第10章--直流稳压电源.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,*,第10章 直流稳压电源,10.3,简单稳压电路,10.4 串联型稳压电路,10.5 开关型稳压电路,退 出,10.2,滤波电路,10.1,整流电路,10.6 集成稳压电路,10.1 整流电路,10.1.1 单相半波整流电路,10.1.2 单相桥式全波整流电路,退 出,10.1.1 单相半波整流电路,基本的单相半波整流电路如图10-2所示，电路中只使用一只二极管。电路中的变压器用来将电源电压变换到整流负载工作所需的电压值，这里的变换通常是进行降压或升压变换。,单相半波整流电路的工作原理：,交流电压,u,2,作用在二极管V,D,与负载R,L,串联的电路上，在交流电压,u,2,的正半周，二极管V,D,上的电压正向偏置，二极管导通。如果忽略二极管正向电压，则负载R,L,上的电压与交流电压的正半波相等，即正半周的电压全部作用在负载上；当交流电压,u,2,变成负半周时，二极管反向偏置，二极管不导通，电路中没有电流，负载R,L,上没有电压，交流电压,u,2,的负半周全部作用在二极管上。整流波形如图10-2所示。,如果交流电压为正弦波，即V，将二极管VD视为一个理想元件，即正向导通时管压降为零、反向时电阻为无穷大，根据图10-2，可以求得单相半波整流电路的整流输出电压的平均值为：,单相半波整流电路中作用在二极管上的最大反向电压等于被整流的交流电压的最大值，即,【例10-1】如图10-3所示电路中，负载电阻RL=200、电压 V。求输出电压的平均值U,O,及电流的平均值I,O,，并为该电路选一个合适的二极管。,解：,首先计算整流输出电压的平均值和电流平均值。由式（10-2）可得：,负载电流的平均值：,根据上面计算的结果可知，通过二极管的电流平均值为56.3mA，二极管工作时承受的最大反向电压为11.252,1.41435.4V。为此本例可选型号为1N4001的二极管，1N4001的参数值I,F,=1A、U,RM,=50V可满足要求。,10.1.2 单相桥式全波整流电路,图10-4是单相桥式全波整流电路的电原理图。,全波整流电路可以看作是由两个半波整流电路组合而成。,全波整流电路的工作原理，可用图10-5 所示的波形图说明。在0时间内，u,2,对VDl、VD3为正向电压，VD1、VD3 导通，在R,L,上得到上正下负的电压；此时u,2,对VD2、VD4 为反向电压，VD2、VD4 不导通（见图10-5（b）。在,-2,时间内，u,2,对VD2、VD4 为正向电压，VD2、VD4导通，在R,L,上得到的仍然是上正下负的电压；u,2,对VD1、VD3 为反向电压，VD1、VD3 不导通（见图10-5（c）。,10.2 滤波电路,10.2.1 电容滤波,10.2.2 LC滤波,退 出,10.2.3 ,型滤波,10.2.1 电容滤波,电容滤波就是利用电容的储能作用，使脉动的电压波形变得平稳。图 10-6所示为单相桥式整流，电容滤波的电路图和波形图。,单相半波整流电路的工作原理：,交流电压,u,2,作用在二极管V,D,与负载R,L,串联的电路上，在交流电压,u,2,的正半周，二极管V,D,上的电压正向偏置，二极管导通。如果忽略二极管正向电压，则负载R,L,上的电压与交流电压的正半波相等，即正半周的电压全部作用在负载上；当交流电压,u,2,变成负半周时，二极管反向偏置，二极管不导通，电路中没有电流，负载R,L,上没有电压，交流电压,u,2,的负半周全部作用在二极管上。整流波形如图10-2所示。,电容C未接入时，,u,2正半周，VD1、VD3导通，,u,2负半周，VD2、VD4导通，输出电压波形如图（10-6）（b）中虚线所示，将整流二极管视为理想二极管，,u,o的输出幅度等于变压器副边电压,u,2的幅度，可以看出电压波形的起伏较大。,将滤波电容C并联接入之后，设电容器两端初始电压为零，整流输出开始向电容器C充电。当,u,2达到最高值后，输出幅度开始回落，此时充电过程结束，而放电过程开始，输出电压小幅回落。当,u,2的幅度恢复之后，又开始对C充电，输出电压略有上升，达到最高值后开始放电。如此周而复始，输出电压波形如图（10-6）（b）中实线所示，可以看出，较之于滤波之前，输出波形的脉动成分减少了很多，而直流成分大大提高了。,负载直流电压随负载电流增加而减小。,U,o随,I,o变化的关系称为输出特性或外特性，如图10-7所示。,10.2.2 LC滤波,在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感L，就组成了一个电感滤波电路。,在电流变化时电感线圈中将产生与电流变化趋势相反的自感电动势，这个自感电动势会阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓，起到滤波作用。,在负载电阻RL上再并接一个滤波电容C，就构成了如图10-8所示的LC滤波电路。,电容C未接入时，,u,2正半周，VD1、VD3导通，,u,2负半周，VD2、VD4导通，输出电压波形如图（10-6）（b）中虚线所示，将整流二极管视为理想二极管，,u,o的输出幅度等于变压器副边电压,u,2的幅度，可以看出电压波形的起伏较大。,将滤波电容C并联接入之后，设电容器两端初始电压为零，整流输出开始向电容器C充电。当,u,2达到最高值后，输出幅度开始回落，此时充电过程结束，而放电过程开始，输出电压小幅回落。当,u,2的幅度恢复之后，又开始对C充电，输出电压略有上升，达到最高值后开始放电。如此周而复始，输出电压波形如图（10-6）（b）中实线所示，可以看出，较之于滤波之前，输出波形的脉动成分减少了很多，而直流成分大大提高了。,LC滤波电路是电感滤波电路和电容滤波电路的组合。经过电感滤波后得到的较为平直的直流电压又经过电容滤波器滤波，再一次滤掉交流分量。这样，便可以得到更为平直的直流输出电压。但是，由于电感线圈的匝数较多，电阻也较大，因而其上也有一定的直流压降，造成输出电压的下降。,具有LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为适合。在电流较大、负载变动较大、并对输出电压的脉动程度要求不太高的场合下(例如晶闸管电源)，也可将电容器除去，而采用电感滤波器(L滤波器)。,10.2.3,型,滤波,型滤波电路是用电容器、电感器或电阻器组成的滤波器，通常有LC型和 RC型两种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。,图10-9（a）所示是LC型滤波电路，可看成是电容滤波和LC型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。,图10-9（b）所示是RC型滤波电路。在负载电流不大的情况下，为降低成本，缩小体积，减轻重量，选用电阻器R来代替电感器L。,当使用一级型滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数，如图10-9（c）所示。,10.3 简单稳压电路,1.稳压二极管的基本特性,2,.,二极管稳压电路,退 出,1.稳压二极管的基本特性,稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管，正向特性和普通二极管一样。当反向电压加到某一特定值时，反向电流剧增，产生反向击穿，此时通过管子的电流在很大范围内变化，而管子两端的电压几乎不变。,稳压管的主要参数：,（1）稳定电压,U,Z,：稳压管的反向击穿电压。,（2）稳压电流,I,Z,：稳压管维持稳定电压的工作电流。,（3）最大稳定电流,I,ZMAX,：稳压管允许通过的最大反向电流。,（4）最大耗散功率,P,ZMAX,：稳压管不致因过热而损坏的最大耗散功率。,（5）动态电阻,r,Z,：稳压管两端电压的变化量和对应的电流变化量之比。,2.二极管稳压电路,二极管稳压电路如图 10-11所示，由稳压管VD,Z,和限流电阻R组成，稳压管在电路中为反向偏置，它与负载电阻R,L,并联后，再与限流电阻串联，属于并联型稳压电路。,二极管稳压电路的工作原理：,1）负载电阻R,L,不变,当负载电阻不变，电网电压上升时，将使U,i,增加，Uo随之增加，由稳压管的伏安特性可知，稳压管的电流Iz就会显著增加，结果使流过限流电阻R的电流I,R,增大，R上的电压增大，从而使输出电压Uo减小，即Uo=U,i,-U,R,。如果电阻R的阻值选择适当，最终可使Uo基本保持不变。上述稳压过程可表示如下：,2)电源电压不变,假设电源电压保持不变，负载电阻R,L,减小，I,L,增大时，由于电流在R上的压降升高，输出电压Uo将下降。由于稳压管并联在输出端，由伏安特性可看出，当稳压管两端的电压有所下降时，电流将急剧减小，而I,R,=Iz+I,L,，所以I,R,基本维持不变，R上的电压也就维持不变，从而使输出电压基本维持不变。上述稳压过程可表示如下：,3）二极管稳压电路限流电阻和稳压管的选择,(1)稳压电路中的稳定电压应按负载电压选取，即U,Z,=Uo。稳压管的最大稳定电流大致上应比最大负载电流大两倍以上，即Iz,max,2I,Lmax,。,(2)限流电阻R的大小应该满足两个条件（两种极端情况）。首先，当直流输入电压最低（U,Imin,）而负载电流最大时，流过稳压管的电流应该大于稳压管的稳定电流，即,同时，当直流输入电压最高（U,Imax,）而负载电流最小时，流过稳压管的电流不应该超过稳压管的最大稳定电流I,Zmax,，即：,合并上述两式并推导可得：,10.4 串联型稳压电路,进 入,退 出,二极管稳压电路虽很简单，但受稳压管最大稳定电流的限制，负载电流不能太大，且输出电压不可调，稳定性也不够理想。若要获得稳定性高且连续可调的输出直流电压，可采用由三极管或集成运算放大器所组成的串联型直流稳压电路。,图10-12所示电路是一种典型的串联型稳压电路。,串联型稳压电路的组成：,(1)取样环节。由R3、RP、R4组成的分压电路构成，它将输出电压,U,O,分出一部分作为取样电压,U,f,，送到比较放大环节。,(2)基准电压。由稳压二极管VD,Z,和限流电阻R2构成的电路组成，VD,Z,的稳定电压,U,Z,作为调整、比较的标准。,(3)比较放大环节。由VT3和R1构成的直流放大电路组成，其作用是将取样电压,U,f,与基准电压,U,Z,之差放大后去控制复合调整管VT2、VT1。,(4)调整环节。由工作在线性放大区的复合调整管VT2、VT1组成，VT2的基极电流,I,B2,受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流,I,C2,改变，从而控制VT1集、射电压,U,CE1,改变，达到自动调整稳定输出电压的目的。,电路的工作原理如下：当输入电压,U,i升高或输出电流,I,O,变化引起输出电压,U,O,增加时，取样电压,U,f,相应增大，使VT3管的基极电流,I,B3,和集电极电流,I,C3,随之增加，VT3管的集电极电位,U,C3,下降，因此VT2管的发射极电位,U,C2,下降，VT1管的基极电流,I,B1,下降，,I,C1,下降，,U,CE1,增加，,U,O,下降，从而使,U,O,保持基本稳定。,这一自动调压过程可表示如下：,U,O,U,f,I,B2,I,C2,U,C2,I,B1,U,CE1,U,O,10.5 开关型稳压电路,进 入,退 出,图10-13所示是一种在彩色电视机中广泛使用的串联型开关稳压电源的原理框图。由整流、滤波、开关管、脉宽调制、取样电路、比较放大、LC滤波和基准电压等部分电路构成，其中的开关管一般采用大功率的三极管或场效应管。,该电路的稳压原理如下：,取样电路从负载上获得输出电压的取样值，送到比较放大器，和设定的基准电压进行比较。如取样电压低于基准电压，说明此时负载上的输出电压低于设计的电压值，差值电压经比较放大器放大后控制脉冲宽度调制（PWM）电路，使脉宽调制电路输出的开关脉冲控制开关管延长饱和导通时间，从而提高输出电压。反之，当取样电压高于基准电压，说明输出电压高于设计值，比较放大器输出信号控制脉宽调制电路，使脉宽调制电路输出的开关脉冲控制开关管缩短饱和导通时间，从而降低输出电压，达到稳压的目的。,开关型稳压电源的特点：,(1)开关管工作在开关状态，管耗大大降低，电源效率大为提高；,(2)开关管在开关状态下工作，输出电压为方波，为得到直流输出，必须在输出端增加合适的滤波器；,(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，输出滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。,(6)开关型稳压电源既可以降压，又可以升压，既可以把市电直接转换成需要的直流电压（AC-DC变换），也可以用于使用电池供电的便携设备（DC-DC变换）。,10.6 集成稳压电路,进 入,退 出,1.集成稳压器基本结构与工作原理,集成稳压器主要由基准电压、比较放大器、取样电路和调整电路，以及附属的启动电路、保护电路等几部分组成。图10-14所示为集成稳压器的基本构成。,集成稳压器的工作原理：,当输出电压变化时，取样电路取出部分输出电压进行比较，通过比较放大器将误差信号放大后，送到调整管基极，推动调整管调整电压，达到稳定输出电压的目的。由于集成电路中采用失调小的差分放大器，以及采用多集电极管、场效应管等，使得集成稳压器在结构上又有本身的特点。,另外由于集成稳压器的输出功率较大，而使用情况又多变，对调整管一般都采取了较好的过流、过压、过热等保护，大大提高了集成稳压器的可靠性。,(1)纹波抑制比：当输入和输出条件保持不变时，输入的纹波电压峰峰值和输出的纹波电压峰峰值之比。,(2)最大输入电压：稳压器安全工作时所允许外加的最大电压。,(3)最小输入输出电压差：稳压器能正常工作的输入电压与输出电压之间的最小电压差值。对于串联调整稳压器，它就是调整元件上的最小电压差，通常为1.55V。,(4)输出电压：稳压器符合规定使用条件时的输出电压。,(5)最大功耗：稳压器内部电路的静态功耗和调整元件上的功耗总和。,2.集成稳压器的主要参数,集成稳压器按输出端子多少和使用情况大致可分为多端可调式、三端固定式、三端可调式和单片开关式等几种。,多端可调式是早期产品，其输出功率小，输出端多，使用不太方便，但精度较高，价格便宜。,三端固定式集成稳压器只有输入、输出和公共三个引出端，使用非常方便，因此获得了广泛应用。,三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压。,开关式集成稳压器是最近发展起来的一种稳压电源，其效率特别高。其原理是由直流变交流（高频）再变直流的变换器。通常有脉宽调制和脉冲调制两种，输出电压可调。,3.集成稳压器的分类,4.三端式集成稳压器及基本应用电路,三端式集成稳压器是一种串联调整式稳压器，根据输出电压是否固定，可分为固定式和可调式两大类。,1)固定输出三端集成稳压器,常见的固定输出三端集成稳压器主要有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列。三端固定式集成稳压器的封装及管脚排列图如图10-15所示。,(1)基本应用电路,图10-16所示为78XX系列的基本应用电路，为了改善纹波特性，在输入端加入了C1，一般取值为0.33,F；在输出端加接电容C2，一般取值为0.1,F，其目的在于改善负载的瞬态响应；Ci一般采用较大容量的电解电容，主要用来减轻外接电源浪涌现象带来的干扰，RL为负载。,(2)提高输出电压的电路,图10-17所示为提高输出电压电路，电路中采用稳压管VD,Z,来提高输出电压，此时输出电压变为,Uo=Uo0+U,Z,其中：Uo0为产品输出电压，U,Z,为稳压二极管VD,Z,的稳定电压。二极管VD作为输出保护，正常工作时它处于截止状态；一旦输出电压小于,U,Z,或对地短路时，VD将导通，使输出电流旁路，保护电源输出级不受损坏。,3)可调输出三端集成稳压器,三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出纹波小。其一般输出电压为1.2 37V或-1.2 -37V。典型的产品有LM317和LM337等，其中LM317为可调正电压输出稳压器，LM337为可调负电压输出稳压器。这种稳压器有三个引子端，即电压输入端、电压输出端和调节端，它没有公共接地端，接地端往往通过电阻再接到地。,(1)基本应用电路,图10-19所示为LM317基本应用电路。电路中R和Rp构成可调输出的电阻网络。输出电压满足：,(2)改善纹波特性电路,图10-20所示为改善纹波特性电路。图中的D1是保护二极管，作用是防止调节端旁路电容C3放电时损坏稳压器。旁路电容C3是为了抑制纹波电压而设置，当C3取10,F时，能够提高纹波抑制比15dB。,5.开关集成稳压器,开关稳压电源的调整管工作在开关状态，依靠调节调整管导通时间来实现稳压。由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗很小，使稳压电源的效率明显提高，可达80%90%，而且这一效率几乎不受输入电压大小的影响，即开关稳压电源有很宽的稳压范围。由于效率高，使得电源体积小、重量轻。开关稳压电源的主要缺点是输出电压中含有较大的纹波。随着半导体技术的发展，开关集成稳压电源发展非常迅速，在高性能电源电路中得到了广泛应用。,6.集成稳压器的应用注意事项,(1)选用集成稳压电路时，要考虑设计的需要及性能价格比，要做到物尽其用，性能最佳。,(2)优先选用三端稳压器。,(3)弄清各端子的作用，避免接错。,(4)加装符合要求尺寸的散热装置。,(5)严禁超载使用。,(6)保证最小输入输出压差；最大输入输出压差不超出规定范围。,(7)安装焊接牢固可靠。,(8)容性负载时避免出现自激现象。,本章小结,1.小功率直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。,2.整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电转换成单向脉动直流电。常用整流电路有半波整流和全波整流等。其中桥式全波整流电路应用最多。,3.滤波电路的作用是利用储能元件滤去脉动直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑。常用的滤波电路有电容滤波、LC滤波和型滤波电路。,4稳压电路的作用是当输入电压或负载在一定范围内发生变化时，保证输出电压的稳定。,5.稳压管稳压电路结构简单，缺点是电压的稳定性能较差，输出电压不可调，仅适用于负载电流较小且变化范围也较小的场合。,6.串联型稳压电路由调整管、基准电源、取样电路和比较放大电路等部分组成，它克服了稳压管稳压电路的缺点，具有稳压性能好、负载能力强、输出直流电压可调等优点，缺点是管耗较大、效率较低。它适用于对稳压精度要求较高的场合。,7.开关型稳压电路的优点是效率高、体积小、成本低，广泛应用于中大功率直流稳压电源。缺点是输出直流电压纹波大，用于小信号放大时，应采用二级稳压措施。,8集成稳压器具有体积小、可靠性高、温度特性好、稳压性能较好、安装调试方便、成本低廉等突出的优点，已得到广泛采用。,