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文档简介
(8-1)第九章直流稳压电源模拟电子技术基础(8-2)第九章直流稳压电源§9.1直流电源的组成§9.2整流电路§9.3滤波电路§9.4稳压电路(8-3)电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路整流电路: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。§9.1直流电源的组成及各部分的作用(8-4)整流电路的任务:把交流电压转变为直流脉动的电压。§9.2整流电路常见的小功率整流电路,有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。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。(8-5)9.2.1单相半波整流电路u2>0时,二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降:
uo=u2一、工作原理(8-6)u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0时,二极管截止,输出电流为0。uo=0(8-7)图9.2.2半波整流电路的波形图输出电压波形:半波整流仿真(8-8)(1)输出电压平均值Uo(AV):二、主要参数图9.2.3单相半波整流电路
输出电压平均值(8-9)(4)二极管上承受的反向最高电压:(2)负载电流的平均值:(3)二极管电流的平均值:(5)脉动系数S:
S定义:整流输出电压的基波峰值UO1M与平均值UO(AV)之比。(8-10)三、二极管的选择(8-11)9.2.2单相全波整流电路的工作原理u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo:Uo=0.9U2(1)输出电压波形:(2)二极管上承受的最高电压:uo(3)二极管上的平均电流:(8-12)9.2.3单相桥式整流电路桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo一、单相桥式整流电路的组成二、工作原理(8-13)桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路(8-14)u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A
D1RLD3Bu2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压!u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB桥式整流仿真(8-15)图9.2.5单相桥式整流电路的习惯画法(8-16)几种常见的硅整流桥外形:+AC-~+~-~+-~(8-17)1.整流输出电压平均值Uo(AV)3.二极管电流的平均值ID(AV)三、主要参数2.输出电流平均值Io(AV)(8-18)4.反向峰值电压
二极管截止时两端承受的最大反向电压:用傅氏级数对全波整流的输出uo
分解后可得:5.脉动系数S(8-19)四、二极管的选择(8-20)一、二倍压整流电路u2的正半周时:D1导通,D2截止,理想情况下,电容C1的电压充到:u2的负半周时:D2导通,D1截止,理想情况下,电容C2的电压充到:负载上的电压:+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL9.2.4倍压整流电路图9.3.6二倍压整流电路(8-21)+–二、多倍压整流电路+–u2的第一个正半周:u2、C1、D1构成回路,C1充电到:u2的第一个负半周:u2、C2、D2、C1构成回路,C2充电到:C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6(8-22)+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周:u2、C1、C3、D3、C2构成回路,C1补充电荷,C3充电到:u2的第二个负半周:u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路,C2补充电荷,C4充电到:把电容接在相应电容组的两端,即可获得所需的多倍压直流输出。(8-23)§9.3滤波电路滤波电路的结构特点:电容与负载RL并联,或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压原理: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。(8-24)9.3.1电容滤波电路以单相桥式整流电容滤波为例进行分析,其电路如图所示。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(8-25)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–1.RL未接入时(忽略整流电路内阻)u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形仿真(8-26)2.RL接入(且RLC较大)时(忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过RL放电,在整流电路电压小于电容电压时,二极管截止,整流电路不为电容充电,uo会逐渐下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–仿真(8-27)u2tuot电容充电时,电容电压滞后于u2。整流电路的输出电流RLC越小,输出电压越低。3.RL接入(且RLC较大)时(考虑整流电路内阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(8-28)二、输出电压平均值图9.3.3电容滤波电路输出电压
平均值的分析(8-29)根据相似三角形可得(8-30)当当三、脉动系数(8-31)u2t只有整流电路输出电压大于uo时,才有充电电流iD
。因此整流电路的输出电流是脉冲波。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可见,采用电容滤波时,整流管的导通角较小。四、整流二极管的导通角uot整流电路的输出电流iD(8-32)五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性结论:电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。输出波形随负载电阻RL或C
的变化而改变,Uo
和S也随之改变。如:RL愈小(IL
越大),Uo下降多,S增大。(8-33)9.3.2电感滤波电路图9.3.8单相桥式整流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L就构成了电感滤波电路。(8-34)1、滤波原理对直流分量:
XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:
f
越高,XL越大,电压大部分降在XL上。
因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时,输出平均电压约为:2、电感滤波的特点整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。(8-35)电感滤波后的输出电压平均值为输出电压的交流分量为(8-36)图9.3.9复合型滤波电路9.3.3复合型滤波电路(8-37)§9.4稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路串联型稳压电路常用稳压电路(小功率设备)线性稳压电路。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。效率较高,目前用的也比较多,但因学时有限,这里不做介绍。(8-38)9.4.1稳压电路的性能指标(1)稳压系数Sr
稳压系数Sr反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时,输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。当输出电流从零变化到最大额定值时,输出电压的相对变化值。(4)电流调整率SI
(3)输出电阻Ro
(2)电压调整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。(6)输出电压的温度系数ST
如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数(5)纹波抑制比Srip
(8-41)串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–1.电路的构成§9.4.2串联型稳压电路(8-42)T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–调整元件T:与负载串联,通过全部负载电流。可以是单个功率管,复合管或用几个功率管并联。比较放大器:可以是单管放大电路,差动放大电路,集成运算放大器。基准电压:可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。(8-43)T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–
因调整管与负载接成射极输出器形式,为深度电压串联负反馈,故称之为串联反馈式稳压电路。(8-44)一种实际的串联型稳压电源2.稳压原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ)UC2Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UCE1(8-45)3.输出电压的可调范围R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(8-46)4.调整管的选择R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(8-47)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只有输入,输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器,其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图,稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内,电路内部附有短路和过热保护环节。5.三端集成稳压器(8-48)1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形123(8-49)注:型号后XX两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX(8-50)
一、输出为固定电压的电路应用电路输出为固定正压时的接法如图所示。注意:输入与输出端之间的电压不得低于3V!+_W7800系列稳压器基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1µF(8-51)二、输出正负电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO(8-52)COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX:为W78XX固定输出电压
UO=UXX+UZ三、提高输出电压的电路(8-53)四、输出电压可调式电路用三端稳压器也可以实现输出电压可调,下图是用W7805组成的7-30V可调式稳压电源。W7805132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1µ(8-54)(UXX=5V)运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低,可以克服稳压器受输出电流变化的影响。132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1µW7805Uo19.4.3开关型直流稳压电路一、开关型稳压电路的特点和基本原理二、串联开关型稳压电路三、并联开关型稳压电路一、开关型稳压电源的特点及基本原理
线性稳压电源:结构简单,调节方便,输出电压稳定性强,纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态,因而功耗大,效率低(20%~49%);需加散热器,因而设备体积大,笨重,成本高。若调整管工作在开关状态,则势必大大减小功耗,提高效率,开关型稳压电源的效率可达70%~95%。体积小,重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。构成开关型稳压电源的基本思路:
将交流电经变压器、整流滤波得到直流电压↓控制调整管按一定频率开关,得到矩形波↓滤波,得到直流电压引入负反馈,控制占空比,使输出电压稳定。AC→DC→AC→DC二、串联开关型稳压电路
T截止,D导通,uE≈-UD;L
释放能量,C放电。T、D均工作在开关状态
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