第六章直流电源

第6章直流电源

■直流电源的组成

■单相整流电路

■单相可控整流电路■滤波电路■串联型晶体管稳压电路■集成稳压器

■开关电源内容提要第一节

直流电源的组成

电源变压器

整流电路

滤波电路

稳压电路

直流电源的组成框图直流电源组成的四部分的作用电源变压器：将电网提供的220V交流电压变换到所需要的交流电压范围，并对直流电源与电网起隔离作用。整流电路：将变压器变换后的交流电压变为单向的脉动直流电压。滤波电路：滤除直流电压中的纹波成分。稳压电路：当电网电压波动及负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。第二节单相整流电路将正负交替变化的交流电压变成单方向的脉动电压的过程，称为整流。负载上得到的电压平均值为UL=Uo=0.45U2负载中通过的电流平均值为在选用二极管时应使，IF>IL。工程上，通常选UR≥2，IF≥(1.5~2)IL的二极管。单相半波整流电路特点：结构简单，但变压器利用率低、脉动大。

单相半波整流电路和波形单相半波整流电路单相半波整流输出波形输入波形整流二极管负载单相桥式全波整流电路及波形整流桥负载输入波形输出波形单相桥式全波整流电路负载上直流电压UL=0.9U2，负载中的电流。二极管的选择原则为；。桥式整流电路特点：在负载得到相同的直流电压情况下，电源利用率提高，输出电压波动小。目前器件生产厂商常将整流二极管集成在一起构成桥堆。第三节单相可控整流电路可控硅(SCR)：又名晶闸管或半导体闸流管，是一种大功率半导体开关器件，也是可控整流元件。按其特性分为单向晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管等；按电流容量分为大功率(>1000A)、中功率(100~1000A)和小功率(<100A)晶闸管；从外形分平板式、螺栓式和塑封式。单向晶闸管有三个电极，即阳极A，阴极K，门极（控制极）G。晶闸管导通必须同时具备两个条件：一是阳极和阴极之间加正向电压；二是控制极加上一定幅度的正触发脉冲。单向晶闸管的伏安特性曲线曲线可分为四个工作区：反向击穿区反向阻断区正向阻断区正向导通区通常绝大多数晶闸管应用电路均工作于正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管的主要参数

正向阻断峰值电压UDRM：在额定结温，控制极断开和晶闸管正向阻断情况下允许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压。反向阻断峰值电压URRM：在控制极断开的情况下，允许重复加到晶闸管阳极与阴极间的反向峰值电压。额定正向平均电流IF：在规定的散热条件下，晶闸管的阳极与阴极之间允许连续通过工频(50Hz)正弦半波电流的平均值。维持电流IH：在规定的环境温度和门极断开的情况下，维持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流。当晶闸管的阳极电流小于此值时，晶闸管将自行关断。单相半波可控整流电路及波形由图可见，在晶闸管承受正向电压期间，改变控制极触发脉冲uG加入的时刻（称为触发脉冲的移相），可以实现对输出电压的调节。图中，α为控制角，指从晶闸管开始承受正向电压（输入电压正半周过零的时刻）到触发脉冲加入时刻之间所对应的角度，α的有效变化范围称为移相范围。而导通角θ是指晶闸管在一个周期内导通时所对应的角度。显然α+θ=180°。单相半波可控整流电路输出电压的平均值为：当控制角α=0°时，成为半波整流电路。晶闸管承受的最大正、反向电压为。考虑到安全系数2~3倍，工程上一般选额定电压为（2~3）以上的晶闸管。单相半波可控整流电路的特点：优点是电路简单，元件用得少，调整安装方便，缺点是输出电压低，脉动大。适用于小容量的可控直流电源。单相桥式可控整流电路及波形左图为一单相桥式可控整流电路原理图及工作波形图。由图可见，单相桥式可控整流电路的直流输出电压平均值为单相半波的两倍。两只晶闸管和两只二极管承受的最大正、反向电压都为单相桥式可控整流电路选择晶闸管的额定电压UT为：晶闸管的额定正向平均电流近似为第四节滤波电路

电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路如上图所示，负载两端并联的电容为滤波电容，利用电容的充放电作用，使负载电压、电流趋于平滑，且电路的放电时间常数RLC越大，放电就越慢，负载上得到的UL就越平滑。电容滤波电路适合负载电流较小的场合。一般情况下，桥式整流可按下式来选择C的大小：RLC≥(3~5)T/2式中，T为输入交流电压的周期。电容器耐压应大于，通常取(2~3)。工程估算负载两端电压：UL=1.2U2。几点说明：

电感滤波电路电路电感滤波电路如上图所示，负载两端电压UL≈0.9U2，电感滤波适用于大功率整流设备和负载电流变化大的场合。一般来说，电感越大滤波效果越好，常取几亨利到几十亨。第五节串联型晶体管稳压电路采样电路：由分压电阻R1、R2组成；基准电压电路：由稳压管V3和限流电阻R3组成；比较放大电路：由晶体管V1和R4（或集成运放）构成；电压调整电路：由工作于线性状态的晶体管V2构成。稳压过程可表示为：Ui↑→Uo↑→UBE1↑→IB1↑→IC1↑→UC1↓→UB2↓→IB2↓→IC2↓→UCE2↑→UO↓同理，当Uo降低时，通过电路的反馈作用也会使Uo保持基本不变。工作原理输出电压为改变R1或R2的大小，就可调节输出电压Uo第六节集成稳压器

集成稳压器是指将直流稳压电路的调整管、稳压管、比较放大器和多种保护电路集成到一块芯片上的单片集成稳压电源。它的特点是体积小、可靠性高、使用简单安全。三端集成稳压器：三个外部接线端子，即输入端、输出端和公共端。三端稳压器可分为固定式和可调式两类。固定三端稳压器：主要有两个系列LM78XX系列、LM79XX系列。固定三端稳压器典型应用电路图中Ci用以减小纹波以及抵消输入端接线较长时的电感效应，防止自激振荡，并抑制高频干扰，一般取0.1~1μF。同时Ci和Co应紧靠集成稳压器安装。可调三端稳压器基本应用电路基准电压其典型值为1.25v调节电位器RP可改变R2的大小，从而调节输出电压Uo大小。电流典型值为IREF=50μA第七节开关电源

开关电源的特点：效率高，调整管的功耗很小，重量轻；电网电压波动适应能力强。控制电路比较复杂，输出电压中纹波和噪声成分较大。开关电源按控制的方式分类：脉冲宽度调制型(PWM)，脉冲频率调制型(PFM)，混合调制型，按是否使用工频变压器来分类：低压开关稳压电路、高压开关稳压电路。按激励的方式分类：自激式、他激式。电路框图图示为串联式开关电源的组成框图，图中包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大器、基准电压和采样电路等组成部分。D为占空比——即调整管的导通时间ToN与开关周期T之比。在一定的直流输入电压Ui之下，通过改变占空比D就可改变输出电压，占空比D愈大，则开关电源的输出电压Uo愈高。几点说明：对于脉冲调宽式开关电源来说，其输出电压为本章小结直流电源的组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。单相整流电路：单相半波整流电路、单相桥式全波整流电