第十章直流电源

直流电源第十章第十章

直流电源10.1直流电源的组成及各部分作用10.2整流电路10.3滤波电路10.4稳压二极管稳压电路10.5串联型稳压电路10.6开关型稳压电路*第三版童诗白第三版童诗白本章重点和考点：1.重点掌握整流、滤波和稳压的流程及参数的计算。2.掌握串联型稳压电路原理及集成稳压器的使用。本章教学时数：6学时

10.1直流电源的组成及各部分的作用图10.1.1直流稳压电源的方框图电网电压电源变压器整流电路滤波电路稳压电路负载整流：将交流变为直流的过程。滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。10.2整流电路10.2.1整流电路的分析方法及其基本参数优点：使用元件少。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。图10.2.2一、工作原理图10.2.1单相半波整流电路二、主要参数1.输出电压平均值UO(AV)输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值2.负载电流的平均值3.脉动系数单相半波整流的S等于1.57。三、二极管的选择根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。二极管的正向电流等于负载电流平均值二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。可选取用1N4001~1N4003三极管.10.2.2单相桥式整流电路图10.2.4单向桥式整流电路图10.2.5单向桥式整流电路的习惯画法一、单向桥式整流电路的组成在实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单向桥式整流电路二、工作原理(二极管的单向导电性)1.u2>0时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-。2.u2<0时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+。iD1iD2iD3iD4uD3uD4uD1uD2图10.2.6单相桥式整流电路的波形图动画avi\15-1.avi三、输出电压平均值UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV)

脉动系数：四、二极管的选择每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。如何实现正、负电源？将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。三相整流电路图10.2.7利用桥式整流电路实现正、负电源图10.2.8三相整流电路uO1为正；uO2为负变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只接阴极。D1D2D3轮流导通，阳极电位高的D先导通；D4D5D6轮流导通，阴极电位低的D先导通。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RLLRLC10.3滤波电路滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。10.3.1电容滤波电路图10.3.1(a)滤波电路滤波电路滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。滤波电路输出电压波形(b)理想情况下的波形(c)考虑整流电路内阻时的波形动画avi\15-3.avi动画avi\15-2.avi以单向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a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC（电容器的充、放电）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au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且RLC较大）时

(忽略整流电路内阻)u2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形充电放电au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=ucu2时间常数=(RL//Rint)C（小）u2下降，u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLC放电时间常数远远大于充电时间常数，滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好。二、输出电压平均值当负载开路时当RLC＝（3~5)T/2时考虑电网电压波动，电容的耐压值应大于三、脉动系数S

约为10%~20%u2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流充电电流au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC四、整流二极管的导通角二极管的导通角<五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性1.输出特性当滤波电容选定后，输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）的关系。2.滤波特性脉动系数S和输出电流平均值IO（AV）的关系。图10.3.5a电容滤波电路的输出特性图10.3.5b电容滤波电路滤波的特性10.3.2倍压整流电路1.二倍压整流电路iD1iD2图10.3.6二倍压整流电路负载上的电压在理想情况下是变压器副边电压的二倍+_+-+--+u2+-+-+-+-+-适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。图10.3.7多倍压整流电路2.多倍压整流电路10.3.3其它形式的滤波电路一、电感滤波电路L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。二、LC滤波电路输出直流电压为：脉动系数S：适用于各种场合。图10.3.8单相桥式电感滤波电路图10.3.9复式滤波电路(a)三、LC-型滤波电路图10.3.9复式滤波电路(b)四、RC-型滤波电路图10.3.9复式滤波电路(c)适用于负载电流较小的场合适用于负载电流较小的场合三、各种滤波电路的比较表10.3.1各种滤波电路的性能比较序号性能类型UO（AV）/U2适用场合整流管的冲击电流和导通角外特性1电容滤波1.2小电流大/小软2RC-型滤波1.2小电流大/小更软3LC-型滤波1.2小电流大/小软4电感滤波0.9大电流小/大硬5LC滤波0.9适应性较强小/大硬10.4稳压二极管稳压电路10.4.1稳压管稳压电路的组成整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：·负载变化；·电网电压波动。图10.4.1稳压二极管组成的稳压电路

两个基本公式UI＝UR+UOIR＝IDZ+IL稳压管的伏安特性图10.4.2稳压管的伏安特性在稳压管稳压电路中，只要使稳压管始终工作在稳压区，保证稳压管的电流：IZ≤IDZ≤IZM

输出电压UO就基本稳定。10.4.2稳压原理1.UI不变，RL减小RLILURUOIZIR=IL+IZ基本不变2.RL不变，UI升高UIUOIZURUO=UI-

UR基本不变UOUO·电网电压波动；·负载变化。稳压电路应从以下二个方面考察其稳压特性IL综上所述，在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。10.4.3稳压管稳压电路的性能指标一、内阻Ro二、稳压系数Sr三、电压调整率四、电流调整率内阻和稳压系数的估算1.内阻Ro2.稳压系数Sr当rZ<<RL，rZ<<R时，图10.4.3稳压管稳压电路的交流等效电路10.4.4电路参数的选择在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax，输入电压UI的波动范围。1.稳压电路输入电压UI的选择UI＝（2~3）UO2.稳压管的选择UZ＝UOIZM－IZ>ILmax－ILminIZM>ILmax+IZ3.限流电阻R的选择（1）当电网电压最高和负载电流最小时，稳压管IZ的值最大，此时IZ不应超过允许的最大值，即或：（2）当电网电压最低和负载电流最大时，稳压管IZ的值最小，此时IZ不应低于其允许的最小值，即或：IL[例10.4.1]在10.4.1所示的电路中，已知UI＝15V，负载电流为10~20mA；稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZ＝5A，最大稳定电流IZM＝40A动态电阻rZ＝15Ω。（1）求解R的取值范围；解：（1）＝360Ω＝180Ω（2）＝15Ω（3）在允许范围内R的取值应当偏大些。（2）若R＝250Ω，则稳压系数和输出电阻各为多少？（3）为使稳压性能好一些，R的值是大还是小些，为什么？10.5串联型稳压电路稳压二极管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入电压负反馈使输出电压稳定；可通过改变反馈网络的参数使输出电压可调。10.5.1串联型稳压电路的工作原理一、基本调整管电路DZ(a)稳压管稳压电路动画avi\15-4.avi基本调整管电路图10.5.1(b)加晶体管扩大负载电流的变化范围稳压电路图10.5.1(c)常见画法的稳压电路T的工作电源为UI，不稳定“输入信号”为稳定电压UZ在UI变化或负载电阻RL变化时，输出电压基本不变。稳压原理：晶体管的调节作用，T应工作在线性放大状态(CC)。调整管与负载串联串联型稳压电源电路调整管工作在线性区线性稳压电源电路二、具有放大环节的串联型稳压电路基本调整管稳压电路输出电压仍不可调节，且输出电压将因UBE的变化而变化，稳定性较差。1.电路的构成图10.5.2具有放大环节的串联型稳压电路(a)原理电路图电路组成(b)常见画法采样电路：R1、R2、R3；比较放大电路：A；基准电压电路：由R、VDZ提供。调整管：VT；2.稳压原理UIUOUFUIdUBEIB,

ICUCE↑UO图10.5.2具有放大环节的串联型稳压电路动画avi\16-1.avi3.输出电压的可调范围由于U+=U-，UF=UZ，所以当R2的滑动端调至最上端时，UO为最小值当R2的滑动端调至最下端时，UO为最大值，则：图10.5.2串联型直流稳压电路4.调整管的选择一、集电极最大允许电流ICM二、集电极和发射极之间的最大允许电压U(BR)CEO三、集电极最大允许耗散功率PCM≥≥≥四、稳压电路的输入直流电压五、变压器副边电压三、串联型稳压电路的方框图实用的串联型稳压电路至少包括调整管、基准电压电路、取样电路、比较放大电路四个部分组成。此外为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路。图10.5.3串联型稳压电路的方框图动画avi\16-2.avi*10.5.2集成稳压器中的基准电压电路和保护电路一、基准电压电路串联型稳压电路的输出电压取决于基准电压。要求基准电压应具有温度系数为零，输出电阻小，噪声低。1.稳压管基准电压电路图10.5.5稳压管基准稳压电路稳压管具有正温度系数，而晶体管具有负温度系数。能进行温度补偿。电路采用射极输出形式，引入电压负反馈。零温度系数基准电压源电路UREFUREF图10.5.6零温度系数基准电压源电路及等效电路基准电压：UREF=IER2+mUBE在m、n、稳压管的UZ和二极管的UBE的温度系数确定的情况下，只要R1和R2按要求选定，基准电压温度系数则为零。2.能隙基准电压源电路（CJ336/329,MC1403,AD580）UIUREFR3R2R1T1T2T3-++-II2I1图10.5.7能隙基准电压源电路I3UREF＝UgoUgo为硅材料在0K时外推禁带宽度的电压值基准电压与温度无关，从而获得很好的稳定性。二、保护电路R4很小，约为1。负载电流超过某一值后，VT2导通，限制VT1中的电流，保护调整管。保护电路的输出特性：UOILO正常稳压区限流保护1.过流保护电路（限流型）过流时，使调整管发射电流限制在某一数值的电路。图10.5.8(a)图10.5.8(c)在集成稳压器电路内部有各种保护电路，如过流保护、短路保护、调整管安全区保护、芯片过热保护。不适应于大功率电路截流型过流保护电路图10.5.9截流型过流保护电路及其输出特性T1为调整管R0为取样电阻，它与T2、R1和R2构成保护电路保护原理过流时，使调整管发射电流迅速减小到较小数值的电路。2.调整管的安全工作区保护电路3.芯片过热保护电路图10.5.10调整管的安全工作区保护电路图10.5.11芯片过热保护电路集成稳压器电路图恒流源基准电压电路调整电路比较放大减流保护过热保护启动电路取样电路10.5.3集成稳压器电路从外形上看，集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器。固定式稳压电路：W78XX、W79XX。可调式稳压电路：W117、W217、W317。一、W78XX三端稳压器——稳定正电压输出电压有七个等级：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。如W7805，输出+5V；W7809，输出+9V输出电流有三个等级：1.5A、0.5A（M）和0.1A（L）。如W7805，输出+5V；最大输出电流为1.5A；W78M05，输出+5V；最大输出电流为0.5A；W78L05，输出+5V；最大输出电流为0.1A。W79XX系列——稳定负电压1三端集成稳压器的组成图10.5.14W7800的原理框图2.主要参数参数名称符号单位参型号数值7805780678097812781578187824输入电压UIV10111419232733输出电压UOV56912151824电压调整率SU%/V0.00760.00860.010.0080.00660.010.011电流调整率SImV40434552525560最小压差UI-UOV2222222输出噪声UNμV10101010101010输出电阻Rom17171818191920峰值电流IOMA2.22.22.22.22.22.22.2输出温漂STmV/C1.01.01.21.51.82.4输入端和输出端之间的电压允许值为3~13V。二、W117三端集成稳压器1.原理框图2.主要参数10.5.4三端稳压器的应用一、三端稳压器的外形及电路方框图图10.5.16三端稳压器的外形和方框图不同封装形式、正负电源管脚号不同。图(b)(d)为塑料封装式。W78XX123W78XX213LM337213LM317312输出基准电压为1.2~3.7V。二、W78XX应用1.基本应用电路若输出电压较高，接一保护二极管D，以保护集成稳压器内部的调整管。图10.5.17三端集成稳压器基本应用电路23VD2.扩大输出电流VD

的作用：补偿三极管的发射结电压，使电路输出电压等于三端集成稳压器的输出电压。图10.5.18扩大三端集成稳压器的输出电流负载电流的最大值233.提高输出电压图10.5.192323改变R2的大小，可