模擬電子電路原理與設計基礎：10 直流電源

1、直流穩(wěn)壓電源組成與功能單向整流電路集成穩(wěn)壓電源單相半波整流電路單相全波整流電路單相橋式整流電路主 要 參 數(shù)串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路濾波電路L-C型濾波電路L-C型濾波電路倍壓整流電路電容濾波電路電感濾波電路R-C型濾波電路其他濾波電路影響因素輸出電壓電路結構穩(wěn)壓原理主要性能指標電路缺點改進措施過流保護電源變壓器: 將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的 交流電壓u2。整 流 電 路濾 波 電 路穩(wěn) 壓 電 路u1u2u3u4uo整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交?直流電壓u4。穩(wěn)壓電路: 清除電網波動及負載變化的影響, 保持輸出電壓uo

2、的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能Exit整流電路的任務：把交流電壓轉變?yōu)橹绷髅}動的電壓。 常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理。單相整流電路Exitu2 0 時，二極管導通iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降： uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20 時D1,D3導通D2,D4截止電流通路:A D1RLD3Bu20 時D2,D4導通D1,D3截止電流通路:B D2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB單相整流電路E

3、xit幾種常見的硅整流橋外形：+ A C -+- + - 單相整流電路Exit1. 整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時，負載電壓 Uo的平均值為:負載上的(平均)電流:整流電路的主要參數(shù)單相整流電路Exit S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。2. 脈動系數(shù)用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出 uo 分解后可得:整流電路的主要參數(shù)單相整流電路Exit選擇整流管的主要依據(jù)例如： 在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導通。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負載平均電流的一半。 二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：3. 平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)整流電路的主要參數(shù)

4、單相整流電路Exit結構特點: 電容與負載 RL 并聯(lián)，或電感與負RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)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，達到平滑輸出電壓波形的目的。濾波電路Exit以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。一、濾波原理橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+電容濾波電路濾波電路Exit1.RL未接入時(忽略整流電路內阻)u2tuot設t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結束沒有電容時的輸出波形一、濾波原理電容濾波電路濾波電路au1u2u1b

5、D4D2D1D3RLuoSC+電路圖Exit2.RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內阻)u2tuot電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會逐漸下降。一、濾波原理電容濾波電路濾波電路電路圖au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+Exituot只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD 。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。整流電路的輸出電流iD采用電容濾波時，整流管的導通角較小。u2t2.RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內阻)一、濾波原理電容濾波電路濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iD電路圖Exituo

6、t電容充電時，電容電壓滯后于u2。整流電路的輸出電流RLC越小，輸出電壓越低。3. RL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內阻)u2t一、濾波原理電容濾波電路濾波電路電路圖au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+Exit一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。RLC 越大 Uo越高 負載電流的平均值越大 ; 整流管導電時間越短 iD的峰值電流越大二、電容濾波電路的特點(1) 輸出電壓Uo與放電時間常數(shù)RLC有關。RLC 愈大 電容器放電愈慢 Uo(平均值)愈大電容濾波電路濾波電路Exit(2) 流過二極管瞬時電流很大。故一般選管時，取二、電容濾波電路的特點電容濾波電路濾

7、波電路(3) 輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL 輸出波形隨RL 或 C 的變化而改變, Uo 和S 也隨之改變。結論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。Exit一、二倍壓整流電路u2的正半周時：D1導通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負半周時：D2導通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負載上的電壓：+u1u2+D1C2C1D2uoRL倍壓整流電路的工作原理濾波電路Exit+二、多倍壓整流電路+u2的第一個正半周：u2、C1、D1構成回路，C1充電到：u2的第一個負半周：u2、C2、D2 、C1構成回路

8、，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6倍壓整流電路的工作原理濾波電路Exit改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：L-C 型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC 型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。 性能及應用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC 型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C 型濾波電路。其他形式的濾波電路濾波電路Exit電路結構: 在橋式整流電路與負載間串入一電感L。電感濾波電路u2u1RLLuo1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路Exit濾波原理對直流分量: XL=0 相當于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量: f 越高，XL

9、 越大,電壓大部分降在XL上。 因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。Uo=0.9U2當忽略電感線圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：u2u1RLLuo1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路電路圖Exit電感濾波的特點整流管導電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。1) 電感濾波其他形式的濾波電路濾波電路ExituoRu2u1C1C2uo1RL 設uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，則uo的直流分量：2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exituo的交流分量的基波的幅值：uoRu

10、2u1C1C2uo1RL2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S的關系：2) RC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exitu2u1LuoCRLuo1設uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，：3) L-C 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S的關系：3) L-C 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exitu2u1LuoC2RLuo1C1 LC 型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比只有LC濾波時更小，波形更加平滑；由于在輸入端接

11、入了電容，因而較只有LC濾波時，提高了輸出電壓。4) LC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路Exit+C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6 u2、C1、C3 、D3 、C2構成回路， C1補充電荷， C3充電到： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構成回路， C2補充電荷， C4充電到： 把電容接在相應電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。4) LC 型濾波電路其他形式的濾波電路濾波電路u2的第二個正半周u2的第二個負半周Exit穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路開關型穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路常用穩(wěn)壓電路(小功率設備)以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基

12、準電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因學時有限，這里不做介紹。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit一、電路結構1.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式 負載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴大（1+）倍。 實際上是射極輸出器，Uo=UZ-UBE 。但帶負載的能力比穩(wěn)壓管強。TUORL+UZUIiRiZiL串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit兩個主要缺點：(1) 穩(wěn)壓效果不好。Uo=UZ UBE(2) 輸出電壓不可調。改進的方法：在穩(wěn)壓電路中引入帶電壓負反饋的放大環(huán)節(jié)。一、電路結構1.串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路TUORL+UZUIiRiZiLExit2.

13、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路T+_UIUO比較放大基 準取 樣URFUO+_C2RL調整元件+一、電路結構串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路與負載串聯(lián)，通過全部負載電流?？梢允菃蝹€功率管，復合管或用幾個功率管并聯(lián)。可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運算放大器?？捎煞€(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準電壓相比較。 因調整管與負載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。Exit一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源UoUB2UBE2( = UB2-UZ）UC2Uo當 UI 增加或輸出電流減小使 Uo升高時:R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+

14、_+_UIUB2二 、穩(wěn)壓原理串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit三 、輸出電壓的確定和調節(jié)范圍串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2Exit2. 流過穩(wěn)壓管的電壓隨 UI 波動，使UZ 不穩(wěn)定，降低了穩(wěn)壓精度。1. 電路對電網電壓的波動抑制能力較差。例：UIVC2 Uo 3. 溫度變化時，T2組成的放大電路產生零點漂移，時輸出電壓的穩(wěn)定度變差。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2四、影響穩(wěn)壓特性的主要因素串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit在運放理想條件下: 1. 選用差動放大器或運放構成的

15、放大器代替T2管構成的放大器，可以解決零點漂移的問題。串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路UITR1R2UFRLUoAV+-RWRUZ五、改進措施串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit采用輔助電源(比較放大部分的電源)。用恒流源負載代替集電極電阻以提高增益。4. 調整管采用復合三極管以擴大輸出電流的范圍。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2五、改進措施串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路ExitT1RT1IL1. 限流型：當調整管的電流超過額定值時，對調整管的基極電流進行分流，使發(fā)射極電流不至于過大。當IL不超過額定值時，T1截止；當IL超過額定值時， T1導通，其集電極從T1的基

16、極分流。R為一小電阻，用于檢測負載電流。*六 、過流保護串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit2. 截流型: 過流時使調整管截止或接近截止。T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4 輸出電流在額定值以內時： 三極管T2截止，這時，電壓負反饋保證電路正常工作。UO U+ UO UB1 *六 、過流保護串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit 輸出電流超出額定值時： 因輸出電壓降低，三極管T2逐漸導通，U+ ，穩(wěn)壓管截止，電壓負反饋被切斷。這樣:U+ UB1 UC1 (=UO)UB2 IC2 U+ 最終UO降低到零。2. 截流型: 過流時使調整管截止或接近截止。*六 、過流保護串聯(lián)反饋式穩(wěn)

17、壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4Exit損耗 (P=UCE IL) 大電源的效率 ( =Po/Pi=UoIL/UiIi) 較低為了提高效率，可采用開關型穩(wěn)壓電源。調整管工作在線性放大區(qū)，當負載電流較大時:七、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路缺點串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit一、穩(wěn)壓系數(shù) S 反映電網電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當負載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。二、輸出電阻Ro 反映穩(wěn)壓電路受負載變化的影響。定義為當輸入電壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實際上就是電源戴維南等效電路的內阻。八、穩(wěn)壓電路的主要性能指標串聯(lián)

18、反饋式穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit現(xiàn)在已生產并廣泛應用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部附有短路和過熱保護環(huán)節(jié)。集成穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電路ExitW7800系列穩(wěn)壓器外形1231端: 公共端2端: 輸入端3端: 輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形123 硅片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部附有短路和過熱保護環(huán)節(jié)。1端: 輸入端2端: 公共端3端: 輸出端集成穩(wěn)壓電源串聯(lián)型穩(wěn)壓電路Exit注：型號