直流穩(wěn)壓電源課件-2

1、第五章直流穩(wěn)壓電源前 言 在工農業(yè)生產和科學實驗中，主要采用電網提供的交流電。交流電具有易于產生、傳送、使用方便、價格便宜等優(yōu)點。但在某些場合，如直流電動機、蓄電池的充電、電解和電鍍等，都需要采用直流電源。電子設備及自動控制裝置中的電子電路都需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。為了獲得直流電，除了采用直流發(fā)電機直接產生直流電源外，廣泛采用的是變流的方法，即采用具有單向導電性的半導體器件將交流電變換為直流電。本章將分別介紹構成小功率穩(wěn)壓電源的變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個部分，并介紹集成的穩(wěn)壓器。5.1.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能5.1直流穩(wěn)壓電源概述 最簡單的小功率直流穩(wěn)壓電源如圖5.1.1所示，它由5

2、0 Hz的交流電經過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后得到了直流電源。其各部分功能如下。 （1）電源變壓器：將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。 （2）整流電路： 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。 （3）濾波電路：將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。 （4）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的穩(wěn)定。5.1.2直流穩(wěn)壓電源的類型5.1直流穩(wěn)壓電源概述 按輸出電源的類型分為直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負載的連接方式分為串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調整管的工作狀態(tài)分為線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源；按電路類型分為簡單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源等。5.2整流電路

3、 將交流電能轉化成直流電能的過程稱為整流，完成這一轉換的電路稱為整流電路。最簡單的整流電路是單相半波整流電路，而應用最廣泛的是單相橋式整流電路?，F(xiàn)以單相橋式全波整流電路為例，討論整流電路的基本工作原理及特性。5.2.1整流電路概述5.2整流電路 圖5.2.1是常用的單相橋式整流電路。 當u2為正半周時，a點電位最高，b點電位最低，二極管VD1和 VD3導通，VD2和VD4截止，電流的通路是aVD1RLVD3b。5.2.2單相橋式電路5.2整流電路 當u2為負半周時，a點電位最低，b點電位最高，二極管VD2和VD4導通，VD1和 VD3截止，電流的通路是bVD2RLVD4a。 這樣，在u2變化的

4、一個周期內，負載RL上始終流過自上而下的電流，其電壓和電流的波形為一全波脈動直流電壓和電流，見圖5.2.1（b）。設u2=U2sin t，則該電路的數(shù)量關系如下。 負載直流電壓指負載直流電壓的平均值，也就是整流電路輸出的直流電壓。 負載直流電流為 二極管平均電流為5.2.2單相橋式電路5.2整流電路 二極管最大反向電壓為 式（5.2.1）和式（5.2.2）是計算負載直流電壓和電流的依據(jù)。式（5.2.3）和式（5.2.4）是選擇二極管的依據(jù)，所選用的二極管參數(shù)必須滿足以下條件。 例5.2.1有一額定電壓24 V，電阻RL=60 的直流負載，采用單相橋式整流電路供電，交流電源電壓為220 V。 （

5、1）如何選用二極管？ （2）求整流變壓器的變比及容量。 【解】（1）負載電流為5.2.2單相橋式電路5.2整流電路 每個二極管通過的平均電流為 變壓器副邊電壓的有效值為 每個二極管承受的反向電壓為 因此可選用4個型號為2CP33A的晶體二極管（最大整流電流為0.5 A，最高反向工作電壓為50 V）。5.2.2單相橋式電路5.2整流電路 （2）變壓器的變比為 變壓器副邊電流的有效值為 變壓器的容量為5.2.2單相橋式電路5.2整流電路 例5.2.2試分析圖5.2.2所示橋式整流電路中的二極管VD2 或VD4 斷開時負載電壓的波形。如果VD2 或VD4 接反，后果如何？如果VD2 或VD4因擊穿或

6、燒壞而短路，后果又如何？ 【解】 當VD2或VD4斷開后電路為單相半波整流電路。正半周時，VD1和VD3導通，負載中有電流流過，負載電壓uO=u；負半周時，VD1和VD3截止，負載中無電流通過，負載兩端無電壓，uO=0。 如果VD2或VD4接反，則正半周時，二極管VD1、VD4或VD2、VD3導通，電流經VD1、VD4或VD2、VD3而造成電源短路，電流很大，因此變壓器及VD1、VD4或VD2、VD3將被燒壞。 如果VD2或VD4因被擊穿燒壞而短路，則正半周時，情況與VD2或VD4接反類似，電源及VD1或VD3也將因電流過大而被燒壞。 現(xiàn)在封裝成一個整體的多種規(guī)格的整流橋塊已批量生產，給使用者

7、帶來了方便。其外形如圖5.2.3所示。使用時只要將交流電壓接到標有“”的引腳上，從標有“+”和“-”的管腳引出的就是整流后的直流電壓。上述整流電路輸出的是脈動電壓，只能用于電鍍、電解和蓄電池5.2整流電路充電等對波形要求不高的工藝和設備中，但是像大多數(shù)電子設備中的直流電源，需要脈動程度小的平滑直流電壓，這時就需要在整流電路后面加入濾波電路。下一節(jié)將介紹加有濾波電路的整流電路。5.3濾波電路 濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路等。 常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾

8、波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波(包括倒L型、LC濾波、LC型濾波和RC型濾波等)。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成，則稱為有源濾波電路。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也稱為電子濾波器。5.3.1濾波電路概述5.3濾波電路 在整流電路輸出端與負載并聯(lián)一個電容器就構成了濾波電容電路，如圖5.3.1所示。5.3.2電容濾波電路5.3濾波電路 如果在單相橋式整流電路中不接電容濾波電路，輸出電壓的波形如圖5.3.2（a）所示。加接電容濾波電路之后，輸出電壓的波形就變成圖5.

9、3.2（b）所示的實線形狀。流過負載RL上的電流波形和流過二極管的電流波形如圖5.3.2（c）所示。5.3.2電容濾波電路5.3濾波電路 隨著負載的增加(指RL減小，IO增大)，放電時間常數(shù)RLC減小，放電加快，UO也就下降快，整流電路的輸出電壓平均值UO與輸出電流IO（負載電流）的變化曲線稱為整流電路的外特性曲線，如圖5.3.3所示。由圖可見，與無電容濾波時比較，輸出電壓平均值隨負載電阻的變化而有較大的變化，即外特性較差，或者說電容濾波電路帶負載能力較差。5.3濾波電路 通常，加適當電容量濾波電容后，整流電路輸出電壓的平均值如下。全波整流電容濾波UO=1.2U2 （5.3.1）半波整流電容濾

10、波UO=U2 （5.3.2） 采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數(shù)RLC有關系。RLC越大，脈動就越小。在加電容濾波的整流電路中選用二極管和電容器時應注意以下幾點。 由于電容濾波的結果，使二極管的導通角減小很多，流過的是沖擊性電流（iD的平均值近似等于負載電流的平均值IO，因為導通時間短，所以iD的峰值必然較大），容易使管子損壞。 二極管在半波整流電路中所承受的最大反向電壓為UDRM2 U2，即電源電壓最大值的2倍。這是由于電源電壓u2=-U2m時，電容器上還有一個略小于U2m的電壓存在所造成的。 電容器的容量C可按下式估算。5.3濾波電路 例5.3.1某負載要求直流電壓U

11、O=30 V，直流電流IO=0.5 A，采用帶電容濾波的單側橋式整流電路作為直流電源。試計算濾波電容器的電容量并確定其最大工作電壓的值。 【解】濾波電容量為 可選用1 000 F的電解電容。 變壓器二次側輸出電壓為 取U2=25 V。 電容器兩端可能加上的最大直流工作電壓就是變壓器副邊電壓的最大值 U2= 2535.4 V，實際可選用允許最大直流工作電壓為50 V的電容器即可。5.3濾波電路 由于電感元件的阻抗特性與電容器相反，具有通直抗交的作用，因此，將電感元件與負載電阻RL串聯(lián)起來，也能起到濾波作用。圖5.3.4是一個橋式整流電感濾波電路，它在整流電路之后與負載串聯(lián)一個電感器。5.3.3其

12、他濾波電路電感濾波電路15.3濾波電路 為了得到更好的濾波效果，還可以將濾波電容和濾波電感混合使用，構成復式濾波電路。在濾波電容C之前加一個電感L構成了LC濾波電路，如圖5.3.5（a）所示。這樣可使輸出至負載RL上的電壓的交流成分進一步降低。該電路適用于高頻或負載電流較大并要求脈動很小的電子設備中。5.3.3其他濾波電路復式濾波電路25.3濾波電路 例5.3.2一個單相橋式整流電容濾波電路如圖5.3.6所示。已知電源頻率f=50 Hz，負載電阻RL=80 ，輸出直流電壓UO=36 V。要求： （1）選擇整流二極管。 （2）選擇濾波電容器。 （3）負載電阻斷路時的輸出電壓UO。 （4）電容斷路

13、時的輸出電壓UO。 （5）當整流橋中的某一個二極管斷開時的輸出電壓UO。5.3濾波電路 【解】（1）選擇整流二極管。 負載直流電流為 二極管平均電流 二極管反向電壓最大值 因此，可選用2CZ51D整流二極管（IFM=50 mA，UDRM=100 V），也可選用硅橋堆QL-I型（IFM=50 mA，UDRM=100 V）。5.3濾波電路 （2）選擇濾波電容器。 因此，可選用C=680 F，UCM=50 V的電解電容。 （3）負載電阻斷路時，UO= U2= 3042.4 V。 （4）電容斷路時，UO=0.9U2=0.930=27 V。 （5）當整流橋中的某一個二極管斷開時的輸出電壓UO=1.0U2

14、=1.030=30 V。5.4穩(wěn)壓電路最簡單的直流穩(wěn)壓電源是采用穩(wěn)壓管來穩(wěn)定電壓的，如圖5.4.1所示。5.4.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的工作原理15.4穩(wěn)壓電路 （1）當負載RL不變而交流電網電壓增加時，其穩(wěn)壓過程如下。 輸出電壓UO基本穩(wěn)定。當電網電壓下降時，其穩(wěn)壓調節(jié)過程相反。 （2）當電網電壓不變而負載RL減?。↖O增加）時，其穩(wěn)壓過程如下。 輸出電壓UO基本穩(wěn)定。5.4穩(wěn)壓電路 由上述分析可知，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ即為穩(wěn)壓電路的輸出電壓值UO，當負載開路時，輸出電流可能全部流過穩(wěn)壓管，故選擇穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流通常為輸出電流的23倍。另外，整流濾波后得到的直流電壓UI應為輸出電壓的23

15、倍。 另外，在穩(wěn)壓調整過程中，限流電阻R是實現(xiàn)穩(wěn)壓的關鍵，限流電阻值的選取須滿足以下兩個條件。 （1）當輸入直流電壓為最小（為UImin）而負載電流最大（為IOmax）時，流過穩(wěn)壓管的電流最小，這個電流應大于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓范圍內的最小工作電流IZmax(一般取1 mA)，即（UImin-UO）/R-IOmaxIZmin。穩(wěn)壓元件的選擇25.4穩(wěn)壓電路 （2）當輸入直流電壓為最高（為UImax）而負載電流最?。镮Omin）時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，這個最大電流不應超過穩(wěn)壓管允許的最大穩(wěn)定電流IZmax，即（UImax-UO）/R-IOminIZmax。 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路雖然結構簡單，但受穩(wěn)壓管最大穩(wěn)

16、定電流的限制，負載取用電流較小，而且輸出電壓不能調節(jié)，電壓穩(wěn)定度也不高。所以只適用于輸出電壓不需調節(jié)、負載電流小、要求不高的場合。 例5.4.1有一個穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，見圖5.4.1。負載電阻RL由開路變到3 k，交流電壓經濾波后得UI=45 V?，F(xiàn)要求輸出直流電壓UO=15 V，試選擇穩(wěn)壓管VDZ。 【解】根據(jù)輸出電壓UO=15 V的要求，負載電流的最大值為 查半導體器件手冊，可選擇穩(wěn)壓管2CW20，其穩(wěn)定電壓UZ=（13.517）V，穩(wěn)定電流IZ=5 mA，IZmax=15 mA。5.4穩(wěn)壓電路 串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準電壓環(huán)節(jié)、 比較放大電路、調整環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)四部分組成，如圖5.4.2所示。

17、 5.4.2串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路電路組成15.4穩(wěn)壓電路 由圖5.4.2可知，輸入電壓UI=UCE+UO，取樣電壓 ，基準電壓U+=UZ。 當輸入電壓UI減小時，取樣電壓UF減小，而基準電壓UZ不變，其差值電壓經比較放大電路放大后使UB和IC增大，調整管VT的UCE減小，使UO升高，從而使輸出電壓UO恒定不變。穩(wěn)壓過程可簡單表示如下。 同理，當輸入電壓UI增大時，調節(jié)過程相反。 從穩(wěn)壓過程來看，該電路為一個閉環(huán)有差調節(jié)系統(tǒng)，反饋越深，調節(jié)作用越強，輸出電壓越穩(wěn)定，電路的穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻RO也越小。穩(wěn)壓原理25.4穩(wěn)壓電路 由圖5.4.2可得輸出電壓UO為 調節(jié)電位器RW即可改變UO的大小。當電

18、位器RW動端置下端時，UO最大，為 當電位器RW動端置上端時，UO最小，為 當改變電位器RW動端位置時，輸出電壓在UOminUOmax范圍內可連續(xù)調節(jié)。輸出電壓的調節(jié)范圍35.4穩(wěn)壓電路 國產三端固定式集成穩(wěn)壓器有CW7800系列和CW7900系列兩種，外形如圖5.4.3所示，它只有三個管腳。CW7800系列為正電壓輸出的集成穩(wěn)壓器，管腳1為輸入端，管腳2為輸出端，管腳3為公共端，接線圖如圖5.4.4所示。CW7900系列為負電壓輸出的集成穩(wěn)壓器，管腳1為公共端，管腳2為輸出端，管腳3為輸入端，接線圖如圖5.4.5所示。輸入和輸出端各接有電容CI和CO。CI用來抵消輸入端接線較長時的電感效應,為了防止產生振蕩，一般CW7800系列為0.33 F，CW7900系列為2.2 F 。CO的作用是為了在負載電流瞬時增減時，不致引起輸出電壓有較大波動，一般CW7800為0.1 F，CW7900 系列為1 F。輸出電壓有5 V、6 V、8 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等不同電壓規(guī)格，型號的后兩位數(shù)字表示輸出電壓值，如CW7805表示輸出電壓為5 V。5.4.3集成穩(wěn)壓器及其應用集成穩(wěn)壓器15.4穩(wěn)壓電路5.4穩(wěn)壓電路 使用時，除了輸出電壓值外，還要了解它們的輸入電壓和最大輸出電流等數(shù)值，這些參數(shù)可查閱有關手冊。5.5直流穩(wěn)壓電源仿