模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)清華第四版10-直流電源1

1、華成英 第十章 直流電源華成英 第十章 直流電源10.1 直流電源的組成直流電源的組成10.2 單相整流電路單相整流電路10.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路10.5 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.6 開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路10.3 濾波電路濾波電路華成英 10.110.1 直流電源的組成直流電源的組成及各部分的作用直流電源的組成及各部分的作用華成英 直流電源的組成及各部分的作用改變電壓值改變電壓值通常為降壓通常為降壓交流變脈交流變脈動(dòng)的直流動(dòng)的直流減小脈動(dòng)減小脈動(dòng)1) 負(fù)載變化輸出電壓負(fù)載變化輸出電壓基本不變；基本不變；2) 電網(wǎng)電壓變化輸出電網(wǎng)電壓變化輸出電壓基本不變。電壓基本不

2、變。 直流電源是能量轉(zhuǎn)換電路，將直流電源是能量轉(zhuǎn)換電路，將220V（或或380V）50Hz的的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。交流電轉(zhuǎn)換為直流電。半波整流半波整流全波整流全波整流 在分析電源電路時(shí)要特別考慮的兩個(gè)問題：允許電網(wǎng)電在分析電源電路時(shí)要特別考慮的兩個(gè)問題：允許電網(wǎng)電壓波動(dòng)壓波動(dòng)10，且負(fù)載有一定的變化范圍。，且負(fù)載有一定的變化范圍。華成英 10.210.2 單相整流電路一、一、對整流電路要研究的問題對整流電路要研究的問題二、單相半波整流電路二、單相半波整流電路三、單相橋式整流電路三、單相橋式整流電路華成英 一、對整流電路要研究的問題1.電路的工作原理：即二極管工作狀態(tài)、電路波形的分析：即二極管工

3、作狀態(tài)、電路波形的分析2.輸出電壓和輸出電流平均值：即輸出脈動(dòng)直流電壓和：即輸出脈動(dòng)直流電壓和電流平均值的求解方法電流平均值的求解方法3.整流二極管的選擇：即二極管承受的最大整流平均電流：即二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓的分析和最高反向工作電壓的分析為分析問題簡單起見，設(shè)二極管為理想二極管，變壓器內(nèi)阻為為分析問題簡單起見，設(shè)二極管為理想二極管，變壓器內(nèi)阻為0。整流二極管的伏安特性：整流二極管的伏安特性：實(shí)際特性實(shí)際特性理想化特性理想化特性 理想二極管的正向?qū)ɡ硐攵O管的正向?qū)妷簽殡妷簽?，即正向電阻為，即正向電阻為0；反向電流為；反向電流為0，即反，即反向電阻為無窮大。向

4、電阻為無窮大。華成英 二、單相半波整流電路1. 工作原理u2的正半周，的正半周，D導(dǎo)通，導(dǎo)通， ADRLB，uO= u2 。 2uu2的負(fù)半周，的負(fù)半周，D截止，承受反向電壓，為截止，承受反向電壓，為u2； uO=0。2u華成英 2. 2. UO（AV）和 IL（AV）的估算 已知變壓器副邊電壓有效值為已知變壓器副邊電壓有效值為U2) (d sin2212 0 O(AV)ttUUL2LO(AV)L(AV)45. 0RURUIL2L(AV)D(AV)45. 0RUII2maxR2UU2RL2F21 . 1 45. 01 . 1 UURUI22O(AV)45. 02UUU 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為

5、考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足：足： （3）二極管的選擇）二極管的選擇華成英 三、單相橋式整流電路u2的正半周的正半周 AD1RLD3B，uO= u2u2的負(fù)半周的負(fù)半周 B D2RLD4 A，uO= -u2四只管子如何接？四只管子如何接？ 集成的橋式整流電集成的橋式整流電路稱為整流堆。路稱為整流堆。1. 工作原理uOu2OO若接反了呢？若接反了呢？華成英 2. 輸出電壓和電流平均值的估算) (d sin21 0 2O(AV)ttUUL2LO(AV)L(AV)9 . 0RURUI22O(AV)9 . 022UUU華成英 3. 二極管的選擇2maxR2

6、UUL2L(AV)D(AV)45. 02RUII2RL2F21 . 1 45. 01 . 1 UURUI 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足：足： 與半波整與半波整流電路對流電路對二極管的二極管的要求相同要求相同華成英 10.3 濾波電路一、電容濾波電路一、電容濾波電路二、電感濾波電路二、電感濾波電路三、倍壓整流電路三、倍壓整流電路華成英 一、電容濾波電路1. 工作原理非常小。，對電容充電，時(shí)，有一對二極管導(dǎo)通當(dāng)充電 2Cuu。放電，電容通過時(shí)，所有二極管均截止當(dāng)放電CRRuuCLL2 充電充電放電速度與正弦放電速度與正弦波下降速

7、度相似波下降速度相似按指數(shù)規(guī)律下降按指數(shù)規(guī)律下降濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動(dòng)變小。濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動(dòng)變小。 C 越大，越大， RL越大，越大，越大，越大，放電越慢，曲線越平滑，脈動(dòng)放電越慢，曲線越平滑，脈動(dòng)越小。越小?？紤]整流電路的內(nèi)阻考慮整流電路的內(nèi)阻華成英 2. 二極管的導(dǎo)通角導(dǎo)通角導(dǎo)通角的峰值脈動(dòng)放電DO(AV)LiURC 無濾波電容時(shí)無濾波電容時(shí)。 有濾波電容時(shí)有濾波電容時(shí) ILmax ILmin（3）限流電阻的選擇限流電阻的選擇 保證穩(wěn)壓管既穩(wěn)壓又不損壞。保證穩(wěn)壓管既穩(wěn)壓又不損壞。OIzrUURrS ZMmaxDZminDZZIIII且ZLmaxZinImminDZ

8、IIRUUI電網(wǎng)電壓最低且負(fù)載電流最大時(shí)，穩(wěn)壓管的電流最小。電網(wǎng)電壓最低且負(fù)載電流最大時(shí)，穩(wěn)壓管的電流最小。LmaxZZinImIIUUR電網(wǎng)電壓最高且負(fù)載電流最小時(shí)，穩(wěn)壓管的電流最大。電網(wǎng)電壓最高且負(fù)載電流最小時(shí)，穩(wěn)壓管的電流最大。ZMLminZaxImmaxDZIIRUUILminZMZaxImIIUUR為減小為減小Sr,取取值矛盾值矛盾!若求得若求得RminRmax，怎么辦？，怎么辦？若求得若求得R=200300，則該取接近，則該取接近200還是接近還是接近300？為什么？為什么？華成英 討論：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)依次選擇穩(wěn)壓管、依次選擇穩(wěn)壓管、 UI、 R、 C、

9、U2、二極管二極管1. 輸出電壓、負(fù)載電流輸出電壓、負(fù)載電流穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管2. 輸出電壓輸出電壓UI3. 輸出電壓、負(fù)載電流、穩(wěn)壓管電流、輸出電壓、負(fù)載電流、穩(wěn)壓管電流、 UI R4. UI 、 R 濾波電路的等效負(fù)載電阻濾波電路的等效負(fù)載電阻C5. UI U26. U2、 R中電流中電流整流二極管整流二極管 已知輸出電壓為已知輸出電壓為6V，負(fù)載電流為，負(fù)載電流為030mA。試試求求圖示電圖示電路的參數(shù)。路的參數(shù)。華成英 10.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一、一、基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路二、二、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路三、集成穩(wěn)壓器（三端穩(wěn)壓器）三、集成穩(wěn)壓器

10、（三端穩(wěn)壓器）華成英 為了使穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出大電流，需要加晶體管放大。為了使穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出大電流，需要加晶體管放大。穩(wěn)壓原理：電路引入穩(wěn)壓原理：電路引入，穩(wěn)定輸出電壓。，穩(wěn)定輸出電壓。OL)1 (IIBEZOUUU一、基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路CEIOUUU 不管什么原因引起不管什么原因引起UO變化，都將變化，都將通過通過UCE的調(diào)節(jié)使的調(diào)節(jié)使UO穩(wěn)定，故稱晶體穩(wěn)定，故稱晶體管為調(diào)整管。管為調(diào)整管。 若要提高電路的穩(wěn)壓性能，若要提高電路的穩(wěn)壓性能，則應(yīng)加深電路的負(fù)反饋，即提則應(yīng)加深電路的負(fù)反饋，即提高放大電路的放大倍數(shù)。高放大電路的放大倍數(shù)。華成英 1. 穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使：若由于某種原

11、因使UO增大增大2. 輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍Z3321OZ32321URRRRUURRRRR同相比例同相比例運(yùn)算電路運(yùn)算電路則則 UO UN UB UO二、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路華成英 3. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成及其作用調(diào)整管調(diào)整管取樣電阻取樣電阻：是電路的核：是電路的核心，心，UCE隨隨UI和負(fù)載和負(fù)載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定產(chǎn)生變化以穩(wěn)定UO。比較放大比較放大基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓：是：是UO的的參考電壓。參考電壓。： 對對UO 的取樣，與基準(zhǔn)電壓共同決定的取樣，與基準(zhǔn)電壓共同決定UO 。：將：將UO 的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后放大，決定的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。電路的穩(wěn)壓

12、性能。華成英 4. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇IEmaxIR1ILmax ILmax ICMUCEmaxUImax UOmin U(BR)CEO PTmax IEmax UCEmax UOmax+UCES 應(yīng)取幾個(gè)極限值求出的負(fù)載電流最大值中最小的那個(gè)應(yīng)取幾個(gè)極限值求出的負(fù)載電流最大值中最小的那個(gè)作為電源的性能指標(biāo)作為電源的性能指標(biāo)最大負(fù)載電流最大負(fù)載電流華成英 討論二：關(guān)于實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論：關(guān)于實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論0BEmaxERUI1. 標(biāo)出集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端；標(biāo)出集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端；2. 電路由哪些部分組成？電路由哪些部分組成？3. UI21V，

13、R1 R2 R3300，UZ6V， UCES3V， UO？4. 如何選取如何選取R和和R？限流型過流限流型過流保護(hù)電路保護(hù)電路輸出電流輸出電流取樣電阻取樣電阻華成英 討論三：關(guān)于實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論：關(guān)于實(shí)用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論5. 取取樣電阻的取值應(yīng)大些還是小些，為什么？它們有上限值嗎？樣電阻的取值應(yīng)大些還是小些，為什么？它們有上限值嗎？6. 若電路輸出紋波電壓很大，則其原因最大的可能性是什么？若電路輸出紋波電壓很大，則其原因最大的可能性是什么？7. 根據(jù)圖中過流保護(hù)電路的原理組成一種限流型過流保護(hù)電路。根據(jù)圖中過流保護(hù)電路的原理組成一種限流型過流保護(hù)電路。其電流應(yīng)大于調(diào)整管的穿透電流其

14、電流應(yīng)大于調(diào)整管的穿透電流電路可能產(chǎn)生了自激振蕩電路可能產(chǎn)生了自激振蕩華成英 三、集成穩(wěn)壓器（三端穩(wěn)壓器）輸出電壓：輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V輸出電流：輸出電流：1.5A（W7800）、）、0.5A （W78M00）、）、0.1A（W78L00）1. W7800系列（1）簡介）簡介華成英 （2）基本應(yīng)用消除高頻噪聲消除高頻噪聲使使Co不通過不通過穩(wěn)壓器放電穩(wěn)壓器放電抵銷長線電感效應(yīng)，抵銷長線電感效應(yīng)，消除自激振蕩消除自激振蕩 將輸入端接整流濾波電路的輸出，將輸出端接負(fù)將輸入端接整流濾波電路的輸出，將輸出端接負(fù)載電阻，構(gòu)成串類型穩(wěn)壓電路。載電阻，構(gòu)成串類型穩(wěn)壓電路

15、。華成英 （3） 輸出電流擴(kuò)展電路 為使負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器的輸出電流，可采為使負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器的輸出電流，可采用射極輸出器進(jìn)行電流放大。用射極輸出器進(jìn)行電流放大。)(1 (ROLIII很小很小BEDOOUUUU三端穩(wěn)壓器的輸出電壓三端穩(wěn)壓器的輸出電壓若若UBE= UD，則，則OOUU二極管的作用：消除二極管的作用：消除UBE對對UO的影響。的影響。華成英 （4）輸出電壓擴(kuò)展電路2WO12O)1 (RIURRUIW為幾為幾mA，UO與三端與三端穩(wěn)壓器參數(shù)有關(guān)。穩(wěn)壓器參數(shù)有關(guān)。隔離作用隔離作用O1321OO21321URRRRUURRRRR基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓華成英 2. 基準(zhǔn)電壓源三端穩(wěn)壓

16、器 W117 輸出電壓輸出電壓UREF1.25V，調(diào)整端電流只有幾微安。，調(diào)整端電流只有幾微安。REF12O)1 (URRU減小紋波電壓減小紋波電壓保護(hù)保護(hù)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器華成英 討論三：W117的應(yīng)用的應(yīng)用A5 . 1mA3V40V3OOIIUU 1. R1的上限值為多少？的上限值為多少？2. UO可能的最大值為多少？可能的最大值為多少？3. 輸出電壓最小值為多少？輸出電壓最小值為多少？4. UOmax30V，選取選取R1、 R2；5. 已知電網(wǎng)電壓波動(dòng)已知電網(wǎng)電壓波動(dòng)10，輸出電壓最大值為，輸出電壓最大值為30V， UI至少取多少伏？至少取多少伏？決定于決定于IOmin兩種情況：兩種情況：1.

17、已知已知UI 2.自己選取自己選取UI決定于決定于W117的輸出的輸出輸入電壓最低、輸出電壓最高時(shí)，輸入電壓最低、輸出電壓最高時(shí)，UIminUOmax3V。根據(jù)輸出電壓表達(dá)式根據(jù)輸出電壓表達(dá)式華成英 10.4 開關(guān)型穩(wěn)壓電路一、一、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和基本原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和基本原理二、二、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路三、三、并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路華成英 一、開關(guān)型穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)及基本原理 線性穩(wěn)壓電源：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出電壓結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，紋波電壓小。缺點(diǎn)是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，穩(wěn)定性強(qiáng)，紋波電壓小。缺點(diǎn)是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，因而功

18、耗大，效率低（因而功耗大，效率低（2049）；需加散熱器，因而）；需加散熱器，因而設(shè)備體積大，笨重，成本高。設(shè)備體積大，笨重，成本高。 若調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高若調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高效率，開關(guān)型穩(wěn)壓電源的效率可達(dá)效率，開關(guān)型穩(wěn)壓電源的效率可達(dá)7095。體積小，。體積小，重量輕。適于固定的大負(fù)載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的重量輕。適于固定的大負(fù)載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的場合。場合。華成英 構(gòu)成開關(guān)型穩(wěn)壓電源的基本思路: 將交流電經(jīng)變壓器、整流濾波得到直流電壓將交流電經(jīng)變壓器、整流濾波得到直流電壓 控制調(diào)整管按一定頻率開關(guān)，得到矩形波控制調(diào)整管按一

19、定頻率開關(guān)，得到矩形波 濾波，得到直流電壓濾波，得到直流電壓引入負(fù)反饋，控制占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。引入負(fù)反饋，控制占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。ACDCACDC華成英 二、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路 T截止，截止， D導(dǎo)通，導(dǎo)通， uE UD ；L 釋放能釋放能量，量，C 放電。放電。調(diào)整管二極管續(xù)流 濾波電路T、D 均工作在開關(guān)狀態(tài)。均工作在開關(guān)狀態(tài)。 T飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通， D截止，截止，uE UI；L 儲(chǔ)能，儲(chǔ)能，C 充電。充電。uBUH時(shí)時(shí)uBUL時(shí)時(shí)1. 電路組成及工作原理華成英 2. 波形分析及輸出電壓平均值IDoffIonO )(UUTTUTTU調(diào)整管二極管續(xù)流 濾波電路關(guān)鍵技術(shù)：大功率高頻管，高質(zhì)量磁性材料關(guān)鍵技術(shù)：大功率高頻管，高質(zhì)量磁性材料穩(wěn)壓原理：若某種原因使輸出電壓升高，則應(yīng)減小占空比。穩(wěn)壓原理：若某種原因使輸出電壓升高，則應(yīng)減小占空比。華成英 3. 穩(wěn)壓原理脈沖寬度調(diào)制式：脈沖寬度調(diào)制式：PWM電路作用：電路作用： UO Ton UO 其它控制方式：其它控制方式：脈沖頻率調(diào)制式：脈沖頻率調(diào)制式： UO T（脈寬不變）（脈寬不變