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第18章 直流穩(wěn)壓電源,18.2 濾波器,18.3 直流穩(wěn)壓電源,18.1 整流電路,本章要求: 1. 理解單相整流電路和濾波電路的工作原理及 參數(shù)的計(jì)算; 2. 了解穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作 原理; 3. 了解集成穩(wěn)壓電路的性能及應(yīng)用。,第18章 直流穩(wěn)壓電源,第18章 直流穩(wěn)壓電源,小功率直流穩(wěn)壓電源的組成,功能:把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適 的直流電壓,18.1 整流電路,整流電路的作用: 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。,常見(jiàn)的整流電路: 半波、全波、橋式和倍壓整流;單相和三相整流等。,分析時(shí)可把二極管當(dāng)作理想元件處理: 二極管的正向?qū)娮铻榱?,反向電阻為無(wú)窮大。,整流原理: 利用二極管的單向?qū)щ娦?18.1.1 單相半波整流電路,2. 工作原理,u 正半周,VaVb, 二極管D導(dǎo)通;,3. 工作波形,u 負(fù)半周,Va Vb, 二極管D 截止 。,1. 電路結(jié)構(gòu),動(dòng)畫(huà),4. 參數(shù)計(jì)算,(1) 整流電壓平均值 Uo,(2) 整流電流平均值 Io,(3) 流過(guò)每管電流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向電壓 UDRM,(5) 變壓器副邊電流有效值 I,5. 整流二極管的選擇,平均電流 ID 與最高反向電壓 UDRM 是選擇整流二極管的主要依據(jù)。,選管時(shí)應(yīng)滿足: IOM ID , URWM UDRM,半波整流電路的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用的元件少。,缺點(diǎn):只利用了電源的半個(gè)周期,所以電源利用率 低,輸出的直流成分比較低;輸出波形的脈動(dòng)大; 變壓器電流含有直流成分,容易飽和。故半波整流 只用在要求不高,輸出電流較小的場(chǎng)合。,18.1.2 單相橋式整流電路,2. 工作原理,u 正半周,VaVb,二極管 D1、 D3 導(dǎo)通, D2、 D4 截止 。,3. 工作波形,uD2uD4,1. 電路結(jié)構(gòu),18.1.2 單相橋式整流電路,2. 工作原理,3. 工作波形,uD2uD4,1. 電路結(jié)構(gòu),u 正半周,VaVb,二極 管 1、3 導(dǎo)通,2、4 截止 。,u 負(fù)半周,VaVb,二極 管 2、4 導(dǎo)通,1、3 截止 。,uD1uD3,4. 參數(shù)計(jì)算,(1) 整流電壓平均值 Uo,(2) 整流電流平均值 Io,(3) 流過(guò)每管電流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向電壓 UDRM,(5) 變壓器副邊電流有效值 I,(1) 輸出直流電壓高; (2) 脈動(dòng)較?。?(3) 二極管承受的最大反向電壓較低; (4) 電源變壓器得到充分利用。,目前,半導(dǎo)體器件廠已將整流二極管封裝在一起,制成單相及三相整流橋模塊,這些模塊只有輸入交流和輸出直流引線。減少接線,提高了可靠性,使用起來(lái)非常方便。,橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn):,解:變壓器副邊電壓有效值,例1:?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐?,已知交流電網(wǎng)電壓為 220V,負(fù)載電阻 RL = 50,負(fù)載電壓Uo=100V,試求變壓器的變比和容量,并選擇二極管。,流過(guò)每只二極管電流平均值,每只二極管承受的最高反向電壓,整流電流的平均值,考慮到變壓器副繞組及二極管上的壓降,變壓器副邊電壓一般應(yīng)高出 5%10%,即取,U = 1.1 111 122 V,例1:?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐罚阎涣麟娋W(wǎng)電壓為 220 V,負(fù)載電阻 RL = 50,負(fù)載電壓Uo=100V, 試求變壓器的變比和容量,并選擇二極管。,I = 1.11 Io= 2 1.11 = 2. 2 A,變壓器副邊電流有效值,變壓器容量 S = U I = 122 2.2 = 207. 8 V A,變壓器副邊電壓 U 122 V,可選用二極管2CZ11C,其最大整流電流為1A,反向工作峰值電壓為300V。,例2:,試分析圖示橋式整流電路中的二極管D2 或D4 斷開(kāi)時(shí)負(fù)載電壓的波形。如果D2 或D4 接反,后果如何?如果D2 或D4因擊穿或燒壞而短路,后果又如何?,解:當(dāng)D2或D4斷開(kāi)后 電路為單相半波整流電路。正半周時(shí),D1和D3導(dǎo)通,負(fù)載中有電流過(guò),負(fù)載電壓uo=u;負(fù)半周時(shí),D1和D3截止,負(fù)載中無(wú)電流通過(guò),負(fù)載兩端無(wú)電壓, uo =0。,如果D2或D4接反 則正半周時(shí),二極管D1、D4或D2、D3導(dǎo)通,電流經(jīng)D1、D4或D2、D3而造成電源短路,電流很大,因此變壓器及D1、D4或D2、D3將被燒壞。,如果D2或D4因擊穿燒壞而短路 則正半周時(shí),情況與D2或D4接反類(lèi)似,電源及D1或D3也將因電流過(guò)大而燒壞。,18.1.3 三相橋式整流電路,2. 工作原理,在每一瞬間 共陰極組中陽(yáng)極電位最高的二極管導(dǎo)通; 共陽(yáng)極組中陰極電位最低的二極管導(dǎo)通。,1. 電路,三相變壓器原繞組接成三角形,副繞組接成星形,共陽(yáng)極組,共陰極組,在 t1 t2 期間 共陰極組中a點(diǎn)電位最高,D1 導(dǎo)通; 共陽(yáng)極組中b點(diǎn)電位最低,D4 導(dǎo)通。,負(fù)載兩端的電壓為線電壓uab。,負(fù)載電壓,2. 工作原理,變壓器副邊電壓,在 t2 t3 期間 共陰極組中a點(diǎn)電位最高,D1 導(dǎo)通; 共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低,D6 導(dǎo)通。,負(fù)載兩端的電壓為線電壓uaC。,負(fù)載電壓,2. 工作原理,變壓器副邊電壓,在 t3 t4 期間 共陰極組中b點(diǎn)電位最高,D3 導(dǎo)通; 共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低,D6 導(dǎo)通。,負(fù)載兩端的電壓為線電壓ubC。,負(fù)載電壓,2. 工作原理,變壓器副邊電壓,在 t4 t5 期間 共陰極組中b點(diǎn)電位最高,D3 導(dǎo)通; 共陽(yáng)極組中a點(diǎn)電位最低,D2 導(dǎo)通。,負(fù)載兩端的電壓為線電壓uba。,負(fù)載電壓,2. 工作原理,變壓器副邊電壓,2. 工作原理,結(jié)論: 在一個(gè)周期中,每個(gè)二極管只有三分之一的時(shí)間導(dǎo)通(導(dǎo)通角為120)。,變壓器副邊電壓,負(fù)載電壓,負(fù)載兩端的電壓為線電壓。,3. 參數(shù)計(jì)算,(1) 整流電壓平均值 Uo,(2) 整流電流平均值 Io,(3) 流過(guò)每管電流平均值 ID,(4) 每管承受的最高反向電壓 UDRM,18.2 濾波器,交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動(dòng)直流,其中既有直流成份又有交流成份。 濾波原理:濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份,保留其直流成份,達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。 方法:將電容與負(fù)載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負(fù)載RL串聯(lián))。,18.2.1 電容濾波器 1. 電路結(jié)構(gòu),2. 工作原理,u uC時(shí),二極管導(dǎo)通,電源在給負(fù)載RL供電的同時(shí)也給電容充電, uC 增加,uo= uC 。,u uC時(shí),二極管截止,電容通過(guò)負(fù)載RL 放電,uC按指數(shù)規(guī)律下降, uo= uC 。,= uC,3. 工作波形,二極管承受的最高反向電壓為 。,4. 電容濾波電路的特點(diǎn),(T 電源電壓的周期),(1) 輸出電壓的脈動(dòng)程度與平均值Uo與放電時(shí)間 常數(shù)RLC有關(guān)。,RLC 越大 電容器放電越慢 輸出電壓的平均值Uo 越大,波形越平滑。,近似估算取: Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波) Uo = 1. 0 U (半波),當(dāng)負(fù)載RL 開(kāi)路時(shí),UO ,為了得到比較平直的輸出電壓,(2) 外特性曲線,有電容濾波,1.4U,結(jié)論,采用電容濾波時(shí),輸出電壓受負(fù)載變化影響較大,即帶負(fù)載能力較差。 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。,(3) 流過(guò)二極管的瞬時(shí)電流很大,選管時(shí)一般?。?IOM =2 ID,RLC 越大O 越高,IO 越大整流二極管導(dǎo)通時(shí)間越短 iD 的峰值電流越大。,例:,有一單相橋式整流濾波電路,已知交流電源頻率 f=50Hz,負(fù)載電阻 RL = 200,要求直流輸出電壓Uo=30V,選擇整流二極管及濾波電容器。,流過(guò)二極管的電流,二極管承受的最高反向電壓,變壓器副邊電壓的有效值,解:1. 選擇整流二極管,可選用二極管2CP11,IOM =100mA URWM =50V,例:有一單相橋式整流濾波電路,已知交流電源頻率 f=50Hz,負(fù)載電阻 RL = 200,要求直流輸出電壓Uo=30V,選擇整流二極管及濾波電容器。,取 RLC = 5 T/2,已知RL = 50,解:2. 選擇濾波電容器,可選用C=250F,耐壓為50V的極性電容器,18.2.2 電感電容濾波器,1. 電路結(jié)構(gòu),2. 濾波原理,對(duì)直流分量: XL=0 ,L相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。對(duì)諧波分量: f 越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負(fù)載上得到比較平滑的直流電壓。,當(dāng)流過(guò)電感的電流發(fā)生變化時(shí),線圈中產(chǎn)生自感電勢(shì)阻礙電流的變化,使負(fù)載電流和電壓的脈動(dòng)減小。,LC濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場(chǎng)合,用于高頻時(shí)更為合適。,18.2.3 形濾波器, 形 LC 濾波器,濾波效果比LC濾波器更好,但二極管的沖擊電流較大。,比 形 LC 濾波器的體積小、成本低。, 形 RC 濾波器,R 愈大,C2愈大,濾波效果愈好。但R 大將使直流壓降增加,主要適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場(chǎng)合。,交直流收擴(kuò)兩用機(jī)電源,如圖電源輸出電壓為24V, 電流為1.8A。變壓器副繞組N3 的電壓約為20V, C2起抑制高頻干擾作用;副繞組N2的電壓為5.5V,供照明指示燈用。直流 24V電池的極性可任意接入。,18.3 直流穩(wěn)壓電源,穩(wěn)壓電路(穩(wěn)壓器)是為電路或負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設(shè)備。 穩(wěn)壓電路的輸出電壓大小基本上與電網(wǎng)電壓、負(fù)載及環(huán)境溫度的變化無(wú)關(guān)。理想的穩(wěn)壓器是輸出阻抗為零的恒壓源。實(shí)際上,它是內(nèi)阻很小的電壓源。其內(nèi)阻越小,穩(wěn)壓性能越好。 穩(wěn)壓電路是整個(gè)電子系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,也可以是一個(gè)獨(dú)立的電子部件。,18.3.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,設(shè)UI一定,負(fù)載RL變化, UO (UZ ) , IZ,1. 電路,限流調(diào)壓,穩(wěn)壓電路,18.3.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,2. 工作原理,UO = UZ IR = IO + IZ,UI UZ ,設(shè)負(fù)載RL一定, UI 變化, IZ , IR ,1. 電路,3. 參數(shù)的選擇,(1) UZ = UO (2) IZM= (1.5 3) ICM (3) UI = (2 3) UO,(4),為保證穩(wěn)壓 管安全工作,為保證穩(wěn)壓 管正常工作,適用于輸出電壓固定、輸出電流不大、且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。,18.3.2 恒壓源,由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運(yùn)算放大器可組成恒壓源。,反相輸入恒壓源,同相輸入恒壓源,改變 RF 即可調(diào)節(jié)恒壓源的輸出電壓。,18.3.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,1. 電路結(jié)構(gòu),串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。,調(diào)整元件,比較放大,基準(zhǔn)電壓,取樣電路,當(dāng)由于電源電壓或負(fù)載電阻的變化使輸出電壓UO 升高時(shí),有如下穩(wěn)壓過(guò)程:,2. 穩(wěn)壓過(guò)程,由電路圖可知,UO,Uf ,UB ,UO,IC ,UCE ,由于引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋,故稱(chēng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。,3. 輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍,輸出電壓,18.3.4 集成穩(wěn)壓電源,單片集成穩(wěn)壓電源,具有體積小,可靠性高,使用靈活,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 最簡(jiǎn)單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入,輸出和公共引出端,故稱(chēng)之為三端集成穩(wěn)壓器。,1. 分類(lèi),XX兩位數(shù)字為輸出電壓值,(1. 25 37 V 連續(xù)可調(diào)),2. 外形及引腳功能,W7800系列穩(wěn)壓器外形,W7900系列穩(wěn)壓器外形,塑料封裝,3. 性能特點(diǎn)(7800、7900系列),輸出電流超過(guò) 1. 5 A(加散熱器) 不需要外接元件 內(nèi)部有過(guò)熱保護(hù) 內(nèi)部有過(guò)流保護(hù) 調(diào)整管設(shè)有安全工作區(qū)保護(hù) 輸出電壓容差為 4%,輸出電壓額定值有: 5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V等 。,4. 主要參數(shù),(1) 電壓調(diào)整率SU(穩(wěn)壓系數(shù)) 反映當(dāng)負(fù)載電流和環(huán)境溫度不變時(shí),電網(wǎng)電壓波 動(dòng)對(duì)穩(wěn)壓電路的影響。,(2) 電流調(diào)整率SI 反映當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度不變時(shí),輸出電流變化時(shí)輸出電壓保持穩(wěn)定的能力,即穩(wěn)壓電路的帶負(fù)載能力。,0.0050.02%,0.11.0%,(3) 輸出電壓 UO,(6) 最大輸入電壓 UiM,(7) 最大功耗 PM,(4) 最大輸出電流 IOM,(5) 最小輸入、輸出電壓差 (Ui -UO ) min,輸出為固定正電壓時(shí)的接法如圖所示。,(1) 輸出為固定電壓的電路,輸入與輸出之間的電壓不得低于3V!,5. 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用,0.11F,1F,為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流 時(shí),不致引起輸出電壓 有較大的波動(dòng)。即用來(lái) 改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。,用來(lái)抵消輸入端接線 較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng), 防
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