电路-电容滤波电路演示幻灯片.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电源,整流电路,是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。,滤波电路,是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。,稳压电路,对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。,电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。,1,单相桥式整流电路,(1)工作原理,当正半周时二极管,D,1,、D,3,导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。,当负半周时二极管,D,2,、D,4,导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。,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。,小功率整流滤波电路,2,动画5-1,3,动画5-2,4,(2)负载上的直流电压和直流电流,输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。,输出平均电压为,流过负载的平均电流为,流过二极管的平均电流为,二极管所承受的最大反向电压,5,滤波电路,滤波的基本概念,滤波电路,利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，,实现滤波。,电容器,C,对直流开路，对交流阻抗小，所以,C,应该并联在负载两端。,电感器,L,对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此,L,应与负载串联。,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。,6,电容滤波电路,单相桥式电容滤波整流电路。,在负载电阻上并联了一个滤波电容,C,。,7,当,v,2,到达90,时,，,v,2,开始,下降。先假设二极管关断，,电容,C,就要以指数规律向,负载,L,放电。指数放电起,始点的放电速率很大。,(1)滤波原理,若电路处于正半周，二极管,D,1,、D,3,导通，变压器次端电压,v,2,给电容器,C,充电。此时,C,相当于并联在,v,2,上，所以输出波形同,v,2,，,是正弦形。,电容滤波波形图,所以，在,t,1,到,t,2,时刻，二极管导电，,充电，,v,C,=,v,L,按正弦规律变化；,t,2,到,t,3,时刻二极管关断，,v,C,=,v,L,按指数曲线下降，放电时间常数为,R,L,C,。,在刚过90,时,，正弦曲线下降,的速率很慢。所以刚过90,时,二极管仍然导通。,在超过90,后的某个点,，正弦曲线下降的,速率越来越快，二极管关断。,8,需要指出的是，当,放电时间常数,R,L,C,增加时，,t,1,点要右移，,t,2,点要左移，,二极管关断时间加长，,导通角减小，见曲线3；,反之，,R,L,C,减少时，导通,角增加。显然，当,L,很,小，即,I,L,很大时，电容滤,波的效果不好，见,滤波曲线,中的2。反之，当,L,很大，,即,I,L,很小时，尽管,C,较小,R,L,C,仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,电容滤波的效果,9,需要指出的是，当,放电时间常数,R,L,C,增加时，,t,1,点要右移，,t,2,点要左移，,二极管关断时间加长，,导通角减小，见曲线3；,反之，,R,L,C,减少时，导通,角增加。显然，当,L,很,小，即,I,L,很大时，电容滤,波的效果不好，见,滤波曲线,中的2。反之，当,L,很大，,即,I,L,很小时，尽管,C,较小,R,L,C,仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,问题：,有,无,L,即空载，此时,V,C,=,V,L,=？,电容滤波的效果,10,动画5-3,11,动画5-4,12,(2)电容滤波的计算,电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：,一种是用锯齿波近似表示，即,另一种是在,R,L,C,=(3,5),T/,2,的条件下，近似认为,V,L,=,V,O,=1.2,V,2,。（,或者，,电容滤波要获得较好的效果，,工程上也,通常应满足,R,L,C,610。）,13,（3）外特性,整流滤波电路中，输出直流电压,V,L,随负载电流,I,O,的变化关系曲线。,整流滤波电路的外特性,14,电感滤波电路,利用储能元件电感器,的电流不能突变的性质，把电感,与整流电路的负载,L,相串联，也可以起到滤波的作用。,电感滤波电路 波形图,当,v,2,正半周时，,D,1,、D,3,导电，,电感中的电流将滞后,v,2,。,当负半周时，,电感中的电流将经由,D,2,、D,4,提供。因,桥式电路的对称性，和电感中电流的,连续性，四个二极管,D,1,、D,3,；D,2,、,D,4,的导通角都是180,。,15,稳压电路概述,稳压电源方框图,引起输出电压变化的原因是,负载电流的变化,和,输入电压的变化。,负载电流的变化会,在整流电源的内阻上产生电压降，,从而使输入电压发生变化。,16,稳压电路的技术指标,用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。,V,I,和,I,O,引起的,V,O,可用下式表示,(1)稳压系数,S,r,定义为,有时稳压系数也用下式定义,17,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,S,I,(3)输出电阻,R,o,(2)电压调整率,S,V,一般特指,V,i,/,V,i,=10%,时的,S,r,18,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,S,T,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,S,rip,19,硅稳压二极管稳压电路的原理,它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,(1),当输入电压变化时如何稳压,由图可知,输入电压,V,I,增加，必然引起,V,O,的增加，即,V,Z,增加，从而使,I,Z,增加，,I,R,增加，使,V,R,增加，从而使输出电压,V,O,减小。这一稳压过程概括为：,V,I,V,O,V,Z,I,Z,I,R,V,R,V,O,20,(2),当负载电流变化时如何稳压,负载电流,I,L,增加，必然引起,I,R,的增加，即,V,R,增加，从而使,V,Z,=,V,O,减小，,I,Z,减小。,I,Z,的减小必然使,I,R,减小，,V,R,减小，从而使输出电压,V,O,增加。这一稳压过程概括为：,I,L,I,R,V,R,V,Z,（,V,O,）,I,Z,I,R,V,R,V,O,21,稳压电阻的计算,稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击,穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻,R,的阻值大小有关。,稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻,R,越大,，,稳压性能越好。,稳压电阻,R,的作用,将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，,从而起到调节作用，同时,R,也是限流电阻。,显然,R,的数值越大，较小,I,Z,的变化就可引起足够大的,V,R,变化，就可达到足够的稳压效果。,但,R,的数值越大，就需要较大的输入电压,V,I,值，损耗就要加大。,22,稳压电阻的计算,当,输入电压最小，负载电流最大,时，流过稳压二极管的电流最小。此时,I,Z,不应小于,I,Zmin,，,由此可计算出,稳压电阻的最大值,，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即,当,输入电压最大，负载电流最小,时，流过,稳压二极管的电流最大。此时,I,Z,不应超过,I,Zmax,，,由,此可计算出,稳压电阻的最小值,。即,(1),(2),稳压二极管在使用时,一定要串入限流电阻，不,能使它的功耗超过规定值，,否则会造成损坏！,23,基准源,基准源,一般是指击穿电压十分稳定，电压,温度系数经过补偿了的稳压二极管,。,也称为参考源,这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的,还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10,-6,/。,型号 稳定电压(,V),工作电流(,mA),电压温度系数(10,-,6,/),MC1403 2.51 1.2 10100 .,LM136/236/336 2.5 10 30,5.0 10 30 .,TL431 2.536 0.4100 50 .,LM3999 6.955 10 5 .,AD2710K/L 10.0001mV 10 2/1 .,MAX676 4.0960.01 5 1,677 5.0000.01 5 1,678 10.0000.01 5 1 .,典型的基准源,24,串联反馈式稳压电源,稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。,串联反馈式稳压电路的工作原理,典型的串联反馈式稳压电路，,由,基准电压、比较放大、调整、取样,几个部分组成,。,25,1输入电压变化，负载电流保持不变,输入电压,V,I,增加，必然会使输出电压,V,O,有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号,V,f,与基准源电压,V,REF,比较，获得误差信号,V,。,误差信号经放大后，用,V,O1,去控制调整管的管压降,V,CE,增加，从而抵消输入电压增加的影响。,V,I,V,O,V,f,V,O1,V,CE,V,O,26,2负载电流变化，输入电压保持不变,负载电流,I,L,增加，必然会使输入电压,V,I,有所减小，输出电压,V,O,必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号,V,f,与基准源电压,V,REF,比较，获得的误差信号使,V,O1,增加，从而使调整管的管压降,V,CE,下降，从而抵消因,I,L,增加，使输入电压减小的影响。,I,L,V,I,V,O,V,f,V,O1,V,CE,V,O,3.输出电压调节范围的计算,可知,V,f,V,REF,显然，调节,R,W,可以改变输出电压。,27,动画16-2,28,串联反馈式稳压电路的工作原理,当,V,I,时：,V,O,V,f,V,B、,I,C,V,CE,V,O,29,动画16-1,30,16.3.2,稳压电路的保护环节,串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。,保护的方法,反馈保护型,温度保护型,截流型,限流型,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。,31,截流型,限流型,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。截流特性见,图16.05,。,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,性见,图16.06,。,图16.05,截流型特性,图16.06,限流型特性,32,三端集成稳压器,将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。,集成稳压器有：输入端、输出端和公共端，称三端集成稳压器。,集成稳压器符号,要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。,外形图,33,三端可调式集成稳压器,34,三端集成稳压器的分类,1,.,三端固定正输出集成稳压器,国标型号,:,CW78-/CW78M-/CW78L-,2.,三端固定负输出集成稳压器,国标型号,:,CW79-/CW79M-/CW79L-,3.,三端可调正输出集成稳压器,国标型号,:,CW,1,17-/CW,1,17M-/CW,1,17L-,CW,2,17-/CW,2,17M-/CW,2,17L-,CW,3,17-/CW,3,17M-/CW,3,17L-,4.,三端可调负输出集成稳压器,国标型号,:,CW,1,37-/CW,1,37M-/CW,1,37L-,CW,2,37-/CW,2,37M-CW,2,37L-,CW,3,37-/CW,3,37M-/CW,3,37L-,5.,三端低压差集成稳压器,6.,大电流三端集成稳压器,以上,1,-,为军品级,；,2,-,为工业品级,；,3,-,为民品级,。,军品级,为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55150；,工业品级,为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25150；,民品级,多为塑料封装，工作温度范围0125。,35,应用电路,三端固定输出集成稳压器,的典型应用电路如图所示。,可调输出三端集成稳压器,的内部，在输出端和公共端之间是,1.25,V,的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。,三端可调输出集成稳压器,的典型应用电路如图所示。,防自激震荡,防高频噪声,36,利用三端集成稳压器组成恒流源,稳压器做恒流源,可调稳压器做恒流源电路,小电流恒流源,大电流恒流源,三端集成稳压器可,做,恒流源,使用,。,37,16.4 开关型稳压电源,为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源,效率可达90%以上,，,造价低,，,体积小,。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是,纹波较大,，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。,16.4.1 开关型稳压电路的工作原理,16.4.2 集成开关型稳压器,38,16.4.1 开关型稳压电路的工作原理,开关型稳压电源的原理可用图16.13的电路加以说明,。它由,调整管,、,滤波电路,、,比较器,、,三角波发生器,、,比较放大器,和,基准源,等部分构成。,图16.13,开关型稳压电源原理图,39,三角波发生器通过比较器产生一个方波,v,B,，,去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。,续流二极管,D,即可起到这个作用，有利于保护调整管。,根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出,高电平,，对应调整管的导通时间为,t,on,；,反之输出为,低电平,，对应调整管的截止时间,t,off。,输出波形中电位水平高于高电,平最小值的部分，对方波而言，相,当方波存在的部分。,输出波形中电位水平低于低,电平最大值的部分，对方波而言，,相当方波不存在的部分。,为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，,FV,O,增加，比较放大器的输出,V,f,减小，比较器方波输出的,t,off,增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。,40,各点波形见,图16.14,。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流,i,L,为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。,图16.14 开关电源波形图,分析见下页,41,可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）,来控制输出电压值。这种控制方式称为,脉冲宽度调制,(,PWM),。,q,称为占空比,方波高电平的时间占整个周期的百分比。,在输入电压一定时，,输出电压与占空比成正比。,忽略电感的直流电阻，输出电压,V,O,即为,v,E,的平均分量。于是有,42,1调整管工作在开关状态，功耗大大降低，,电源效率大为提高；,2调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，,必须在输出端加滤波器；,3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；,4在许多场合可以省去电源变压器；,5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体,积可大大减小。,由以上分析可以得出如下结论：,43,16.4.2 集成开关型稳压器,典型的开关电源控制器和开关电源见下表,型号 电源范围/,V,最大输出电流/,A,内部参考源/,V,输出级形式,TL494 740 0.2 5,推挽或单端,SG3524 835 0.1 5,推挽,SG3525 835 0.5 5,推挽,LM2575 3.535 1 1.23 _,表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。,实际上就是一个脉冲宽度调制（,PWM,）,控制器，,经常也用于其它脉宽调制场合。,集成开关稳压器，,一般有两大类型,。一类是包括调整管在内的,集成开关稳压器,;,另,一类称为,开关电源控制器,，它不包括调整管。,(1)开关稳压电源概述,44,利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。,SG3524,是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图16.15所示。,(,2)开关稳压电源控制器,SG3524,图16.15,SG3524,的内部方框图,它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。,45,SG3524,构成开关稳压电源的典型电路如图16.16所示。,图16.16 开关稳压电源应用电路,46,3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的,R,T,和,C,T,决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，,R,1,和,R,2,构成反馈回路。16脚是基准源，由,R,3,和,R,4,给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。,V,3,和,V,4,是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。,V,3,和,V,4,的输出由,V,2,、CP、,Q,或,Q,决定。因,Q,和,Q,只能有一个是高电平，,T,2,和,T,1,不可能同时导通。,T,1,和,T,2,只能按推挽方式工作，轮流交替导通。,47,SG3524,电路控制过程的波形如图16.17所示。,图16.17,SG3524,的波形图,锯齿波由振荡器提供，,V,1,是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。,V,2,是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动,T,触发器，,CP、,Q,和,V,2,的或非是,V,3,，,决定,T,1,的通断。,CP、,Q,和,V,2,的或非是,V,4,，,决定,T,2,的通断。由于,Q,和,Q,等宽，加上,V,2,的存在，所以,V,3,和,V,4,这两路信号之间有一定的死区，以保证,T,1,和,T,2,管不会同时导通。,48,当,V,1,降低时，,V,2,加宽，,T,1,和,T,2,的宽度变窄，导通时间减小。反之，当,V,1,增加时，,T,1,和,T,2,的导通时间增加。,49,图16.16 开关稳压电源应用电路,设负载电流加大，,V,O,下降，反馈电压减小，误差放大器的输出,V,1,增加，,T,1,和,T,2,的导通时间增加，输出电压,V,O,增加。,(,3),SG3524,构成的,开关稳压电源,现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。,图16.15,SG3524,的内部方框图,反之，当,V,O,增加时，反馈电压增加，,V,输出减小，,T,1,和,T,2,的导通时间减小，输出电压,V,O,减小。,50,SG3524,的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫,V,1,下降，,T,1,和,T,2,关断。10脚与4脚可实现双重保护。,当三极管的电流过大时，电阻,R,9,上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即,V,1,在大大下降，使,T,1,和,T,2,关断。,由于,SG3524,可在较高的频率下工作，,T,1,和,T,2,应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。,51,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,变压器,硅桥整流,滤波,稳压,52,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,调节,R,L,，,使,I,L,200mA。,1.调节调压器使输出,V,1,=220V，,再测量,V,2,的电压。,2.用双踪示波器同时观察硅桥的输入、输出电压波形。,3.测量,V,3,的,值,。（,用万用表直流档测量,）,接上滤波电容,C,1,。（,先断开电源）,4.用双踪示波器同时观察,V,2,、,V,4,的电压波形。,5.测量,V,4,的,值,。（,用万用表直流档测量,）,53,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,用示波器观察,V,0,的,波形。并测量,V,I,和,V,0,的,值,。（,用万用表直流档测量,）,测量稳压系数：,调节调压器使输出,V,1,分别为242,V,和198,V,，,再分别测量输入电压,V,I,、,V,I,和输出电压,V,0,、,V,0,。,则：,54,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,调节,R,L,，,使,I,L,200mA。,并测量,V,I,和,V,0,的,值,。（,用万用表直流档测量,）,测量输出电阻：,断开,R,L,(,I,L,=0),，,测量输出 电压,V,0,，,则：,55,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,1.,调节调压器，用万用表监视,V,I,，,使,V,I,=30V。,2.调节电位器,R,W,，,观察,输出电压，分别测得,V,0max,和,V,0min,的,值,。,3.当,V,0,=,V,0max,时，在重新测量,和,R,0,。,56,LM324,运放,57,面包板,58,面包板装配,b,c,e,59,