《电工电子技术及应用》课件-第11章

第11章直流稳压电源11.1直流稳压电源的组成

11.2整流电路的分类及原理11.3滤波电路的分类及原理

电路中的负反馈11.4稳压电路的分类及原理11.5仿真实验习题11

11.1直流稳压电源的组成

图11.1.1为小功率直流稳压电源的原理框图,它清晰地表述了直流电是怎样由交流电转换过来的。图中各环节的功能如下。图11.1.1小功率直流稳压电源原理框图

变压环节:变压环节主要是一个降压变压器。该环节将来自于电网的工频交流电的电压变换为符合整流需要的交流电压。

整流环节:该环节是利用具有单向导电性的器件,将交流电压变换成单方向脉动的直流电压。这个环节可以用单相半波整流、单相桥式整流、三相半波整流、三相桥式整流等。

滤波环节:该环节的作用是滤掉脉动直流电中的脉动成分(交流分量),保留直流分量。通过滤波环节后的直流电趋向平滑。这个环节可以用电容滤波、电感滤波、电感电容滤波、π型滤波等。

稳压环节:该环节可以使输出的直流电压更稳定。这个环节可以用稳压二极管进行稳压、也可以用三端集成稳压芯片进行稳压,要求更高的话还可以用开关稳压电路进行稳压。

如果对直流电压的稳定程度要求不高,此环节可以不用。

11.2整流电路的分类及原理

11.2.1单相半波整流电路1.结构图11.2.1给出了单相半波整流电路的电路图。它是最简单的整流电路,由整流变压器T、整流二极管VD和负载电阻RL组成。图11.2.1单相半波整流电路图11.2.2单相半波整流电路波形图

4.整流二极管的选择

在选择整流二极管的型号时,要根据二极管承受的最大反向峰值电压UDRM和流过二极管的平均电流IVD

来确定。选管时要求整流二极管额定电流IOM>IVD,整流二极管额定电压URWM>UDRM。

11.2.2单相桥式整流电路

1.结构

图11.2.3给出了单相桥式整流电路常见的几种画法。该电路由一个变压器、四个整流二极管、一个负载构成。目前市场上已有封装好的整流桥售卖,它是将四个整流二极管封装在一个集成块中,称为硅桥堆,其实物图如图11.2.4所示。图11.2.3单相桥式整流电路常见画法图11.2.4常见硅桥堆实物图

单相桥式整流电路的波形如图11.2.5所示。从图11.2.5可知,输出的电压波形同样是单方向的,但是电压随时间的变化而变化,因此输出电压同样为脉动的直流电。图11.2.5单相桥式整流电路波形图

3.公式

通过图11.2.5可知,单相桥式整流电压的平均值为

流过负载的整流电流的平均值为

流过每个整流二极管的电流平均值为

每个整流二极管承受的最大反向峰值电压为

变压器副边电流有效值为

例11.2.1图11.2.3所示单相桥式整流电路,已知交流电网电压为220V,负载电阻RL=30Ω,负载电压Uo=50V。试求变压器的变比和容量,并选择二极管。

解变压器副边电压有效值

考虑到变压器副绕组及二极管上的压降,变压器副边电压一般应高出5%~10%,即取

每只二极管承受的最高反向电压

整流电流的平均值

流过每只二极管的电流平均值

可选用二极管2CZ11A,其最大整流电流为1A,反向工作峰值电压为100V。

变压器变比为

变压器副边电流有效值

变压器容量为

11.2.3常见整流电路总结

整流电路除了上述的单相半波整流电路、单相桥式整流电路外,还有其他一些整流电路,这些整流电路的结构、波形、计算公式如表11.2.1所示

11.3滤波电路的分类及原理

11.3.1电容滤波电路1.结构电容滤波电路是最简单的滤波电路。其结构如图11.3.1所示,它在整流电路的负载两端并联一个电容器C,利用电容上电压不能突变的原理进行滤波。图11.3.1单相半波整流电容滤波电路

2.原理

电容滤波电路的滤波过程及波形如图11.3.2所示。设电容器事先未充电,在电源电压u的正半周时,二极管VD受正压导通,电源电压一方面给电容C充电,一方面给负载RL提供能量。电容C上的电压就是负载RL上的电压,若忽略二极管VD的压降,则uo

=u。当电源电压在正半周达到峰值后开始按照正弦规律下降,电容C放电,由于电容C的放电速度慢于电源电压正弦下降速度,因此当电源电压正弦下降到A点以后,uC>u,二极管VD受反压而关断,电容C向负载RL

放电,负载RL

上电压就是电容C指数放电电压uo=uC。

这个状态一直维持到电源的下一个正半周的B点,B点以后,uC<u,二极管VD受正压再次导通,电源电压又开始给电容C充电的同时向负载RL提供能量,uo=u。如此反复循环上述过程,得到图11.3.2所示波形。

图11.3.2单相半波整流电容滤波电路波形

3.Uo的大小及电容C的选择

从图11.3.2所示波形上看,由于电容的不断充放电,使得输出电压的脉动大大减小,而且输出电压的平均值有所提高。输出电压的平均值Uo

的大小与电容C的充放电快慢有关,

而电容C的充放电快慢由τ=RL

C决定。RL

越大或C越大,充电越慢,Uo

越高。考虑极限情况,当RL

=∞时,电容C无放电回路,电容C上电压充到电源电压的峰值后无法放电,则电容C上电压维持这个峰值,即Uo

=UC=2U,输出电压平滑无脉动。

当RL=0时,电容C放电很快,则电容C开始放电的起点A下移到电源正半周的过零点,此时输出电压几乎和没

有滤波一样,Uo=UC=0.45U,输出电压脉动大,此时带负载能力差。在工程上一般采用经验值估算Uo的大小,当满足RLC≥(3~5)T/2(式中,T为电源电压的周期)时,输出电压的平均值为

例11.3.1图11.3.3为单相桥式整流滤波电路,已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL=200Ω,要求直流输出电压Uo=100V,选择整流二极管及滤波电容器。图11.3.3单相桥式整流滤波电路

解(1)选择整流二极管。

流过二极管的电流

变压器副边电压的有效值

二极管承受的最高反向电压

(2)选择滤波电容器。

取RLC=5×T/2,则

则

可选用C=250μF、耐压为200V的极性电容器。

电容滤波一般适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。

11.3.2电感滤波电路

图11.3.4所示为单相桥式整流电感滤波电路。它利用流过电感的电流不能突变的特点来达到使得输出电流平滑的目的。另外,根据电感的频率特性可知,频率越高,电感上的感抗越大,则整流电路输出电压中的交流成分大部分降在电感上,而电感对于直流电来讲相当于短路,因此整流电路输出电压中的直流成分全降在负载电阻上。工程上认为,该电路输出电压为

电感滤波电路一般适合于大电流或负载变化较大的场合。图11.3.4单相桥式整流电感滤波电路

11.3.3电感电容滤波电路

图11.3.5所示为单相桥式整流电感电容滤波电路。首先由于电感的存在,交流分量大部分降在了电感上,输出电压中的交流成分较小,然后在电容和负载并联的回路中,再进一步滤掉交流分量。这样,使得输出的直流电压更加平滑。这种滤波电路对于大、小负载均能达到很好的滤波效果。电感电容滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合,用于高频时更为合适。图11.3.5单相桥式整流电感电容滤波电路

11.3.4π型滤波电路

图11.3.6所示为π型CLC滤波电路。此电路是为了使输出电压的波形更加的平滑,因此在LC滤波电路前面再并联一个电容进行滤波。但是由于电感体积大且笨重,成本又高,因此在负载电流较小的场合,常常用电阻代替电感,构成了如图11.3.7所示的π型CRC滤波电路。图11.3.6π型CLC滤波电路图11.3.7π型CRC滤波电路

在π型CRC滤波电路中,整流输出的脉动电压首先通过C1进行滤波,C1两端电压的交流分量通过电阻R和电容C2、负载RL

并联的阻抗分压,由于电容的交流阻抗很小,所以交流分量绝大部分降在电阻R上,因此输出电压中交流分量大大地减少。对于直流分量,C2相当于开路。当RL

远远大于R时,直流电压绝大部分降落在负载电阻RL

上。在该电路中R和C的值越大,滤波效果越好,但R太大,将使得直流电压降增加,因此该电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。

11.4稳压电路的分类及原理

11.4.1稳压二极管稳压电路图11.4.1为典型的稳压二极管稳压电路。稳压电路由稳压管VDZ和限流电阻R构成。当电网电压波动或负载电流变化时,通过调节R上的压降来保持输出电压基本不变。图11.4.1典型的稳压二极管稳压电路

1.原理

(1)当负载RL不变,电网电压增加导致输出电压Uo增加时,稳压原理如下:

由此可见,输出电压得到了调整,基本稳定。反之亦然。

(2)当电网电压不变,负载RL减小(Io增加)时,稳压原理如下:

从分析可见,负载的减小不会使输出电压改变。反之亦然。

通过上述的分析可见,稳压管起到了电流调节的作用。输出电压的微小变化,会导致稳压管中电流的较大变化,通过限流电阻的压降来对输出电压进行调整,使其稳定。

2.参数选择

1)稳压管选择

针对稳压管,一般选择

2)限流电阻选择

在图11.4.1中,限流电阻R是重要的元件,阻值的适当选择可以使电路实现很好的稳压作用。若R值过大,则IR过小,当Io增大时,由IR=IZ+Io可知,IZ

会很小,使得稳压管的电流降低到稳压管的稳压临界值以下,从而失去了稳压管的稳压作用。若R值过小,则IR过大,当负载RL

很大或开路时,IR都流向稳压管,稳压管可能会烧坏。因此,稳压管正常工

作必须满足下列关系:

当电网电压最高并且负载电流最小时,IZ的值最大,此时IZ不能超过允许的最大值,即

式(11.4.4)和式(11.4.5)中,Uimax为电网电压最高时的整流输出电压,ILmin

为负载电流最小值,IZmax

为稳压管允许的最大工作电流,UZ为稳压管的标称稳压值,Uimin为电网电压最低时的整流输出电压,ILmax

为负载电流最大值,IZmin为稳压管允许的最小工作电流。

例11.4.1如图11.4.1所示稳压电路,如果负载RL由开路变到2kΩ,整流滤波后的电压Ui=30V,若要求输出的直流电压Uo=10V,试确定稳压管VDZ型号。

解由(11.4.2)可知,UZ=Uo=10V。

负载由最大值开路变为最小值2kΩ,则负载的电流就从0A变为最大值,此最大值为

由(11.4.3)可知,IZmax=3Iomax=15mA。

选稳压管2CW18。该管稳定电压10~12V,稳定电流5mA,最大稳定电流20mA。

11.4.2三端集成稳压器稳压电路

图11.4.2是广泛使用的塑料封装的W78XX系列和W79XX系列三端集成稳压器的外形和管脚图。W78XX系列集成稳压器输出正电压,W79XX系列集成稳压器输出负电压。对于具体的器件,“XX”用数字表示,表示输出电压值,如W7805表示输出稳定电压为+5V,W7905表示输出稳定电压为-5V。W78XX系列和W79XX系列集成稳压器的输出电压系列有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等,最大输出电流有1.5A。使用时除了要注意输出电压和最大输出电流外,还要注意输入电压的大小。输入电压的绝对值至少要高于输出电压2~3V,但也不能超过最大输入电压(一般为35V左右)。

三端集成稳压器的输出电压有可调和固定两种形式,上述的W78XX系列和W79XX系列集成稳压器就是输出电压固定形式的。输出电压可调式的可通过外接元件,在较大范围内调节输出电压,常用的有W317系列和W337系列。W317系列输出可调正电压,W337系列输出可调负电压。

三端集成稳压器的应用十分方便、灵活。下面介绍几种常用的电路。图11.4.2W78XX系列和W79XX系列稳压器外形和管脚图

1.基本输出电路

图11.4.3为输出固定正电压的电路,图11.4.4为输出固定负电压的电路。其中,Ui为整流滤波后的直流电压;Ci用来抵消输入端接线较长时的电感效应,防止产生自激振荡,即用以改善波形,一般取值为0.1~1μF;Co是为了瞬时增减负载电流时,不致引起输出电压有较大的波动,即用来改善负载的瞬态响应,一般取值为1μF。图11.4.3输出固定正电压电路图11.4.4输出固定负电压电路

2.同时输出正负电压电路

图11.4.5为一个双向稳压电路。利用W7815和W7915两个三端集成稳压器,可构成同时输出+15V和-15V两种电压的双向稳压器。图11.4.5双向稳压电路

3.提高输出电压电路

图11.4.6为一种可提高输出电压电路。图中UXX为W78XX集成稳压器的固定输出电压,UZ为稳压管VDZ的标称稳压值,则图11.4.6提高输出电压电路1

也可采用图11.4.7所示的电路提高电压。这种电路中的电阻R1

和R2

为外接电阻,R1

两端的电压为三端集成稳压器的额定输出电压UXX

,R1

上流过的电流为IR1

=UXX

/R1

,三端集成稳压器的静态电流为IQ,等于两个电阻上电流之和。此稳压电路的输出电压在忽略集成稳压器静态电流的情况下,有图11.4.7提高输出电压电路2

4.提高输出电流电路

图11.4.8为可提高输出电流电路。当所需的负载电流Io超过稳压器的最大输出电流IOM时,可以采用外接功率三极管VT的方法扩大电路的输出电流。当Io较小时,UR

较小,VT截止,IC

=0,此时不需要扩流。当Io>IOM

时,UR

较大,VT导通,Io=IOM+IC

,此时进行了扩流。其中,R为采样电阻,可由功率管VT的UBE和稳压器的IOM

确定,即R≈UBE

/IOM。图11.4.8提高输出电流电路

5.三端可调式集成稳压器

图11.4.9为塑料封装的三端可调式集成稳压器CW117和CW137的引脚图。三个引脚端分别为输入端、输出端和调节端。在输出端与调节端之间具有1.25V基准电压。这种三端可调式集成稳压器既保持了三端的简单结构,又能在1.

25~37V的范围内连续可调。图11.4.9CW117和CW137引脚图

CW117的基本接线图如图11.4.10所示。其中,C用于滤去R2两端的纹波电压,接入的R1和R2使得输出电压可调。通过分压公式可知

由式(11.4.10)可知,改变R1和R2的比值,就可实现输出电压的1.25~37V可调。另外,CW137的输入输出电压均为负值,其应用电路与CW117的应用电路类似,可以对应

套用。图11.4.10CW117三端可调式集成稳压器基本电路

11.4.3开关型稳压电路

前述稳压器内部的调整晶体管工作在线性放大状态,功率损耗大,电源效率低,通常只有30%~50%。为了克服这个缺点,随着科学技术的进一步发展,出现了开关型稳压器。该

电路中使用的晶体管工作在饱和导通和截止两种开关状态,管耗小,电源效率大大提高,电源效率可达80%~90%,其体积小、质量轻,在电气、电子设备中得到广泛应用。

1.MAX668升压稳压电源

MAX668是MAXIM公司的产品,被广泛用于便携产品中。它具有低的静态电流(220μA),工作频率可调(100~500kHz),输入电压范围3~28V,输出电压可高至28V。

该芯片具有10个引脚。

引脚1———LDO:内置5V线性稳压器输出,该引脚应该接1μF的陶瓷电容。

引脚2———FREQ:工作频率设置。

引脚3———GND:模拟地。

图11.4.11给出了MAX668芯片用于升压的典型电路,该电路把5V电压升压成12V电压。该电路在输出电流为1A时,转换效率高于92%。图11.4.11MAX668芯片典型升压电路

2.LT3481降压稳压电源

LT3481芯片是一款超高频的单片降压稳压电源。它的输出电压达到3.6~36V,输出电流达到2A,输出纹波很小,工作频率200kHz~2.8MHz。

LT3481芯片具有11个引脚。

引脚1———BD:接升压二极管阳极。

引脚2———BOOST:用于给内部NPN晶体管提供驱动电压。

引脚3———SW:内部功率开关的输出端子。外接电感及回流二极管,BOOST电容也接于此端。

引脚4———VIN:供电端。使用时需并接旁路电容。

引脚5———RUN/SS:关断控制。接地,则关断芯片输出;接到2.3V以上,则芯片正常工作;若不用此功能,将其接到VIN端。

引脚6———PG:内部比较器的开路集电极输出端子。在最终稳定电压的10%以内时,PG为低电平,在VIN端及RUN/SS端升到3.5V以上时,PG才有输出。

引脚7———BIAS:支持LT3481内部的供电稳压器。

引脚8———FB:输出电压反馈端。外接电阻分压器,此端电压等于内部基准电压1.265V。

引脚9———VC:内部误差放大器的输出端。外接一个RC网络,从而形成补偿环路。

引脚10———RT:振荡频率设置。外接一个电阻到GND,设置工作频率。

引脚11———GND:外壳接地端。

图11.4.12给出了LT3481芯片用于降压的典型电路,该电路可将6.3~34V电压降为5V的直流稳压电输出。图11.4.12LT3481芯片典型降压电路

11.5仿真实验

我们对典型的+15V稳压电源进行仿真实验,搭建的仿真电路图如图11.5.1所示。从元件库中找到相关的交流电源、整流桥、变压器、电容、稳压器;从仪器库里找到万用表。再进行线路的连接和参数的设置,启动仿真后,从图11.5.2所示的万用表中可以看到输出的直流电压在15V左右,交流电压在600nV左右,交流分量很小,由此,可以说这种典型的稳压电源输出电压基本稳定。图11.5.1仿真电路图图11.5.2万用表

习题11

11.1单相桥式整流电路,已知交流电网电压为220V,负载电阻RL

=9Ω,负载平均电压Uo

=9V。试求变压器的副边电压有效值、整流二极管上最高反向电压及流过二极管的电流平均值。11.2单相桥式整流电路,已知负载平均电流IL＝100mA,负载平均电压Uo=20V。试求变压器的副边电压有效值。若电网电压波动范围为±10%,则在选择整流二极管时,确定最大平均电流和最高反向电压的下限值。

11.3电路如题11.3图所示,试求输出电压Uo1、Uo2及各个二极管承受的最高反向电压。题11.3图

11.4单相桥式整流滤波电路,已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL=100Ω,要求直流输出电压Uo=50V。试确定整流二极管上最高反向电压、流过二极管的电流平均值及滤波电容器的电容值。

11.5单相桥式整流滤波电路,已知交流电源频率f50Hz,变压器二次侧电压有效值为20V,电网电压波动范围为±10%,电容的容量满足RLC=(3~5)T/2,负载电阻RL=40Ω。试求整流二极管上最高反向电压、流过二极管的电流平均值及滤波电容器的电容取值范围。

11.6电路如题11