模擬電子技術基礎：第10章 直流電源

1第十章直流電源210.1直流電源的組成及各部分的作用10.2整流電路

第10章直流電源10.3濾波電路10.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路10.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.6開關型穩(wěn)壓電路310.1直流電源的組成及各部分的作用改變電壓值通常為降壓交流變脈動的直流減小脈動1)負載變化輸出電壓基本不變；2)電網(wǎng)電壓變化輸出電壓基本不變。

直流電源是能量轉換電路，將220V（或380V）50Hz的交流電轉換為直流電。半波整流全波整流

在分析電源電路時要特別考慮的兩個問題：允許電網(wǎng)電壓波動±10％，且負載有一定的變化范圍。410.2整流電路----單相整流電路對整流電路要研究清楚以下問題：1.電路的工作原理：二極管工作狀態(tài)、波形分析2.輸出電壓和輸出電流的平均值：輸出為脈動的直流電壓3.整流二極管的選擇：二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓

為分析問題簡單起見，設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：實際特性理想化特性正向?qū)妷簽?，正向電阻為0。51、單相半波整流電路u1u2TrDRLu0Tr：整流變壓器D：理想二極管UD>0，D導通；UD=0，I取決于外電路；UD

0，D截止；I=0，UD（負值）取決于外電路。RL：負載電阻U1，U2：正弦波6u1u2RLu0i0iDuDu2>0時，二極管導通，一、工作原理u2<0時，二極管截止，uoiotwu2twuDu0=u2，uD=0u0=

0

，uD=u2TrD7二、主要參數(shù)輸出電壓平均值：輸出電流平均值：

2UOIO脈動系數(shù)：基波電壓峰值整流輸出電壓的脈動系數(shù)S定義為整流輸出電壓的基波峰值UO1M與輸出電壓平均值UO(AV)之比。8二極管上承受的最高反向電壓：二極管的平均電流：三、整流元件選擇選擇依據(jù)：二極管上承受的最高反向電壓：URmax二極管上的平均電流：ID（AV）最大整流電流IFIF

1.1ID(AV)最大反向工作電壓URUR

1.1URmax9［例]在圖示整流電路中，已知變壓器副邊電壓有效值U2=30V，負載電阻RL=100

，試問：（1）負載電阻RL上的電壓平均值和電流平均值各為多少？（2）電網(wǎng)電壓波動范圍是±10%

，二極管承受的最大反向電壓和流過的最大電流平均值各為多少？解：（1）負載電阻上電壓平均值流過負載電阻的電流平均值（2）二極管承受的最大反向電壓二極管流過的最大電流平均值DRL+-uO+-uD～220V50HzAB10整流橋一、電路2、單相橋式整流電路u1u2TrD4D2D1D3RLu0簡化畫法u1u2TrRLu011+-u2正半周時：二、工作原理Tru1u2D4D2D1D3RLu0u2>0，D1，D3通，

D2，D4止；u2<0，D2，D4通，

D1，D3止；u0=u2u0=-u2u2負半周時：-+uoiotwu2tw12u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLu013三、各電量計算輸出電壓平均值：輸出電流平均值：uoiotw脈動系數(shù)：14二極管上承受的最高反向電壓：二極管的平均電流：三、整流元件選擇最大整流電流IFIF

1.1ID(AV)最大反向工作電壓URUR

1.1URmax

集成的橋式整流電路稱為整流堆。15變壓器付邊電流為正弦波！注意！16能夠輸出正、負電壓的橋式整流電路ABu2正半周時（A+，B-）D1，D3通，

D2，D4止；D2，D4通，

D1，D3止；u2負半周時：（A-，B+）twu2twuo1uo217[例]在圖中所示電路中，已知比壓器副邊電壓有效值U2=30V，負載電阻RL=100

。試問：（1）輸出電壓與輸出電流平均值各為多少？（2）當電網(wǎng)電壓波動范圍為±10%，二極管的最大整流平均電流IF與最高反向工作電壓UR至少應選取多少？解：1.輸出電壓平均值輸出電流平均值2.二極管的最大整流平均電流IF與最高反向工作電壓UR分別應滿足D1RL+-uOu2～220V50HzABD2D4D318u0u1u2u1abD4D2D1D3RLSu2uo電源短路例橋式整流電路中，若D3斷開、短路，反向會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？1910.3濾波電路濾波原理:交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路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,將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))，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。低通濾波電容C:與負載并聯(lián)電感L:與負載串聯(lián)2010.3.1.電容濾波電路橋式整流電容濾波電路u1u2u1abVD4VD2VD1VD3RLu0C接在整流電路之后，與負載并聯(lián)；一般選擇極性電容器。濾波電容C21u2tu0t沒有電容時的輸出波形一、濾波原理0

/2t1t2C事先未充電0~

/2u2>

uo，D1、D3通，C充電

C放電，指數(shù)規(guī)律，快！u2>

uo，D1、D3仍導通uo正弦規(guī)律uo仍為正弦規(guī)律~t2t1C放電，

uo指數(shù)規(guī)律有電容時的輸出波形~t1

/2u2正弦規(guī)律，慢！u1u2u1abD4D2D1D3RLu0C22u0tt1t2理想情況下橋式整流電容濾波電路輸出波形：考慮變壓器內(nèi)阻和二極管管壓降時，在二極管導通期間輸出電壓略有下降。輸出波形：理想情況下半波整流電容濾波電路輸出波形：u2tu0t有電容時的輸出波形沒有電容時的輸出波形uO0

t

223u0tu2tu2<uo時，二極管截止，電容通過RL放電，u0逐漸下降。電容的放電電流填補了波形的部分空白，使輸出電壓的平均值增大。u0tu2t濾波電容在u2>

uo時充電，在u2<uo時放電。橋式整流電容濾波時，每個周期充、放電兩次；半波整流電容濾波時，每個周期充、放電一次；24輸出電壓的平滑程度和平均值與電容的放電時間常數(shù)RLC有關。RLC越小，輸出電壓越低，輸出電壓中含紋波成分越大。RLC大RLC小UOUO若空載（RL開路），輸出波形如何？25二、濾波電容的選擇與輸出電壓的估算

C容量選擇：T：交流電壓的周期

C耐壓選擇：

輸出電壓的估算：RLC愈大

電容器放電愈慢

U0(平均值)愈大。26

輸出電壓的估算：橋式整流電容濾波:TRLCtw27若滿足：則：半波整流電容濾波:同理，可得：28三、脈動系數(shù)基波峰-峰值基波峰值：脈動系數(shù)：TtwRLC29四、整流二極管導通角uO0

t

2i0

t2

iDiO

無濾波電容時θ＝π。

有濾波電容時θ<π，且二極管平均電流增大，故其峰值很大！導通角30五、電容濾波電路的輸出特性和濾波特性輸出特性(外特性):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。濾波特性:S0IO（AV）RLC減小0.9U20IO(AV)UO(AV)RLC減少31[例]在橋式整流電容濾波電路中，要求輸出電壓平均值

UO（AV）=15V，IO（AV）=100mA，UO（AV）=1.2U2。求：濾波電容的大小，考慮到電網(wǎng)電壓波動

10%，濾波電容的耐壓值。解：32一.電感濾波電路在橋式整流電路與負載間串入一電感L，就構成了電感濾波電路。1）電路10.3.3其他形式的濾波電路u2u1RLLu033

當回路電流減小時，感生電動勢的方向阻止電流的減小，從而增大二極管的導通角。電感對直流分量的電抗為線圈電阻，對交流分量的感抗為ωL。適于大電流負載！一.電感濾波電路10.3.3其他形式的濾波電路343）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。

電感鐵芯笨重,體積大,易引起電磁干擾。351）LC

型濾波器LC

型濾波電路電路同電感濾波電路。二、復式濾波電路濾波原理及應用場合u2u1RLLu0C2C1為了改善濾波特性，可采取多級濾波的辦法,如在電容濾波后再接一級（LC或RC）濾波電路，從而構成（LC或RC）

-

型濾波電路。362）RC-

濾波RC-

u0Ru2u1C1C2RL電路濾波原理橋式整流電路輸出的直流脈動電壓經(jīng)C1濾波后，仍含有一定的紋波成分，再經(jīng)R和C2使其中的交流分量較多地降在電阻兩端（因為電容C2的交流阻抗很?。?，而較少地降在負載上，從而有較好的濾波效果。37為獲得更好的濾波效果，可采用各種復式濾波電路。電感應與負載串聯(lián)，電容應與負載并聯(lián)。38特點

電阻上有直流壓降損失；

適用于負載電流較小，又要求輸出電壓脈動很小的場合。

濾波效果好，脈動分量?。?9討論

已知變壓器副邊電壓有效值為10V，電容足夠大，判斷下列情況下輸出電壓平均值UO（AV）≈？

1.正常工作；

2.C開路；

3.RL開路；

4.D1和C同時開路。40穩(wěn)壓電路一、穩(wěn)壓電路的性能指標二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路三、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路四、集成穩(wěn)壓器五、開關型穩(wěn)壓電路41一、穩(wěn)壓電路的性能指標1.輸出電壓2.輸出電流3.穩(wěn)壓系數(shù)表明電網(wǎng)電壓波動時電路的穩(wěn)壓性能。在負載電流不變時，輸出電壓相對變化量與輸入電壓變化量之比。4.輸出電阻表明負載電流變化時電路的穩(wěn)壓性能。在電網(wǎng)電壓不變時，負載變化引起的輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量之比。5.紋波電壓測試出輸出電壓的交流分量。42穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管的擊穿電壓穩(wěn)定電流IZ：使穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)的最小電流最大耗散功率PZM：允許的最大功率，PZM=IZMUZ動態(tài)電阻rz：工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，rz＝ΔU/ΔI1.穩(wěn)壓管的伏安特性和主要參數(shù)伏安特性符號等效電路10.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路4310.4.1電路組成穩(wěn)壓電路

R：調(diào)整電阻

DZ：穩(wěn)壓管與負載電阻RL并聯(lián)u2u1RLuOCDZuZuIRuRiuOUZIZIZM10.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路4410.4.2穩(wěn)壓原理當電源電壓波動引起輸出變化時，調(diào)整過程如下：電網(wǎng)電壓↑→UI↑→UO(UZ)↑→IDZ↑→IR↑→UR↑

UO↓RL+-uOR-DZCu2～220V50HzABUI+IRIDZIO+穩(wěn)壓電路當負載變化引起輸出變化時，調(diào)整過程如下：RL↓→UO(UZ)↓→IDZ↓→

IDZ-

IL→IR→IR基本不變

→UO基本不變

4510.4.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標（1）輸出電壓UO＝UZ（2）輸出電流IZmax－IZmin≤IZM－IZ（3）穩(wěn)壓系數(shù)（4）輸出電阻

簡單易行，穩(wěn)壓性能好。適用于輸出電壓固定、輸出電流變化范圍較小的場合。4.特點4610.4.4電路參數(shù)的選擇1.穩(wěn)壓電路輸入電壓UI的選擇2.穩(wěn)壓管選擇iuOUZIZIZMRL+-uOR-DZCu2～220V50HzABUI+IRIDZIO+穩(wěn)壓電路47電網(wǎng)電壓最高且負載電流最小時，穩(wěn)壓管的電流最大。3.限流電阻R的選擇iuOUZIZIZMRL+-uOR-UI+IRIDZIO電網(wǎng)電壓最低且負載電流最大時，穩(wěn)壓管的電流最小。48討論一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設計依次選擇穩(wěn)壓管、UI、R、C、U2、二極管1.輸出電壓、負載電流→穩(wěn)壓管2.輸出電壓→UI3.輸出電壓、負載電流、穩(wěn)壓管電流、UI→R4.UI

、R→濾波電路的等效負載電阻→C5.UI→U26.U2、R中電流→整流二極管

已知輸出電壓為6V，負載電流為0～30mA。試求圖示電路的參數(shù)。49習題（寫在作業(yè)本上）P569:10.5，10.7，10.8,10.12，思考題：P522,P529,P535,P557自測題：P5665010.5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路10.5.1串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理一、基本調(diào)整管電路RL+-R-DZUI+UOTRL+-R-DZUI+UOT調(diào)整管穩(wěn)壓原理：電網(wǎng)電壓↑→UO↑→UE↑→UZ不變→UBE↓→IE↓→UO↓

UO

穩(wěn)定負載變化511.穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使UO增大2.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍同相比例運算電路則UO↑→UN↑→UB↓→UO↓二、具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路52三.串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成及其作用調(diào)整管取樣電阻調(diào)整管：是電路的核心，UCE隨UI和負載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定UO。比較放大基準電壓基準電壓：是UO的參考電壓。取樣電阻：對UO

的取樣，與基準電壓共同決定UO

。比較放大：將UO

的取樣電壓與基準電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。53四.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇IEmax＝IR1＋ILmax≈ILmax<ICMUCEmax＝UImax－UOmin

<U(BR)CEO

PTmax＝IEmax

UCEmax

<PCM根據(jù)極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO、PCM選擇調(diào)整管！應考慮電網(wǎng)電壓的波動和負載電流的變化！選擇調(diào)整管T時，應保證54當負載電流最大時，流過T管發(fā)射極的電流最大忽略R1上的電流，當電網(wǎng)電壓最高，即輸入電壓最高，同時輸出電壓又最低時，調(diào)整管承受的管壓降最大

當晶體管的集電極電流最大，且管壓降最大時，調(diào)整管的功率損耗最大55[例]電路如圖所示，已知輸入電壓UI的波動范圍為±10%，調(diào)整管的飽和壓降UCES=2V，輸出電壓UO的調(diào)節(jié)范圍為5~20V，R1=R3=200

。試問：（1）穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ和R2的取值各為多少？（2）為使調(diào)整管正常工作，在電網(wǎng)電壓為220V時，UI的值至少應取多少？解：（1）輸出電壓最小值為：最大值為將UOmin=5V、UOmax=20V、R1=R3=200

代入上式，解二元方程，可得R2=600

，UZ=4V。RL+--DZUI+UOTR3R2R1A+-R基準電壓電路調(diào)整管比較放大取樣電路56解：（2）即得出UI>24.7V，故UI至少應取25V。RL+--DZUI+UOTR3R2R1A+-R基準電壓電路調(diào)整管比較放大取樣電路57討論二：對于基本串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論3.若電網(wǎng)電壓波動±10％，UI為28V，

UO為10V～20V；晶體管的電流放大系數(shù)為50，PCM＝5W，ICM＝1A；集成運放最大輸出電流為10mA，則最大負載電流約為多少？1.若UO為10V～20V，R1＝R3＝1kΩ，則R2和UZ各為多少？2.若電網(wǎng)電壓波動±10％，UO為10V～20V，UCES＝3V，UI至少選取多少伏？58討論三：關于實用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的討論1.標出集成運放的同相輸入端和反相輸入端；2.電路由哪些部分組成？3.UI＝21V，R1＝R2＝R3＝300Ω，UZ＝6V，UCES＝3V，UO＝？4.如何選取R’和R？限流型過流保護電路輸出電流取樣電阻5910.5.3集成穩(wěn)壓器電路一、W7800三端穩(wěn)壓器

常用的W7800和W7900系列三端集成穩(wěn)壓器（只有輸入，輸出和公共引出端）。W78系列(輸出正電壓)W79系列(輸出負電壓)輸出電壓額定電壓值有:5V、9V、12V、18V、24V等。601.基本應用電路DW7800RL+-UOUI+-Ci0.33uFCo1uF輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V

UI：整流濾波后的直流電壓；

CI：抵消輸入線較長時引起的電感效應；

CO：消除輸出中的高頻噪聲。

將輸入端接整流濾波電路的輸出，將輸出端接負載電阻，構成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。使Co不通過穩(wěn)壓器放電10.5.4三端穩(wěn)壓器的應用612.擴大輸出電流的穩(wěn)壓電路W7800RL+-UOUI+-C1C2D10uF+RTIRIO623.輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路W7800RL+-UOUI+-CiCoR1IR1IWR2IR263RL+--CiUI+UOR3R2R1A+-W7800Co+-U’O輸出電壓可調(diào)的實用穩(wěn)壓電路64W7800RL+UO+UICiCoW7900Ci’Co’-UI-UOD1D24.正、負輸出穩(wěn)壓電路65R1+--UI+UOA+-基準電壓電路保護電路R2+-UREFI1I2輸入端輸出端調(diào)整端二、W117三端穩(wěn)壓器1.原理框圖2.主要參數(shù)66W117R+-UOUI+-CiCo三、W117的應用1.基準電源電壓輸出端調(diào)整端1.25V67W117RL+-UOUI+-CiCoR1IR1IWR2IR22.典型應用68W117RL+-UOUI+-CiCoR1R2C+10uFD2D1濾波電容69W117+-UOUI+-CiCoR1R2RD0RD1RD2RD3D0D1D2D33.程序控制穩(wěn)壓電路70討論四：W117的應用1.R1的上限值為多少？2.UO可能的最大值為多少？3.輸出電壓最小值為多少？4.UOmax＝30V，選取R1、R2；5.已知電網(wǎng)電壓波動±10％，輸出電壓最大值為30V，UI至少取多少伏？決定于IOmin兩種情況：1.已知UI2.自己選取UI決定于W117的輸出輸入電壓最低、輸出電壓最高時，UI－UO＞3V。根據(jù)輸出電壓表達式7110.6開關型穩(wěn)壓電路

1.開關型穩(wěn)壓電源的特點

線性穩(wěn)壓電源：結構簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出電壓穩(wěn)定性強，紋波電壓小。缺點是調(diào)整管工作在甲類狀態(tài)，因而功耗大，效率低（20％～49％）；需加散熱器，因而設備體積大，笨重，成本高。

若調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，則勢必大大減小功耗，提高效率，開關型穩(wěn)壓電源的效率可達70％～95％。體積小，重量輕。適于固定的大負載電流、輸出電壓小范圍調(diào)節(jié)的場合。72構成開關型穩(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↓控制調(diào)整管按一定頻率開關，得到矩形波↓濾波，得到直流電壓引入負反饋，控制占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。732.串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路

（1）基本電路

①電路組成及工作原理

T截止，D導通，uE≈－UD；L

釋放能量，C