第十章 直流电源教材

1、第十章 直流电源电子设备一般都需要直流电源供电。获得直流电源的方法很多，如干电池、蓄电池、直流电机等。但比较经济实用的办法是，把交流电源变换成直流电源。这就是我们要讨论的问题。一般直流电源的组成如下：交流电网变压器整流电路滤波器电路稳压电路负载电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。10.1 整流电路 1.单相半波整流电路 2.单相桥式整流电路 10.2 滤波电路 1. 电容滤波电路 2. 其它形式的滤波电路

2、10.3 稳压电路 1. 硅二极管稳压电路 2. 串联型稳压电路 3. 集成稳压电路10.1 整流电路整流电路的任务：利用二极管的单向导电特性，将正负交替的交流电压变换成单方向的直流脉动电压。常见的小功率整流电路有：单相半波、全波、桥式和倍压等方式。单相桥式整流电路用得最为普遍。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理；即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。§1 单相整流电路一、单相半波整流1电路工作原理u2 >0 时，二极管导通。忽略二极管正向压降： uo=u2 u2<0时，二极管截止。输出电流为0。uo=0 2. 单相半波整流电压波形输出电压平均值（Uo）：直

3、流电压Uo是输出电压瞬时值uo在一个周期的平均值流过负载的电流平均值（Io )：二极管承受的最高反向电压:半波整流的优缺点v 优点：结构简单，使用元件少v 缺点：只利用了电源的半个周期，电源利用率低。v 半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。3半波整流的优缺点优点：结构简单，使用元件少缺点：只利用了电源的半个周期，所电源利用率低，输出的直流成份比较低；输出波形的脉动大；变压器电流含有直流成份，容易饱合。半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。为了提高电源的利用率，改善整流的性能，通常使用单相桥式全波整流。二、单相桥式整流1电路工作原理用4个二极管接成桥式整流电路。下面我们可见，除管子

4、所受的电大反向电压不同，其它参数均与全波整流相同。u2<0 时u2>0 时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:a ® D1®RL®D4®bD2,D3导通D1,D4截止电流通路:b® D2®RL®D3®a可见，在输入交流时，负载电阻上得到的是同一个方向的单向脉动电压（直流）。2波形3直流电压Uo和直流电流Io计算二极管平均电流：二极管最大反向压： 4选管原则根据二极管的电流ID和二极管所承受的最大反向峰值电压URM进行选择，即：5桥式整流的优缺点有全波整流的所有优点，又克服了它的缺点。现在通用。缺点是多

5、用了2个二极管。集成硅整流桥：把四只二极管封装在一起称为整流桥§2 滤波电路无论那种整流电路，它们的输出都含有较大的脉动成分，这远不能满足我们的要求。因此需要采取措施，尽量降低输出电压中的脉动成分。同时还要尽量地保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近于直流电压。滤波电路即能完成此工作。电容和电感是基本滤波元件。主要是利用电容器两端电压不能突变和通过电感的电流不能突变的特点，将电容与负载并联或将电感与负载串联，即可达到输出波形平滑的目的。一、.滤波的基本概念u 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。Ø 电容器C对直流开路，对交流阻抗小；Ø 电感

6、器L对直流阻抗小，对交流阻抗大；u 经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 RLL滤波电路的结构特点: u 电容与负载 RL 并联u 电感与负载RL串联RLC原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。二、电容滤波电路1空载时情况空载时，RL，设电容器两端的初始电压为0。接入交流电源后，2带电阻负载时的情况电容滤波后，输出直流电压提高了，同时输出电压的脉动成分也降低了，而且输出直流电压与放电时间常数有关

7、RLC，Uo=1.4U2，S=0。电容滤波的输出电压Uo随输出电流Io而变化。范围内变化。电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而下降很快，所以电容滤波适用于负载电流变化不大的场合。大电容C的滤波作用可以这样来理解：v 根据电路课程中所学的知识，电容之容抗XC=1/C，它与信号频率成反比。v 对于输出电压中的直流分量，电容C相当于开路。v 对输出电压中的交流分量，只要C的容量取得足够大，XC可做得很小，C就相当于短路。v 这样，输出电压中的直流分量流过RL，而交流分量则由电容旁路（即：进行了滤波）。3. 电容滤波电路的特点(1) 输出电压 平均值Uo与时间常数 RLC 有关RLC 愈大

8、4; 电容器放电愈慢 ® Uo(平均值)愈大当 RL = ¥ 时：当 RL 为有限值时：UO = 1.2U2通常取RC 越大 UO 越大，为获得良好滤波效果，一般取：(T 为输入交流电压的周期)(2) 流过二极管瞬时电流很大RLC 越大 ® Uo越高®负载电流的平均值越大 整流管导电时间越短 ® iD的峰值电流越大近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL由于二极管两两导通时间短，导通角小于，故流过管子的瞬时电流很大。且电容越大，瞬时电流就越大。所以选用二极管时，取ID为实际流过二极管平均电流的两倍左右。(3) 二极管承受的最高反向电压三

9、、 电感滤波电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，来起到滤波的作用。 Uo=0.9U2整流后的输出电压：当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：直流分量被电感 L 短路，交流分量主要降在 L 上，电感越大，滤波效果越好3. 其他形式的滤波电路(1) RCp 型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。 (2) L-C 型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容(3) LC p 型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C 型滤波电路。i.LC p 型滤波电路输出电压的脉动系数比LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，

10、因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。§10.3 稳压电路一. 稳压电路概述交流经过整流滤波可得平滑的直流电压，但当输入电网电压波动和负载变化时，输出电压也随之而变。因此需要一种稳压电路，使输出电压在电网波动，负载变化时基本稳定在某一数值。引起输出电压不稳定的原因是负载电流的变化和输入电压的变化。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降从而使输出电压发生变化。在整流、滤波环节后面加接稳压电路，能使直流电源的输出电压基本上不随交流电网电压波动或负载变化而变化。稳压电源类型:稳压管稳压电路电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。线性稳压电路输出电压稳定、可调

11、，电路简单，工作可靠，目前用的比较多。开关型稳压电路效率较高，目前用的也比较多。二、硅稳压管稳压电路1稳压原理稳压稳压是利用稳压管调节自身的电流的大小来满足负载电流的变化，它和限流电阻配合，可以将电流的变化转换成电压的变化以适应电网电压和负载的波动。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。输入电压不变，负载变化输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下： 负载不变，输入电压变化负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小

12、，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下： 2指标计算稳压系数输出电阻限流电阻R的选择限流电阻R的主要作用是当电网电压波动或负载电阻变化时，使稳压管的工作状态始终在稳压工作范围，即。当电网电压变化时，整流滤波电路输出电压UI变化范围为负载电流最大时的值为，最小时值为。当电网电压最高，且负载电流最小时，流过稳压管的电流最大，其值不应超过即当电网电压最低，且负载电流最大时，流过稳压管的电流最小，其值不应低于允许的最小值。限流电阻R可在上两式范围内选取。如不能同时满足上两式，则说明在给定的条件下已超出稳压管的稳压范围了，需要限制使用条件或选用参数余量大的稳压管。例1：稳压电路如图所

13、示，稳压管为2CW14，其参数为Uz=6V，Iz=10mA，Pz=200mW，整流输出电压UI=15V。试计算当UI变化±10%，负载电阻在0.52K范围变化时，限流电阻R的值。按所选定的电阻R值，计算该电路的稳压系数及输出电阻。解：首先确定允许通过稳压管的的最大电流和最小电流其次确定输入的最大电压和最小电压即0.29k<R<0.34k可选R=320，电阻的功率为选取1W的炭膜电阻或金属膜电阻。三、串联型稳压电路硅稳压管稳压电路适用范围：输出电压不需调节、负载电流较小时适用，此时稳压效果也较好。当输出电压需要调节，当电网电压或负载电流变化太大时，此种稳压电路就不适应了，此

14、时可采用串联型稳压电路。稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。1 电路组成基本原理框图基本组成：调整元件(三极管)、基准电压、取样网络、比较放大。辅助环节：过载短路保护、辅助电源电路原理图为什么叫串联型稳压电路？由于取样网络等电路所用电流一般比负载电流小的多，所以调整元件V的电流与通过负载RL的电流近似相等。可将V和RL看成串联关系。VO =VI-VR当VIR VR在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流ILRVR在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。在实际电路中，

15、可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图所示。它由取样电路、调整管、比较放大环节、基准电压源几个部分组成。2分电路单元介绍电路的核心部分：调整管V组成的射极输出器，整流滤波的输出电压作为电源，负载电阻作为射极电阻。射极输出器是电压串联负反馈电路，它本身就有稳定输出电压的特点。所以，调整管的工作点必须设置在放大区，方能起到电压调整作用。输出电压：稳压过程：UoFUoUbeUCEUo取样网络一般是由一个电阻分压器组成。要注意取样网络的总电阻值应较大，

16、以免取样网络通过较大的电流。一般应远远大于负载电阻。同时为了使取样分压比F与比较放大器电路无关，要求取样电阻远远小于比较放大器的输入电阻。基准电压基准电压通常由硅稳压管稳压电路提供。比较放大器单管放大器差动放大器集成运放注意：必须是反相放大器，即输入与输出反相。3.线性串联型稳压电源的稳压过程1输入电压变化时2负载电流变化时稳压的实质： UCE 的自动调节使输出电压恒定。电压负反馈输出电压Uo的计算及调节范围可见，调节R2可以改变输出电压。四. 三端固定式集成稳压器随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源

17、只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。1. 78、79 系列的型号命名CW78XX 系列(正电源)CW79XX 系列(负电源)型号后XX两位数字代表输出电压值: 5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V2. 封装塑料封装金属封装CW790012_3_符号CW7800+3123. CW7800 的内部结构和基本电路内部结构基本电路4. 应用电路（1）. 输出为固定电压的电路W7900系列稳压器外形及典型接线图（2）. 输出正负电压的电路（3）. 提高输出电压的电路 （4）. 输出电压可调式电路运算放大器作为电压跟随器使用。（5）作恒流源使用例：选用下列元器件设计一个合理的输出电压为+6V的直流稳压电源。例：设计一个桥式整流，电容滤波，集成稳压器7820稳压的直流稳压电源。 要求：（1）画出完整的稳压电源电路图；（2）确定滤波电容器的耐压值和电源变压器次级电压的有效值(设7820的最小压差为4V)。 解：（1）（2）由题意知VI=20+4=24V； V2=VI/1.2=20V；滤波电容器C的耐压应大于1.4V2=28V。本章小结1在电子系统中，一般都要有直流电源供电。获得直流电源的最常用的方法是由交流电网转换为直流电压。这要通过整流、滤波和稳压等环节来实现