第 直流穩(wěn)壓電源

會(huì)計(jì)學(xué)1第直流穩(wěn)壓電源5.1整流電路5.2濾波電路5.3直流穩(wěn)壓電路第5章直流穩(wěn)壓電源第1頁/共46頁5.1整流電路直流穩(wěn)壓電源的組成：第2頁/共46頁利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟缍O管等，將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路和全波整流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。5.1整流電路第3頁/共46頁5.1.1單相半波整流電路第4頁/共46頁當(dāng)u2為正半周時(shí)，二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，此時(shí)有電流流過負(fù)載，并且和二極管上的電流相等，即io=id。忽略二極管的電壓降，則負(fù)載兩端的輸出電壓等于變壓器副邊電壓，即uo=u2，輸出電壓uo的波形與u2相同。第5頁/共46頁當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，二極管D承受反向電壓而截止。此時(shí)負(fù)載上無電流流過，輸出電壓uo=0，變壓器副邊電壓u2全部加在二極管D上。第6頁/共46頁第7頁/共46頁第8頁/共46頁5.1.2單相橋式整流電路第9頁/共46頁u2為正半周時(shí)，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的路徑為：a→D1→RL→D3→b。第10頁/共46頁u2為負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，二極管D2、D4承受正向電壓而導(dǎo)通，D1、D3承受反向電壓而截止。此時(shí)電流的路徑為：b→D2→RL→D4→a。第11頁/共46頁第12頁/共46頁第13頁/共46頁第14頁/共46頁第15頁/共46頁第16頁/共46頁5.1.3三相橋式整流電路第17頁/共46頁0～t1期間，c點(diǎn)電位最高，b點(diǎn)電位最低，VD5和VD4導(dǎo)通。負(fù)載上的電壓uo就是線電壓ucb。電流通路為：c→VD5→RL→VD4→bt1～t2期間，a點(diǎn)電位最高，b點(diǎn)電位仍然最低，VD1和VD4導(dǎo)通，負(fù)載電壓uo為線電壓uab，電流通路為：a→VD1→RL→VD4→b同理，在t2～t3期間，a點(diǎn)電位最高，c點(diǎn)電位最低，于是二極管VD1和VD6導(dǎo)通，負(fù)載電壓uo為線電壓uac，電流通路為：a→VD1→RL→VD6→c依此類推，共陰極連接的3個(gè)二極管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5等時(shí)刻導(dǎo)通；共陽極連接的3個(gè)二極管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6等時(shí)刻導(dǎo)通。每個(gè)二極管導(dǎo)通1/3周期。第18頁/共46頁第19頁/共46頁5.2濾波電路整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動(dòng)較大，在某些應(yīng)用中如電鍍、蓄電池充電等可直接使用脈動(dòng)直流電源。但許多電子設(shè)備需要平穩(wěn)的直流電源。這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)功能來實(shí)現(xiàn)的。第20頁/共46頁5.2.1電容濾波電路第21頁/共46頁第22頁/共46頁單相橋式整流、電容濾波電路的輸出特性曲線如圖所示。從圖中可見，電容濾波電路的輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)波動(dòng)較大，說明它的帶負(fù)載能力較差，只適用于負(fù)載較輕且變化不大的場合。第23頁/共46頁第24頁/共46頁第25頁/共46頁5.2.2電感濾波電路電感濾波適用于負(fù)載電流較大的場合。它的缺點(diǎn)是制做復(fù)雜、體積大、笨重且存在電磁干擾。第26頁/共46頁5.2.3復(fù)合濾波電路LC、CLCπ型濾波電路適用于負(fù)載電流較大，要求輸出電壓脈動(dòng)較小的場合。在負(fù)載較輕時(shí)，經(jīng)常采用電阻替代笨重的電感，構(gòu)成CRCπ型濾波電路，同樣可以獲得脈動(dòng)很小的輸出電壓。但電阻對交、直流均有壓降和功率損耗，故只適用于負(fù)載電流較小的場合。第27頁/共46頁5.3直流穩(wěn)壓電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定且可調(diào)的直流電壓的電路稱為直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路按調(diào)整器件的工作狀態(tài)可分為線性穩(wěn)壓電路和開關(guān)穩(wěn)壓電路兩大類。前者使用起來簡單易行，但轉(zhuǎn)換效率低，體積大；后者體積小，轉(zhuǎn)換效率高，但控制電路較復(fù)雜。隨著自關(guān)斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發(fā)展，開關(guān)電源已得到越來越廣泛的應(yīng)用。第28頁/共46頁5.3.1并聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理：輸入電壓Ui波動(dòng)時(shí)會(huì)引起輸出電壓Uo波動(dòng)。如Ui升高將引起隨之升高，導(dǎo)致穩(wěn)壓管的電流IZ急劇增加，使得電阻R上的電流I和電壓UR迅速增大，從而使Uo基本上保持不變。反之，當(dāng)Ui減小時(shí)，UR相應(yīng)減小，仍可保持Uo基本不變。當(dāng)負(fù)載電流Io發(fā)生變化引起輸出電壓Uo發(fā)生變化時(shí)，同樣會(huì)引起IZ的相應(yīng)變化，使得Uo保持基本穩(wěn)定。如當(dāng)Io增大時(shí)，I和UR均會(huì)隨之增大使得Uo下降，這將導(dǎo)致IZ急劇減小，使I仍維持原有數(shù)值保持UR不變，使得Uo得到穩(wěn)定。第29頁/共46頁5.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路第30頁/共46頁（1）取樣環(huán)節(jié)。由R1、RP、R2組成的分壓電路構(gòu)成，它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓UF，送到比較放大環(huán)節(jié)。（2）基準(zhǔn)電壓。由穩(wěn)壓二極管DZ和電阻R3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成，它為電路提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓UZ，作為調(diào)整、比較的標(biāo)準(zhǔn)。（3）比較放大環(huán)節(jié)。由V2和R4構(gòu)成的直流放大器組成，其作用是將取樣電壓UF與基準(zhǔn)電壓UZ之差放大后去控制調(diào)整管V1。（4）調(diào)整環(huán)節(jié)。由工作在線性放大區(qū)的功率管Vl組成，Vl的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集、射電壓UCEl改變，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)整穩(wěn)定輸出電壓的目的。1、電路的組成及各部分的作用第31頁/共46頁2、電路工作原理當(dāng)輸入電壓Ui或輸出電流Io變化引起輸出電壓Uo增加時(shí)，取樣電壓UF相應(yīng)增大，使V2管的基極電流IB2和集電極電流IC2隨之增加，V2管的集電極電位UC2下降，因此Vl管的基極電流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo下降，使Uo保持基本穩(wěn)定。同理，當(dāng)Ui或Io變化使Uo降低時(shí)，調(diào)整過程相反，UCE1將減小使Uo保持基本不變。從上述調(diào)整過程可以看出，該電路是依靠電壓負(fù)反饋來穩(wěn)定輸出電壓的。第32頁/共46頁3、電路的輸出電壓如UZ=6V，R1=R2=RP=100Ω，則Ra+Rb=R1+R2+RP=300Ω，Rb最大為200Ω，最小為100Ω。由此可知輸出電壓Uo在9~18V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。第33頁/共46頁4、采用集成運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路其電路組成部分、工作原理及輸出電壓的計(jì)算與前述電路完全相同，唯一不同之處是放大環(huán)節(jié)采用集成運(yùn)算放大器而不是晶體管。第34頁/共46頁5.3.3線性集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓電路是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體積小、使用方便、工作可靠等特點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)用最為普遍的是3端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器。3端式是指穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端3個(gè)接線端子。如W78××和W79××系列穩(wěn)壓器。W78××系列輸出正電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多種，若要獲得負(fù)輸出電壓選W79××系列即可。例如W7805輸出+5V電壓，W7905則輸出－5V電壓。這類３端穩(wěn)壓器在加裝散熱器的情況下，輸出電流可達(dá)1.5～2.2A，最高輸入電壓為35V，最小輸入、輸出電壓差為2～3V，輸出電壓變化率為0.1％～0.2％。第35頁/共46頁1、外形和管腳排列第36頁/共46頁2、典型應(yīng)用電路（1）基本電路。第37頁/共46頁（2）提高輸出電壓的電路。輸出電壓Uo=U××+UZ第38頁/共46頁（3）擴(kuò)大輸出電流的電路。第39頁/共46頁（4）能同時(shí)輸出正、負(fù)電壓的電路。第40頁/共46頁5.3.4開關(guān)穩(wěn)壓電源1、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和分類（1）效率高。（2）體積小、重量輕。（3）對電網(wǎng)電壓的要求不高。（4）調(diào)整管的控制電路比較復(fù)雜。（5）輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。特點(diǎn)分類按控制的方式分，有脈沖寬度調(diào)制型（PWM）、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型3種。按是否使用工頻變壓器來分，有低壓開關(guān)穩(wěn)壓電路和高壓開關(guān)穩(wěn)壓電路兩種。按激勵(lì)的方式分，有自激式和他激式；按所用開關(guān)調(diào)整管的種類分，有雙極型三極管、MOS場效應(yīng)管和可控硅開關(guān)電路等。第41頁/共46頁2．開關(guān)型穩(wěn)壓電路的組成和工作原理組成第42頁/共46頁工作原理當(dāng)ut>uA時(shí)，比較器輸出高電平，uB=+UOM當(dāng)ut<uA時(shí)，比較器輸出低電平，uB=－UOM故調(diào)整管V的基極電壓uB成為高、低電平交替的脈沖波形。第43頁/共46頁uB為高電平時(shí)，調(diào)整管飽和導(dǎo)電，此時(shí)發(fā)射極電流iE流過電感和負(fù)載電阻，一方面向負(fù)載提供輸出電壓，同時(shí)將能量儲(chǔ)存在電感的磁場中。由于三極管V飽和導(dǎo)通，因此其發(fā)射極電位uE為：uE=Ui－UCES上式中Ui為直流輸入電壓，UCES為三極管的飽和管壓降。uE的極性為上正下負(fù)，故二極管VD被反向偏置，不能導(dǎo)通，此時(shí)二極管不起作用。當(dāng)uB為低電平時(shí)，調(diào)整管截止