測的輸出波形（2）主要參數(shù)計算三相半波整流電路主要參數(shù)計算公式（3）整流二極管的選擇實(shí)際選擇整流二極管時，應(yīng)滿足IFM≥IF，URM≥URm。（4）電路特點(diǎn)電路比較簡單，但輸出電壓仍有一定的脈動，一次、二次繞組每相只工作三分之一周期，變壓器利用率不高，而且通過二次繞組的直流電流會使變壓器鐵芯趨于磁飽和，因此在應(yīng)用上受到一定的限制。2.?三相橋式整流電路（1）電路組成和工作原理三相橋式整流電路三相橋式整流電路的工作波形a）二次側(cè)電壓波形b）理論輸出波形c）實(shí)測的輸出波形（2）主要參數(shù)計算三相橋式整流電路主要參數(shù)計算公式（3）整流二極管的選擇實(shí)際選擇整流二極管時，應(yīng)滿足IFM≥IF，URM≥URm。（4）電路特點(diǎn)變壓器利用率較高，輸出電壓比三相半波整流電路高一倍，且脈動小，廣泛應(yīng)用于要求輸出電壓高、脈動小的電氣設(shè)備中。廠家常常把六只整流二極管按三相橋式整流方式用絕緣瓷、環(huán)氧樹脂等外殼封裝成一體制成三相整流橋堆，又稱三相整流模塊，簡稱三相橋堆，其內(nèi)部電氣原理圖如圖a所示。常見三相橋堆外形如圖b所示。三相整流橋堆a(bǔ)）三相橋堆內(nèi)部電氣原理圖b）常見三相橋堆外形3.?實(shí)際應(yīng)用電路典型的整流裝置電路1.?了解濾波電路的結(jié)構(gòu)和分類。2.?理解電容濾波電路的工作原理。3.?掌握電容濾波電路的有關(guān)計算方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-2濾波電路交流電經(jīng)整流雖已轉(zhuǎn)變成脈動直流電，但含有較大的交流分量，這種不平滑的直流電僅能在電鍍、電焊、蓄電池充電等要求不高的設(shè)備中使用，不能滿足大多數(shù)電子電路和設(shè)備的需要。為了得到平滑的直流電，一般在整流電路之后需接入濾波電路，把脈動直流電的交流成分濾掉。常用的濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路、復(fù)式濾波電路和電子濾波電路等。一、電容濾波電路1.?電路組成和工作原理單相半波整流電容濾波電路及其工作波形a）單相半波整流電容濾波電路b）濾波電路工作波形單相半波整流電容濾波電路的輸出波形a）未加電容以前的輸出波形b）加入電容濾波后的輸出波形單相橋式整流電容濾波電路及其工作波形a）單相橋式整流電容濾波電路b）電容濾波工作波形單相橋式整流電容濾波電路的輸出波形a）未加電容以前的輸出波形b）加入電容濾波后的輸出波形對電容濾波的工作原理也可做如下分析：電容具有“隔直通交”作用，對于整流輸出脈動直流電中的直流成分，電容相當(dāng)于開路，因此其直流成分都加在負(fù)載兩端，而脈動直流電中的交流成分，大部分經(jīng)過電容旁路，因此負(fù)載中的交流成分很小，負(fù)載電壓變得平滑。2.?有關(guān)參數(shù)計算單相半波整流和橋式整流經(jīng)電容濾波后，有關(guān)電壓和電流的估算可參考表。單相整流電容濾波電路電壓和電流的估算公式3.?電路特點(diǎn)（1）接入濾波電容后，二極管的導(dǎo)通時間變短了，工作電流較大，特別是在接通電源瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌電流。（2）經(jīng)電容濾波后，輸出波形變得平滑，輸出電壓的平均值升高。（3）電容放電時間常數(shù)τ=RLC越大，輸出電壓UL越高，濾波效果也越好；反之，則輸出電壓低且濾波效果差，如圖所示。（4）電容濾波電路適用于負(fù)載電流較小的場合。RLC變化對電容濾波的影響二、電感濾波電路當(dāng)一些電氣設(shè)備需要脈動小、輸出電流大的直流電源時，若采用電容濾波電路，則電容容量必定很大，二極管的沖擊電流也很大，這就使得二極管和電容器的選擇很困難，在此情況下，往往采用電感濾波電路。帶有電感濾波的單相橋式整流電路及其工作波形a）電感濾波電路b）電感濾波工作波形三、復(fù)式濾波電路為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動程度，可用電容和電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路。復(fù)式濾波電路a）LC-г型濾波電路b）LC-π型濾波電路c）RC-π型濾波電路四、電子濾波電路上面所講的RC-π型濾波電路中，R越大，濾波效果越好，但同時在電阻上產(chǎn)生的電壓損失也越大，為解決這對矛盾，可采用晶體三極管代替電阻R，構(gòu)成電子濾波電路，如圖所示。電子濾波電路1.?熟悉穩(wěn)壓二極管的工作特性和主要參數(shù)。2.?掌握簡單穩(wěn)壓電路的組成、穩(wěn)壓原理及電路特點(diǎn)。3.?掌握三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成、穩(wěn)壓原理，能計算輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-3穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓二極管的工作特性和主要參數(shù)1.?工作特性穩(wěn)壓二極管a）圖形符號b）伏安特性曲線2.?主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)具有溫度補(bǔ)償作用的穩(wěn)壓管2DW230a）外形b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般情況，在要求溫度穩(wěn)定性較高的場合，可以用具有溫度補(bǔ)償作用的穩(wěn)壓管，如2DW230，如圖所示。使用時一只穩(wěn)壓管處于反向擊穿狀態(tài)，另一只穩(wěn)壓管處于正向?qū)顟B(tài)，兩只穩(wěn)壓管相互補(bǔ)償。二、簡單穩(wěn)壓電路1.?電路組成簡單穩(wěn)壓電路2.?穩(wěn)壓原理利用穩(wěn)壓管電流的變化，引起限流電阻R兩端電壓的變化，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓管起調(diào)整作用，為調(diào)整管；電阻R不但起限流作用，還起調(diào)壓作用。并聯(lián)穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計制作容易，但輸出電壓受到穩(wěn)壓管自身參數(shù)的限制，因此適用于輸出電壓固定且負(fù)載電流變化范圍不大的場合。當(dāng)負(fù)載電流較大且要求穩(wěn)壓性能較好時，可采用串聯(lián)穩(wěn)壓電路。三、三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路1.?電路組成圖所示為帶放大環(huán)節(jié)的三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路。它由四部分組成：調(diào)整部分（調(diào)整管V1）、取樣電路（R3、RP、R4組成的分壓器）、基準(zhǔn)電路（穩(wěn)壓管VZ和R2組成的穩(wěn)壓電路）、比較放大電路（放大管V2等）。R1既是放大管V2的集電極電阻，又是調(diào)整管V1的偏置電阻。帶放大環(huán)節(jié)的三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路2.?穩(wěn)壓原理帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路是通過取樣電路從輸出電壓UL中取出，送給V2管基極UB2，UB2與基準(zhǔn)電壓UZ相比較，然后V2對差值進(jìn)行放大后控制調(diào)整管，調(diào)節(jié)其管壓降UCE1，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，與負(fù)載串聯(lián)，因此，三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路又稱為線性穩(wěn)壓電路。3.?輸出電壓的調(diào)節(jié)4.?調(diào)整管的選用在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管是核心元件。1.?了解常用集成穩(wěn)壓器的引腳排列，熟悉三端集成穩(wěn)壓器的分類、主要參數(shù)及使用方法。2.?熟悉三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-4集成穩(wěn)壓器一、三端集成穩(wěn)壓器的型號和參數(shù)常用的三端集成穩(wěn)壓器有塑料殼和金屬殼兩種封裝形式，其外形如圖所示。三端集成穩(wěn)壓器外形a）塑料殼封裝b）金屬殼封裝三端集成穩(wěn)壓器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，按照它們的性能和用途不同可以分成兩大類，一類是固定輸出三端集成穩(wěn)壓器，另一類是可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器。前者的輸出電壓是不變的，后者可在外電路上對輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。三端固定輸出集成穩(wěn)壓器各引腳的功能1.?三端固定輸出集成穩(wěn)壓器三端固定輸出集成穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端和公共端三個引出端。其型號意義如下：三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器各引腳的功能2.?三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的輸出電壓不可調(diào)，三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器不僅輸出電壓可調(diào)，而且穩(wěn)壓性能優(yōu)于固定式，它的三個引出端分別為輸入端、輸出端和調(diào)整端。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，其型號意義如下：三端集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)3.?三端集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)二、三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用三端集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路設(shè)計完善，輔助電路齊全，只需連接很少的外圍元件，就能構(gòu)成一個完整的電路，并可以實(shí)現(xiàn)提高輸出電壓、擴(kuò)展輸出電流，以及輸出電壓可調(diào)等多種功能。下面介紹幾種常見的應(yīng)用電路。1.?三端固定輸出集成穩(wěn)壓電路（1）基本應(yīng)用電路（2）提高輸出電壓的穩(wěn)壓電路（3）擴(kuò)大輸出電流的穩(wěn)壓電路（4）同時輸出正、負(fù)電壓的穩(wěn)壓電路2.?三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓電路（1）基本應(yīng)用電路（2）外加保護(hù)的穩(wěn)壓電路1.?了解開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及類型。2.?理解開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理。3.?了解CW×524和CW496×系列集成開關(guān)穩(wěn)壓器的引腳排列規(guī)律。4.?了解CW×524和CW496×系列集成開關(guān)穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-5開關(guān)穩(wěn)壓電源一、開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及類型1.?開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)（1）功耗小，效率高（2）體積小，重量輕（3）穩(wěn)壓性能好，穩(wěn)壓范圍寬（4）紋波和噪聲較大2.?開關(guān)穩(wěn)壓電源的類型開關(guān)穩(wěn)壓電源種類很多，分類方法也各不相同，常見的分類方法有如下幾種：（1）按開關(guān)管與負(fù)載之間的連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。（2）按啟動開關(guān)管的方式分為自激型和他激型開關(guān)穩(wěn)壓電源。自激型由開關(guān)管和脈沖變壓器構(gòu)成正反饋電路，形成自激振蕩來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。他激型由附加的振蕩器產(chǎn)生脈沖信號來控制開關(guān)管。（3）按所用開關(guān)器件分為三極管開關(guān)穩(wěn)壓電源、功率CMOS管開關(guān)穩(wěn)壓電源和晶閘管開關(guān)穩(wěn)壓電源。（4）按穩(wěn)壓控制的方式分為脈沖寬度調(diào)制型（PWM）、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源。（5）按開關(guān)管在電路中的數(shù)量和連接方式分為單管型、雙管推挽型、四管全橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源。二、開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.?基本結(jié)構(gòu)圖所示為并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖。其主要由開關(guān)調(diào)整管、儲能電路、取樣比較電路、基準(zhǔn)電路、脈沖調(diào)寬電路和脈沖發(fā)生電路等組成。儲能電路由儲能電感L、儲能電容C和續(xù)流二極管VD組成。因儲能電感L與負(fù)載并聯(lián)，所以稱為并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源。并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖2.?工作原理由上圖可見，開關(guān)調(diào)整管V具有周期性的開關(guān)作用，調(diào)整管開啟（飽和導(dǎo)通），將輸入端的能量注入儲能電路，由儲能電路濾波后送到負(fù)載。調(diào)整管開啟時間越長、注入儲能電路的能量越多，輸出電