第14章直流稳压电源

1、1 1第14章 直流稳压电源14.1整流电路整流电路14.2滤波电路滤波电路14.3稳压电路稳压电路14.4晶闸管及其应用晶闸管及其应用2 2在电子设备和自动控制电路中，都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。直流稳压电源是一种能把交流输入电压变为稳定直流电压输出的电源。图14.1是一般直流稳压电源的原理框图，它由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。3 3图 14.1 直流稳压电源原理框图4 4直流稳压电源各部分的功能如下。(1) 变压器：通常采用降压变压器，作用是将输入的交流电压ui变换成符合整流电路需要的电压。(2) 整流电路：利用单向导电的整流器件，将变压器输出的交流电压变换

2、为单向脉动直流电压。(3) 滤波电路：滤除整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分，输出比较平滑的直流电压。(4) 稳压电路：作用是当交流电源电压或负载波动时，利用该电路的自我调节功能，使输出的直流电压保持稳定。5 514.1 整流电路整流电路1. 单相半波整流电路单相半波整流电路单相半波整流电路如图14.2所示，其中VD为整流二极管，u1为电源变压器的原边电压，u2为电源变压器的副边电压，iL、uL分别为负载RL的电流和电压，uVD为二极管上的电压。设u2= U2 sint，其波形如图14.3(a)所示。26 6图 14.2 单相半波整流电路7 7图14.3 半波整流波形图8 8当u2为正半周

3、时，二极管VD导通；当u2为负半周时，二极管VD截止。若忽略变压器绕组电阻和二极管VD的正向电阻，则uL和uVD的波形如图14.3(b)、(c)所示，从中可看出负载RL的电压为半个正弦波，其平均值为 (14.1)2202L(AV)45. 02)d(sin21UUttUULRURUI2LL(AV)L(AV)45. 0负载RL中的平均电流为(14.2)二极管VD中的平均电流为(14.3)LRUII2L(AV)VD(AV)45. 09 9二极管VD所承受的最大反向电压为(14.4)2DRM2UU半波整流电路的优点是电路简单，缺点是输出电压脉动大。10102. 单相桥式全波整流电路单相桥式全波整流电路

4、图14.4所示为单相桥式全波整流电路。图 14.4 单相桥式全波整流电路1111当u2为正半周时，VD1、VD3导通；当u2为负半周时，VD2、VD4导通，即在一个周期内，负载RL上都有脉动直流电压uL，故称为全波整流电路。u2、uL和uVD的波形分别如图14.5(a)、(b)、(c)所示。从图14.5中可知负载RL上的平均电压为UL(AV)=(20.45)U2=0.9U2 (14.5)负载RL中平均电流为(14.6)LRURUI2LL(AV)L(AV)9 . 0L2L(AV)VD(AV)45. 021RUII每个二极管VD中的平均电流为(14.7)1212图14.5 全波整流波形图1313每

5、个二极管VD所承受的最大反向电压为(14.8)2DRM2UU【例【例14.1】 如图14.4 所示的桥式整流电路，RL=100 ，UL(AV)=18 V，试求变压器的副边电压为多少? 应选用何种型号的二极管？解解 变压器副边电压的有效值为V209 . 0189 . 0L(AV)2UU二极管中的平均电流为A09. 010018212121LL(AV)L(AV)VD(AV)RUII1414通过查手册知2CZ52B的最大整流电流为0.1 A，最大反向电压为50 V，可满足本题的要求。15153. 倍压整流电路倍压整流电路倍压整流电路由二极管和电容组成，利用二极管的整流和导引作用，将较低的直流电压分别

6、存储在多个电容上，然后按电容充电的极性串联起来而得到较高的直流输出电压。该电路多用于输出高电压、小电流的情况。图14.6所示为二倍压整流电路。当uo1为正半周时，VD1导通，uo1经VD1向C1充电；理想情况下，C1充电至 Uo1。当uo1为负半周时，VD2导通，uo1经VD2向C2充电，亦能充电至 Uo1。C1与C2的电压之和为2 Uo1，为负载电阻RL提供了二倍uo1的峰值电压。同理，若增加二极管和电容的数目，则可组成多倍压整流电路。2221616图14.6 二倍压整流电路171714.2 滤波电路滤波电路1. 电容滤波电路电容滤波电路电容滤波电路如图14.7所示，加上电容C后，负载RL上

7、的电压波形就与没有滤波电容时的电压波形大不一样了，如图14.8所示。此时的输出电压经验上可取 (14.9)UoUo1(半波整流)Uo1.2Uo1(全波整流)1818图 14.7 电容滤波电路1919图14.8 电容滤波波形2020电容滤波的原理就是利用电容的充放电特性。在0t1期间，设电容C上的初始电荷为零，uo1的极性假定为上正下负，此时VD1和VD3导通，VD2和VD4截止。uo1通过 VD1和VD3向C充电。在t1时刻，VD1和VD3 的阳极电位等于阴极电位。在t1以后，VD1和VD3阳极电位低于阴极电位，所以VD1和VD3截止，C通过负载RL放电。到t2时刻，VD2和VD4 的阳极电位

8、等于阴极电位，uo1通过VD2和VD4向C充电。到t3 时刻，VD2和VD4因阳极电位低于阴极电位而截止， C通过负载放电。如此周而复始，使输出的脉动大大减小。电容C的充放电时间常数=RLC，越大，C放电的过程越慢，滤波效果也越好。在实际电路中，通常采用大容量的电解电容，其容量一般选为 (14.10)L2)53(RTC21212. 电感滤波电路电感滤波电路由于电容器具有通高频、阻低频的特性，因而用电容滤波时电容是并联于负载上的。而电感具有通低频、阻高频的特性，用电感滤波时，必须将电感串联于负载电路中，利用电感阻止电流变化的特点实现滤波。电感滤波电路如图14.9所示。为了取得更好的滤波效果，可采

9、用LC滤波电路和型LC滤波电路，如图14.10和图14.11所示。2222图14.9 电感滤波电路2323图 14.10 LC滤波电路2424图14.11 型LC滤波电路252514.3 稳压电路稳压电路14.3.1 串联型稳压电源串联型稳压电源1. 电路组成电路组成串联型稳压电源是目前较为通用的一种稳压电源。该电源的方框图和电路原理图如图14.12 所示。2626图 14.12 串联稳压电路(a) 方框图； (b) 电路原理图27272. 稳压原理稳压原理我们可从Ui和RL两方面的变化分析稳压的过程。(1) 当Ui波动时，电路将引起如下的调节过程：对基本共射放大电路，当UiIBQQ点上移UC

10、E时，调整过程如下：反之亦然，使Uo 趋于稳定。(2) 当负载RL变化时，将引起如下的调节过程：同样使Uo趋于稳定。28283. 输出电压的调节输出电压的调节稳压电源的输出电压可利用电位器RW来调节。当RW的滑动端置于最上端时，输出电压最低，即 (14.11)5WW532BEZmino)(RRRRRUUU3W532BEZaxmo)(RRRRUUU当RW滑动端移到最下端时，输出电压最高，即 (14.12)故该稳压电路输出电压的范围为Uo minUo max，且可通过RW连续调节。292914.3.2 集成稳压电源集成稳压电源集成稳压电源把调整管、比较放大器、基准电源等做在一块硅片内，成为集成稳压

11、器件。目前生产的集成稳压器件形式很多，具有体积小、重量轻、使用方便可靠等一系列优点，因而得到广泛应用。集成稳压电源有多端可调式、三端集成稳压器等，现主要介绍三端集成稳压器。三端集成稳压器的三个端子分别是输入端、稳定输出端和公共接地端。三端集成稳压器的通用产品有W7800系列(正电压输出)和W7900系列(负电压输出)，具体型号后面的两位数字代表输出电压值，可为5 V、6 V、8 V、12 V、15 V、18 V、24 V等几个档次，这两个系列的产品其输出的最大电流可达1.5 A。三端固定W7800系列稳压器属于一种串联型稳压器，其应用电路有以下三种。30301. 固定输出电压电路固定输出电压电

12、路图14.13(a)所示电路是W7800系列作为固定输出时的典型应用电路。为了保证稳压器正常工作，最小输入输出电压差至少为2 V3 V；输入端的电容Ci一般取0.1 F1 F， 作用是在输入线较长时抵消其电感效应，防止产生自激振荡；输出端的电容Co可以消除电路的高频噪声，改善负载瞬态的响应，一般取值为0.1 F。当需要负电源时，可采用图14.13(b)所示的应用电路。3131图 14.13 固定输出电压电路(a) W7800系列的典型应用； (b) W7900系列的典型应用32322. 提高输出电压的电路提高输出电压的电路目前，三端稳压器的最高输出电压是24 V。当需要大于24 V的输出电压时

13、，可采用图14.14所示的电路提高输出电压。图中U是三端稳压器的标称输出电压；IZ是组件的稳态电流，约为几毫安；外接电阻R1上的电压是U；R2接在稳压器公共端“3”和电源公共端之间。按图示接法的输出电压为(14.13)212o1RIRRUUZ12o1RRUU当IZ较小时，有(14.14)3333图 14.14 提高输出电压的电路34343. 具有正负电压输出的稳压电源具有正负电压输出的稳压电源 当需要正负电压同时输出时，可用一块W7800正压单片稳压器和一块W7900负压单片稳压器连接成图14.15所示的电路。这两块稳压器有一个公共接地端，并共用整流电路。图 14.15 具有正负输出电压的稳压

14、电源3535【例【例14.2】 试应用集成稳压器设计一个能固定输出5 V电压的直流稳压电源。解解 (1) 因所要设计的直流稳压电源为固定式输出式，并且输出既有正电压也有负电压，故可选择三端固定式集成稳压器(如W7800系列与W7900系列)。通过查阅集成电路手册可知W7805集成稳压器可输出+5 V直流电压，W7905集成稳压器可输出5 V直流电压，可以选用。 (2) 集成稳压器W7800系列(正电源)与W7900系列(负电源)的典型应用电路如图14.16所示。3636图中输入端电容C3、C4主要用来改善输入电压的波纹，一般为零点几微法，可选为0.33 F。输出端电容C5、C6用来消除电路中可

15、能存在的高频噪声，即改善负载的瞬态响应，可选为0.1 F。 (3) 画出完整的直流稳压电路原理图，如图14.16所示。3737图 14.16 例14.2电路图3838W7805的输入电压为7 V30 V，W7905的输入电压为7V25 V，可以均按输入电压大小为12 V设计。交流输入电压U1经降压后为U2，经整流和滤波后(滤波电容C1=C2= 2200 F)，分别供给12 V大小的电压，该电压是变压器副边总电压平均值的一半，即U2/20.9=12 V，则U2=12 V/0.4526.6 V。由此可选择变压器原副边绕组的匝数比为U1 U2=220 26.68 1。393914.4 晶闸管及其应用

16、晶闸管及其应用14.4.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理1 晶闸管的结构晶闸管的结构目前大功率晶闸管的外形结构有螺栓式和平板式两种。晶闸管的外形和图形符号如图14.17所示。晶闸管有三个电极，阳极A、阴极K和门极G，管芯由四层(P1N1P2N2)三端(A、K、G)半导体构成，有三个PN结，即J1、J2、J3。因此，晶闸管可用三个PN结串联来等效，如图14.18所示；也可以把图14.18(a)中间层的N1和P2分成两部分，构成一个P1N1P2型和另一个N1P2N2型的晶体管互补电路，其等效电路如图14.18(c)所示。4040图14.17 晶闸管的外形和图形符号(a) 塑封式；(

17、b) 螺栓式；(c) 平板式；(d) 图形符号4141图14.18 晶闸管的内部结构及等效电路(a) 内部结构；(b) PN结等效电路； (c) 互补晶体管等效电路42422 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理如图14.19所示。图14.19 晶闸管的工作原理4343从图14.19可看出：(1) 晶闸管阳极必须承受正向电压，这是管子导通的先决条件，因为只有当阳极电压是正向的，互补晶体管才能得到正确接法的工作电源，否则是无法工作的。 (2) 闭合门极开关S，触发电流IG就流入了门极，它相当于给N1P2N2型晶体管的基极输入电流，这是一个强烈的正反馈过程： 这样可使互补晶体管瞬间达到

18、饱和导通，即晶闸管由正向阻断状态转为导通状态。4444(3) 管子一旦导通后，如断开S，IG=0，晶闸管仍能继续导通，其原因是强烈的正反馈电流已取代了IG的作用。45453. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指阳极、阴极电压uA与阳极电流iA的关系，如图14.20所示。图14.20 晶闸管的伏安特性4646图14.20中的UR0为反向击穿电压，URSM为断态反向不重复峰值电压，URRM为断态反向重复峰值电压，UB0为正向转折电压，UDSM为断态正向不重复峰值电压，UDRM为断态正向重复峰值电压。 第象限表示了晶闸管的正向伏安特性。当IG=0时，由于J2结处于反向偏置，因此，晶

19、闸管只能流进很小的正向漏电流，此时，晶闸管处于正向阻断状态，当UA=UB0时，J2结被击穿，电流突然上升，晶闸管由阻断状态变为正向导通状态。使用这种方法使管子导通是不可控的，而且若多次使用这种硬导通方式还会损坏管子。因此，在正常使用时，应有适当的IG流入门极，相应的正向转折电压应远小于UB0。4747第象限表示了晶闸管的反向伏安特性。此时，J1和J3结反偏，晶闸管只能流过很小的反向电流，当反向电压增大到反向击穿电压UR0时，J1和J3结被击穿，晶闸管反向导通，此时功耗很大，晶闸管可能损坏。484814.4.2 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1 电压定额电压定额(1) 正向重复峰值电压UDRM

20、和反向重复峰值电压URRM，表示当门极开路而元件的结温为额定值时，允许重复加在元件上的正(反)向峰值电压。(2) 通态平均电压UF(或UT(AV)，表示晶闸管导通时管压降的平均值，一般在0.4 V1.2 V 之间，管压降愈小，元件功耗愈小。(3) 额定电压UTN，是指元件的标称电压，由生产厂家确定。为了防止工作中的晶闸管遭受瞬态过电压的侵害，在选用晶闸管的额定电压时要留有余量，UTN通常取为晶闸管阳极正常峰值电压UTM的23倍。49492 电流定额电流定额(1) 额定电流IT(AV)，表示晶闸管在规定的环境温度及散热条件下，允许通过的正弦半波电流的平均值。该值由生产厂家确定，考虑到元件的过载能

21、力较弱，通常选IT(AV)= (1.52)KIDm，IDm为可控整流电路输出电流平均值的最大值(A)， K为计算系数。50503 门极定额门极定额 (1) 门极触发电压UGT和电流IGT， IGT表示在室温下晶闸管施加6 V正向阳极电压时，元件由断态转入通态所必需的最小门极电流。对应于IGT的门极电压即为UGT。 (2) 门极反向峰值电压UGRM，门极所加的反向电压应小于其允许电压峰值，通常安全电压为5 V左右。以上参数中，UTN、UF、IT(AV)三个参数是选购晶闸管的主要技术数据。按国家标准，普通晶闸管的型号命名含义如下：515114.4.3 晶闸管整流电路晶闸管整流电路晶闸管整流电路有多种，本节仅介绍最基本的单相桥式全控整流电路，如图14.21(a)所示，所接负载为电阻性负载，下面就分析这种情况。5252图14.21 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路及波形(a) 电路；(b) 波形5353在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周(即a点电位高于b点电位)，若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各自承受u2的一半。若