模拟电子技术(第2版)高吉祥课件chapter8

1、8.1 直流电源的组成 交流电的获得相比从电池、蓄电池化学电源得到要廉价且方便。将电网交流电源经变换、整流、滤波，稳压后组成的直流稳压电源，经济容量范围大，性能优良。单相小功率的直流电源的任务是将220V，50Hz的交流电转换成幅值稳定的直流电压(几伏或几十伏)，同时提供一定的直流电流(几安或几十安)。1电网电压电源 变压器整流电路滤波器稳压 电路负载 小功率稳压电源由电源变压器、整流、滤波、稳压电路等几部分组成。电源变压器:将交流电网电压变为合适的交流电压。整流电路: 将交流电压变为脉动的直流电压。滤波电路:将脉动直流电压转变为平滑的直流电压。稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输

2、 出电压的稳定。虚线代表电源电压增加时的情况28.2 小功率整流滤波电路 利用有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。 整流电路按输入电源相数可分为：（1）单相整流电路 按输出波形又可分为：（1）半波整流电路目前广泛使用的是桥式整流电路。（2）三相整流电路（2）全波整流电路38.2.1整流电路一、单相半波整流电路u2uLuDt2340+在 的正半周，二极管D承受正压而导通。在 的负半周，二极管D承受反压而截止。4IL 主要参数：uL20t1）输出电压平均UL：IL= UL /RL =0.45 U2 / RL 2）输出电流平均Io ：5流过二极管的平均

3、电流：ID = IL二极管承受的最高反向压：2uD0tURM IDIL6原理：变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2二、单相全波整流电路+u2uLuD1t2340uD2 正半周， D1导通，D2截止。 负半周， D2导通，D1截止。7主要参数：ILuL20t1）输出电压平均值UL :2）输出电流平均IL ：IL= UL /RL =0.9 U2 / RL 8流过二极管的平均电流：uL20t D1导通 D2导通 D2导通 D1导通 二极管D1和D2是轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：ID = IL/2uD20t 二极管承受的最高反向压：URM9三、单相桥式整流电路D1、D3导通,D

4、2、D4截止.电流路径 为：aD1RLD3b。abu2uL+u2为正半周时:在负载电阻上正弦波的正半周。u2为负半周时:D1和D3截止，D2 和 D4导通。电流路径为： bD2RLD4a。在负载电阻上得到正弦波的负半周。uL+10 在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图如图所示。单相脉动电压的平均值用直流电压等效。流过负载的平均流：因四个二极管两两轮流导通故流过二极管的平均电流ID=IL/2二极管所承受的最大 反向压为副边电压最大值：uLU211 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压作傅立叶分析。最低次谐波的幅值与平均值的

5、比值称为脉动系数S:基波峰值 输出电压平均值12 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压作傅立叶分析。 谐波分量总称为纹波,它叠加于直流分量之上。常用纹波系数K来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小。即 由(1)和(2)得桥式整流电路的纹波系数（1）（2）13整流变压器副边电压有效值为：整流变压器副边电流有效值为：由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。14例：试设计一台输出电压为24V,输出电流为lA的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有

6、效值为：整流二极管承受的最高反向电压为：流过整流二极管的平均电流为：因此可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为3 A，最高反向工作电压为200V。15例：试设计一台输出电压为24V,输出电流为lA的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：整流二极管承受的最高反向电压为：流过整流二极管的平均电流为：因此可选用四只2CZ11A整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。16集成硅整流桥：u2uL+ +- + 输出电压高，纹波电压较小，晶体

7、管所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。缺点：二极管用得较多。但市场上已有整流桥堆出售。桥式整流电路的优点：17b四、倍压整流电路 VD1导通,VD2截止, 向C1充电，电压极性为右正左负，峰值电压可达 ；在 正半周（a端为正，b端为负):18b四、 倍压整流电路在 负半周（b端为正，a端为负): VD2导通,VD1截止, 向C1充电， +UC1(电容器C1两端电压),向电容器充电,电压极性右正左负,峰值电压为 。 19b四、 倍压整流电路 C1的耐压应大于 ,C2的耐压应大于 。 倍压整流电路一般用于高电压,小电流的直

8、流电源中。 208.2 .2 滤波电路 由于中存在一定的纹波,故需用滤波电路来滤除纹波电压。滤波电路利用电抗性元件的储能作用实现滤波。 一般通过将电容C与负载并联或将电感L跟负载串联来实现。 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。（本节只分析单相桥式整流滤波电路）21假设电路刚好在 由负到零的时刻接通,则 通过VD1和VD3向C充电。电容电压 紧随输入电压 按正弦规律上升至 的最大值。一、电容滤波电路(1)空载(RL=)时:设电容器两端初始电压为零。u2tuLt22一、电容滤波电路(1)空载(RL=)时:设

9、电容器两端初始电压为零。u2tuLtuc=uL故然后 继续按正弦规律下降,当 时,二极管截止,C放电,由于无放电回路,所以 保持。23电源 在向负载RL供电的同时又对电容C充电。电容电压 紧随输入电压 按正弦规律上升至 的最大值。 一、电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t24一、电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t而后 继续按正弦规律下降,当 时，二极管又导通，电容C再次充电。26一、电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t二极管中的电流uc= uLiDt这样循环下去， 周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电,使输出电压脉动减小。 27电容C放电

10、的快慢取决于时间常数(=RLC）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压 就越平坦，平均值也越高。一、电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t二极管中的电流uc= uLiDt28电容滤波电路的特点：RLC 较大u2tiDtuc= uL(2)UL与RLC的关系：RLC愈大C放电愈慢UL(平均值)愈大一般取：(T:电源电压的周期)近似估算: UL=1.2U2(1)整流管导电时间越短 的峰值电流越大29电容滤波电路的特点：(3)图为输出直流电压UL随负载电流IL的变化关系曲线。OC型滤波纯电阻负载负载直流电压随负载电流增加而减小。 电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它

11、的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。C值一定,RL=即空载时,C=0,即无电容时,30（1）滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。 （2）普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。要注意的几点：（3）加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流( )，为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。31 *使用条件：各种电路参数比较：32二、电感滤波电路电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。当 正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后 。波形图中 为交流

12、电源整流后的波形。 33二、电感滤波电路电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感。 因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180。34二、电感滤波电路电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感。输出电压平均值: UL=0.9U2 电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。35例：设计一单相桥式整流、电容滤波电路。要求输出电压 V，已知负载电阻 ，交流电源频率为50Hz，试选择整流二极管和滤波电容器。解：流过整流二极管的平均电流： mA变压器副边电压有效值：V整流二极管承受的最高反向电压：V36例：设计

13、一单相桥式整流、电容滤波电路。要求输出电压 V，已知负载电阻 ，交流电源频率为50Hz，试选择整流二极管和滤波电容器。解：因此可选择2CZ11B作整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为200V。 取 S 则F 37三、其它滤波电路 为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。倒L型滤波电路II型滤波电路和C型滤波电路多用于小功率电源中多用于较大功率电源中(而且当电流很大时仅用一电感器与负载相连)。388.3 硅稳压管稳压电路8.3.1 稳压电路的作用 整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还有相当的距离，主要存在两方面的问题：第一，当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内

14、阻，因此输出直流电压将随之发生变化；第二,当电网电压波动时,因整流电路的输出电压直接与变压器副边电压有关，因此也要相应地变化。 在整流滤波电路的后面再加上稳压电路，以提供更加稳定的直流电源。398.3 .2 硅稳压管的伏安特性 稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。 在反向击穿区，较大的电流变化( ),只会引起较小的电压变化( )。 根据伏安特性，若工作电流太小，例如在零电流附近，则电压随电流的变化很大，即稳压性能不好； 工作电流太大，则由可能超过管子的额定功耗，造成损坏。故稳压管应工作在规定的电流范围内。408.3 .3 硅稳压管稳压电路及稳压过程 UI为整流滤波后所得的直流电压。 为保证工作在

15、反向击穿区，二极管VDZ反接。 电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时，调节R本身压降来保持输出电压基本不变。稳压过程如下:(电网电压波动时）UiUZUoUoURIRIZ418.3 .3 硅稳压管稳压电路及稳压过程 UI为整流滤波后所得的直流电压。 为保证工作在反向击穿区，二极管VDZ反接。 电阻R用来在电网电压波动或负载电流变化时，调节R本身压降来保持输出电压基本不变。稳压过程如下:(负载电流变化时）ILUoURUoIZIR42内阻和稳压系数的估算：(1)内阻RO：直流输入电压UI不变时，输出端的 与 之比。其交流等效电路如图所示。由于一般情况下能够满足 ，故上式可化简为 由此可知， 越小

16、，则稳压电路的内阻 也越小，当负载变化时，稳压电路的稳压性能越好。43内阻和稳压系数的估算：(2)稳压系数 : 不变时，稳压电路的输出电压与输入电压的相对变化量之比。其交流等效电路如图所示。则 当满足 ， 时则 越小, 越大,则 越小,稳压电路的稳压性能越好。44限流电阻的选择： 限流电阻 的阻值必须选择适当，才能保证稳压电路在电网电压或负载变化时，很好地实现稳压作用。当 增大时,稳压管的电流可能减小到临界值以下，失去稳压作用。(1) 太大,则 很小, (2) 太小,则 很大,当 很大或开路时, 都流向稳压管,可能超过其允许定额而造成损坏。 稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻,不能使它的功耗

17、超过规定值，否则会造成损坏！45(1)当电网电压最高和负载电流最小时, 的值最大,此时 不应超过允许的最大值,即 式中 为稳压管的标称稳压值。(2)当电网电压最低和负载电流最大时, 的值最小,此时 不应低于其允许的最小值,即或或46 如以上两式不能同时满足,例如既要求 , 又要求 ,则说明在给定条件下已超出稳压管的工作范围，需限制输入电压 或负载电流 的变化范围,或选用更大容量的稳压管。47,。给定当 由 变到 时,例：在如图所示的硅稳压管稳压电路中,设稳压管的 , , , , , 的变化量为0.35V。试选择限流电阻R；估算在上述条件下的输出电阻和稳压系数。解:由给定条件知48则可取 。电阻

18、上消耗的功率可选200,1W的碳膜电阻(RT-1W-200)。再由给定条件可求得则输出电阻为49估算稳压系数时,取 则 当输出电压不需要调节,负载电流比较小的情况下,硅稳压管稳压电路的效果较好,所以在小型的电子设备中经常采用这种电路。缺点：(1)输出电压由稳压管的型号决定,不可随意 调节。 (2)电网电压和负载电流的变化范围较大时,电路将不能适应。为了改进以上缺点,可以采用串联型直流稳压电路。508.4 串联型直流稳压电路8.4.1 组成和工作原理 串联型直流稳压电路的原理图如图所示,包括四个组成部分。1、采样电阻 由电阻R1、R2、R3组成。当输出电压发生变化时,采样电阻取其变化量的一部分送

19、到放大电路的反相输入端。518.4.1 组成和工作原理2、放大电路 放大电路A的作用时将稳压电路输出电压的变化量进行放大,然后再送到调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大,则只要输出电压产生一点微小的变化,即能引起调整管的基极电压发生较大的变化,528.4.1 组成和工作原理3、基准电压 基准电压由稳压管VDZ提供,接到放大电路的同相输入端。采样电压与基准电压进行比较后,再将二者的差值进行放大。电阻R的作用是保证VDZ有一个合适的工作电流。538.4.1 组成和工作原理4、调整管 当输出电压Uo由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时,其变化量经采样、比较、放大后送到调整管的基极,使调整

20、管的集射电压发生相应的变化。最终调整输出电压使之基本保持稳定。548.4.1 组成和工作原理稳压原理：实质：电压负反馈稳压过程：UI 或ILUoUFUIdUBEICUoUCE558.4.2 输出电压的调节范围 输出电压可以通过改变采样电阻中电位器的滑动端位置在一定范围内调节。R2滑动端向上移动UF增大UBE减小UCE增大Uo减小反之,若R2滑动端向下移动,则Uo增大。568.4.2 输出电压的调节范围 假设放大电路A是理想运放,且工作在线性区,则U+=U-=UZ=UF,而且两个输入端不取电流,则则57 当R2的滑动端调至最上端时, , ,Uo达到最小值,此时 当R2的滑动端调至最下端时, ,

21、,Uo达到最大值,此时58例:设如图所示串联型直流稳压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为UZ7V，采样电阻R1=3K，R2=2K, R3=3K,试估算输出电压的调节范围。解：59解：因此,稳压电路输出电压的调节范围是(11.218.7V)。例:设如图所示串联型直流稳压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为UZ7V，采样电阻R1=3K，R2=2K, R3=3K,试估算输出电压的调节范围。608.4.3 调整管的选择 调整管不仅需要根据外界条件的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳压，还要提供负载所要求的全部电流，因此调整管的功耗比较大，通常采样大功率的三极管。为了保证调整管的安全

22、，在选择三极管的型号时，应对三极管的主要参数进行初步的估算。 假设流过采样电阻的电流为IR，则 1.集电极最大允许电流ICM618.4.3 调整管的选择2.集电极和发射极之间的最大允许反向击穿电电压U(BR)CEO 正常工作时调整管上的压降约为几伏。负载短路时UI全部加在调整管两端。在电容滤波电路中，UI可能接近于变压器副边电压峰值 ,再考虑电网可能有 的波动,因此，根据调整管可能承受的最大反向电压，应选择三极管的参数为 式中 是空载时整流滤波电路的最大输出电压。628.4.3 调整管的选择3.集电极最大允许耗散功率PCM调整管的功耗为故 为保证调整管工作在放大状态，UCE通常为(38)V。故

23、 若为桥式整流、电容滤波电路,并考虑到电网电压可能有 的波动，要求变压器副边电压为638.4.3 调整管的选择 例：如图,要求输出电压UO=(1015V),负载电流IL=(0100)mA,已选定基准电压的稳压管为2CW1,其稳定电压UZ=7V,IZmin=5mA,IZmax33mA。若选用3DD2C,其主要参数:ICM=0.5A,U(BR)CEO=45V,PCM=3W。 假设采样电阻总的阻值选定为2k左右,则R1、R2、R3三个电阻分别为多大？64解： 因故取故则取(电位器)则取65 在确定了采样电阻R1R2R3的阻值以后再来验算输出电压的变化范围是否符合要求,此时 输出电压的实际变化范围为

24、,所以符合给定的要求。 估算电源变压器副边电压的有效值U2；解：稳压电路的直流输入电压的有效值为66取 ，则变压器副边电压的有效值为 估算基准稳压管的限流电阻R的阻值； 解：基准电压支路中的电阻R的作用是保证稳压管VDZ的工作电流比较合适,通常使稳压管中的电流略大于其最小参考电流值IZmin。可认为故基准稳压管的限流电阻应为67 验算稳压电路中的调整管是否安全。 解：根据稳压电路的各项参数,可知调整管的主要技术指标应为 已知低频大功率三极管3DD2C的ICM0.5A，U(BR)CEO=45V,PCM=3W,可见调整管的参数符合安全的要求,而且留有一定的余地。688.4.4 稳压电路的过载保护

25、使用稳压电路时,如果输出端过载甚至短路，将使通过调整管的电流急剧增大,故在实用的稳压电路中通常加有必要的保护电路,以免调整管造成损坏。保护的方法：1. 反馈保护型截流型限流型2. 温度保护型：利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。69 当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如右图所示。 1.限流型保护电路正常稳 压区限流保护70 是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性如右图。 2.截流型保护电路正常稳压区保护电路动作过载后的工作点718.5 集

26、成稳压器 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。三端集成稳压器可调输出固定输出正输出负输出输出直流电压是固定不变的几个电压等级通过外接电阻和电位器使输出直流电压在某一个范围内连续可调728.5.1 三端集成稳压器的组成1.调整管 当电网电压或负载电流波动时,调整自身的集射压降使输出电压基本保持不变。738.5.1 三端集成稳压器的组成2.放大电路 将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较,然后再放大并送到调整管的基极。748.5.1 三端集成稳压器的组成3.基准电源 采用能带间隙式基准源,具有低噪声、低温漂的特点,在单片式大电流集成稳压器中广泛应用。758.5.1 三端集成稳压器

27、的组成4.采样电路 由两个分压组成,它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端。768.5.1 三端集成稳压器的组成5.启动电路 在刚接通直流输入时使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流, 当稳压电路正常工作时断开启动定路,以免影响稳压电路的性能。778.5.1 三端集成稳压器的组成6.保护电路 在W7800系列三端集成稳压器中,已将三种保护电路集成在芯片内部,它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。78 8.5.2 常用的三端集成稳压器的类型及外形类型：W7800系列 稳定正电压 W7805 输出+5V W7806 输出+6V W7808 输出+8V W7812 输出+12V W7815 输出+15V