第4章直流电源

1、变电站综合自动化系统中变电站综合自动化系统中各子系统的典型硬件结构图各子系统的典型硬件结构图ZZQ-5型自动准同步装置框图型自动准同步装置框图各种电子设备中都需要直流电源，一般都包含专门的电源电路各种电子设备中都需要直流电源，一般都包含专门的电源电路整流滤波稳压概述概述滤波滤波电路电路整流整流电路电路稳压稳压电路电路电源电源变压器变压器交流交流电源电源负负载载OtuOtuOtuOtuOtu 220V交流电压交流电压脉动脉动直流电压直流电压合适的合适的交流电压交流电压 平滑平滑直流电压直流电压 稳定稳定直流电压直流电压-直流稳压电源是将交流电变成稳定直流电的电路直流稳压电源是将交流电变成稳定直流

2、电的电路EWB仿仿 真真仿真关注问题：各节点波形仿真关注问题：各节点波形一、单相半波整流一、单相半波整流tUu sin222 to 2 3 u222UUO to 2 3 22U 0 2O)(sin221ttdUU 245. 0UUODRL220V+ Uu2iD+ uD+_2RM2UU L2OD45. 021RUII 应选择最大整流电流应选择最大整流电流IFMID，最高反向工作电，最高反向工作电压压UDRM URM的整流二极管。的整流二极管。RL220V+ uu2iD+ uD*二、单相桥式整流二、单相桥式整流图图4-3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路(a) 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 (

3、b) 整流桥的常见形式整流桥的常见形式 (c) 整流桥的简化画法整流桥的简化画法二、单相桥式整流二、单相桥式整流RLioV4V3V2V1+uo u2u1V3RLV4V2V1u1u2+uo 1. 1. 工作原理工作原理2. 波形波形u2 to 2 3 22U to 2 3 uO22U3. 参数估算参数估算1) 整流输出电压平均值整流输出电压平均值)(sin21 0 OttdUU 29 . 0 UUO to 2 3 u222U to 2 3 uO22UEWB仿仿 真真图图4-54-5 三相桥式整流电路三相桥式整流电路相电压波形相电压波形三相桥式整流波形三相桥式整流波形V导通时给导通时给C 充电充电

4、, 1. 电路和工作原理电路和工作原理滤波后滤波后uo 的波形变得的波形变得平缓平缓, ,平均值提高。平均值提高。RLV1V4V3V2ioC + uo= uc +u 0 tuO 2 22UV截止时截止时C 向向RL放电放电 2. 波形及输出电压波形及输出电压2O2U U 当当RL= 时时:0 tuO 2 22U通常取通常取 UO = 1.2U2RLC越大越大UO越大越大2)53(LTCR RL= 为获得良好滤波效果为获得良好滤波效果, 要求要求:(T为输入为输入交流电压交流电压的周期的周期)适用于小电流场合适用于小电流场合EWB仿仿 真真* 例例 单相桥式电容滤波整流，交流电源频率单相桥式电容

5、滤波整流，交流电源频率f = 50 Hz,负载负载电阻电阻RL = 40 ,要求直流输出电压要求直流输出电压UO = 20V, 选择选择整流二极管整流二极管及及滤波电容。滤波电容。 解解:V172 . 1V202 . 1O2 UU2RM2UU 选二极管应满足选二极管应满足:IF (2 3) ID可选可选: 2CZ55C(IF = 1 A， URM = 100 V)或或1 A、100 V 整流桥整流桥电流平均值电流平均值: A0.25 40V 20212121LOOD RUII承受最高反压：承受最高反压：V 2422RM UUsfT02. 05011 s 04. 024L TCR取取F 1000

6、 40s 0.04 C可选可选： 1000 F, 耐压耐压50 V 的电解电容的电解电容1. 电感滤波电感滤波RLL+u2 电感越大，滤波效果越好电感越大，滤波效果越好2. 型滤波型滤波L C1RL+u2 C2负载电流小时负载电流小时电源电压波动或负载变化会引起输出电压电源电压波动或负载变化会引起输出电压Uo发生变化发生变化EWB仿仿 真真并联型稳压电路并联型稳压电路调整管与负载并联调整管与负载并联串联型稳压电路串联型稳压电路调整管与负载串联调整管与负载串联+Ui+UoRLDZ+UZR+ UR IoIZI 硅稳压二极管稳压电路，其中稳压管工作在反向硅稳压二极管稳压电路，其中稳压管工作在反向击穿

7、状态，两端电压基本不变。击穿状态，两端电压基本不变。注意：稳压管必须串接一个限流电阻！注意：稳压管必须串接一个限流电阻！适用于负载电流较小，输出电压不需调节的电子设备。适用于负载电流较小，输出电压不需调节的电子设备。4.3.1 并联型稳压电路（硅稳压管稳压电路）并联型稳压电路（硅稳压管稳压电路）应用举例应用举例+Uo 稳压的实质：稳压的实质：UCE的自动调节使输出电压稳定的自动调节使输出电压稳定 UoU FUBEUCEUo4.3.2 串联型稳压电路串联型稳压电路一、电路及工作原理一、电路及工作原理8+UI RLV1 + UCE UFUZUB二、输出电压的调节范围二、输出电压的调节范围Zp323

8、OFURRRRRUUPZ3p32OURRRRRUPZp3p32minOURRRRRUZ3p32maxOURRRRU+Uo 8+UI RLR2UFUZR3RPPR PREWB仿仿 真真VURRRRRZPP5 . 76300100300100100U332ominVURRRRUZPo30332max 例例4-1 4-1 图图4-94-9电路中，运放为理想运放，正常情况下电路中，运放为理想运放，正常情况下VT管工作在放大状态。管工作在放大状态。UCES=2V。U2=30V，R1=330，R2=R3=100，RP=300，RL=2K，UZ=6V，电容足够大。，电容足够大。（1）试计算）试计算UI=?

9、(2)计算计算UO=？（？（3）若）若U2=20V，UO=？PR=0时，输出最大为时，输出最大为Uomax。当PR =RP时，输出最小为Uomin；（2）根据式（）根据式（4-6），），解：（解：（1）UI是单相桥式整流电容滤波后的输出，是单相桥式整流电容滤波后的输出，C足够大，所以足够大，所以 UI=1.2U2=1.230=36V输出电压输出电压UO在在UOmin至至UOmax范围内可调节，即范围内可调节，即UO在在7.530V范围内调节。范围内调节。 （3）UI=1.2U2=1.220=24V，则，则UO增大到增大到UI-UCES=24-2=22V时，三极管已经饱和，时，三极管已经饱和，U

10、O达到极限，所以这时达到极限，所以这时UO最大值为最大值为22V，即即UO在在7.522V范围内调节。范围内调节。注：若要想输出电压最大值能调到注：若要想输出电压最大值能调到30V，则，则UImin=UOmax+UCES=32V，需要变压器二次侧电压有效值，需要变压器二次侧电压有效值U2至至少达到：少达到：UImin/1.2 =26.67V4.3.3 集成三端稳压器集成三端稳压器一、一、78、79系列的型号命名系列的型号命名输出电流输出电流78L / 79L 输出电流输出电流100 mA78M / 9M 输出电流输出电流500 mA78 / 79 输出电流输出电流1.5 A 集成稳压器种类很多

11、，作为小功率的直流稳压电集成稳压器种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是源，应用最为普遍的是三端式串联型集成稳压器三端式串联型集成稳压器。如。如W78W78和和W79W79系列稳压器。系列稳压器。W78W78系列输出正电系列输出正电压压有有5V5V、6V6V、8V8V、9V9V、10V10V、12V12V、15V15V、18V18V、24V24V等多等多种，若要获得种，若要获得负输出电压选负输出电压选W79W79系列系列即可。即可。输出电压输出电压78 输出电压为输出电压为 ()例：例：CW7812，CW78L05，CW79M24，从符号中读出参数。，从符号中读出参数。符号符号C

12、W7805+213CW791213_2_图图4-10 集成三端稳压器外型及管脚排列图集成三端稳压器外型及管脚排列图二、二、CW7800的基本应用电路的基本应用电路C1抵消输入抵消输入长接线的长接线的电感效应，电感效应，防止自激防止自激C2改善负改善负载的瞬态载的瞬态响应响应,消除消除高频噪声高频噪声Uo = 12VW7812123 C2+UiC10.33 F0.1 FRL图图4-11 输出固定正电压的三端稳压电源输出固定正电压的三端稳压电源图图4-12 输出固定负电压的三端稳压电源输出固定负电压的三端稳压电源三、三、 可调集成三端稳压器可调集成三端稳压器（一）、典型产品型号命名（一）、典型产品

13、型号命名CW117/217/317系列（正电源）系列（正电源）CW137/237/337系列（负电源）系列（负电源）基准电压基准电压1. 25 V输出电流输出电流L型型 输出电流输出电流100 mAM型型 输出电流输出电流500 mA（二）、（二）、CW117基本应用电路基本应用电路外形外形引脚引脚CW1171 2 3UIUOADJCW1371 2 3UIUOADJ图图4-13 输出可调的三端稳压器典型接法输出可调的三端稳压器典型接法 )1 (25. 11RRUPoUo CW3173C2+UiC1C3R1R2C4V1V2UREF = 1.25 VUREF很稳定很稳定)1 (25. 112RRU

14、OI REF 50 A1. 1. 输出正、负电压的电路输出正、负电压的电路24V24V220VW7815W79151000 F 220 F 0.33 F0.33 F0.1 F+1000 F 0.1 F220 F 四、三端稳压器的应用四、三端稳压器的应用晶体管串联型稳压电路组成框图晶体管串联型稳压电路组成框图串联开关型稳压电路组成框图串联开关型稳压电路组成框图4.3.4 开关型稳压电路开关型稳压电路 晶体管串联型稳压电路中晶体管串联型稳压电路中调整调整管工作在放大状态管工作在放大状态，管压降较大，管压降较大，且负载电流全部通过调整管，所以且负载电流全部通过调整管，所以管耗大，电源效率低。管耗大，

15、电源效率低。 开关型稳压电路中开关型稳压电路中调整管工作调整管工作在开关状态在开关状态（即饱和或截止状态），（即饱和或截止状态），使管耗减小，效率提高。因体积小、使管耗减小，效率提高。因体积小、重量轻、性能可靠，目前开关型稳重量轻、性能可靠，目前开关型稳压电源得到了越来越广泛的应用。压电源得到了越来越广泛的应用。 开关脉冲发生器：开关脉冲发生器：产生开关脉冲，产生开关脉冲，脉宽受比较广大器控制，脉宽受比较广大器控制，Uo升高时升高时开关脉冲变窄。开关脉冲变窄。 开关调整管：开关调整管：由功率管组成，由功率管组成，在开关脉冲控制下饱和或截止。在开关脉冲控制下饱和或截止。 储能滤波电路：储能滤波电

16、路：把调整管输出把调整管输出的断续脉冲电压变成连续的平滑的的断续脉冲电压变成连续的平滑的直流电压。直流电压。脉宽调制型开关电源脉宽调制型开关电源PWM是电压是电压-脉宽转换电路，脉冲宽度受比较器的输出电压控制，简称脉宽调制器。脉宽转换电路，脉冲宽度受比较器的输出电压控制，简称脉宽调制器。CW1524/CW2524/CW3524是脉宽调制器集成电路。是脉宽调制器集成电路。VRRUO)1 ( 1 . 523CW4960/4962系列集成开关稳压器系列集成开关稳压器图图2-12-1自动励磁调节器自动励磁调节器(AVR)(AVR)局部电路框图局部电路框图可控整流电路应用举例可控整流电路应用举例 电力系

17、统中，同步发电机励磁系统，一般由励磁功率单元和励磁调节器组成。电力系统中，同步发电机励磁系统，一般由励磁功率单元和励磁调节器组成。自动调节装置的作用是根据发电机电压等因素的变化改变可控硅的导通角，从而改自动调节装置的作用是根据发电机电压等因素的变化改变可控硅的导通角，从而改变发电机的励磁电流，以实现对电压和无功功率的调节。变发电机的励磁电流，以实现对电压和无功功率的调节。 发电机发电机可控整流可控整流同轴交流励磁机同轴交流励磁机中频发电机整流三相全控整流桥逆三相全控整流桥逆变灭磁的原理图变灭磁的原理图（同（同步发电机自动励磁装置中）步发电机自动励磁装置中） 当发电机或发当发电机或发电机电机-变

18、压器组发变压器组发生故障时，在继电生故障时，在继电保护动作将发电机保护动作将发电机断路器跳开的同时，断路器跳开的同时，需要迅速灭磁。需要迅速灭磁。 G P1P2N1N2仿真：测试晶闸管性能仿真：测试晶闸管性能 问题：问题： 1.给晶闸管阳极加正向电压，管子是给晶闸管阳极加正向电压，管子是否导通？否导通？ 2.给晶闸管阳极加反向电压，管子是给晶闸管阳极加反向电压，管子是否导通？否导通？ 3.给晶闸管阳极加正向电压，且控制极加上正向电压，管子给晶闸管阳极加正向电压，且控制极加上正向电压，管子是否导通？是否导通？4.晶闸管导通的情况下，撤消控制极电源，管子是否导通？晶闸管导通的情况下，撤消控制极电源

19、，管子是否导通？+ +- -+ +- -ug5.晶闸管导通的情况下，将阳极电源断开或反接，管子是否会晶闸管导通的情况下，将阳极电源断开或反接，管子是否会截止？截止？ 即撤掉控即撤掉控制极电压，晶闸管仍可维持导通状态。制极电压，晶闸管仍可维持导通状态。 必须使晶闸管阳极电流减小必须使晶闸管阳极电流减小, , 可以将阳极电源断开或者在晶闸管的可以将阳极电源断开或者在晶闸管的+ +- -+ +- -ug(1) 电路电路+VT仿真：可控整流仿真：可控整流 t1 2 22T , 0ouuU0,T2ouuU2To, 0uuUgu tO晶闸管晶闸管不导通不导通。0g u,t )时段时段（即即01 +VT12

20、t tuO2 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角 tOuO)d(212OtuU)d(sin2212ttU2cos145. 02U调节控制角叫移相，移相范围：调节控制角叫移相，移相范围：0 +TLeL+LTD+T1T2RLUoD1D2+ tOu tuO tT1uO2 tguOtuU)d(12O)d(sin212ttUU2cos19 . 02U两种常用的半控整流电路两种常用的半控整流电路电路电路 特点特点该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。无反向电压。2. 晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D4u0R

21、L+-+-电路电路 特点特点 1. 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流二极管作用。(2)2. 由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-相电压波形三相全控整流应用举例三相全控整流应用举例三相全控整流桥逆变灭磁的原理图三相全控整流桥逆变灭磁的原理图（同步发电机自动励磁装置中）（同步发电机自动励磁装置中） 当发电机或发电机当发电机或发电机-变压器组发生故障时，变压器组发生故障时，在继电保护动作将发电机断路器跳开的同时，在继电保护动

22、作将发电机断路器跳开的同时，需要迅速灭磁。需要迅速灭磁。 ，一旦发生过，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将电流时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只件内部短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流过电流为为400A400A时，仅允许持续时，仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损秒，否则将因过热而损坏；坏； 电压超过其反电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。的电流较大，使器件受损。与晶闸与晶闸 管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端 RCRC 硒堆保护硒堆保护 (硒整流片硒整流片)晶闸管元件晶闸管元件 的阻容保护的阻容保护NPPN结结N型硅片型硅片