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第10章 直流电源第10章 直流电源10.1 直流电源的组成10.2 整流电路10.3 滤波电路10.4 稳压电路2020/4/29回首页1第10章 直流电源10.1直流电源的组成变压器：变压器：整流：整流：滤波：滤波：稳压：稳压：变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定。2020/4/29回首页2第10章 直流电源10.2整流电路10.2.1单相半波整流电路1、工作原理u2?2U2sin?tTDa+u20时，二极管导通。u1u2i0R忽略二极管正向压降：Lu0u0=u2b-2020/4/29回首页3第10章 直流电源u2?2U2sin?tTa-Dui0=01u2Ru止20Lu0,输出电流为时，二极管截0。b+i0=0u0=02020/4/29回首页4第10章 直流电源2.输出电压波形与主要参数TDa输出电压波形u1ui02RLu0uob?t输出电压平均值：U12?2U2o?2?0uod?t?0.45U22020/4/29回首页5第10章 直流电源TDa输出电压波形：u1ui20RLu0uo?tb负载平均电流：二极管承受的最高反向电压：IU00.45 U20?ID?R?URM?2U2LRL2020/4/29回首页6第10章 直流电源整流输出电压的脉动系数脉动系数S定义为整流输出电压的基波幅值U01M与平均值U0之比。用傅氏级数对全波整流的输出u0分解后可得:uo?2U2(1?12sin?t?23?cos2?t?215?cos4?t?S?U01m?U?1.5702uo?t2020/4/29回首页7第10章 直流电源10.2.2单相全波整流电路1、工作原理TDa+1u1u-i20u0RL+u2b-D22020/4/29回首页8第10章 直流电源2.输出电压波形与主要参数TD1a+输出电压波形：uou1ui02RL?t+-u2u0输出电压平均值：b-UD0=0.9U2负载平均电流：2二极管承受的最高反向电压：IU0U20?R?0.9ULRLRM?2 2U22020/4/29回首页9第10章 直流电源10.2.3单相桥式整流电路1、工作原理T+uD1u42DRL1D3u0D2-u2正半周时电流通路2020/4/29回首页10第10章 直流电源T-uD41uR2DL1D3D2u0+u2负半周时电流通路2020/4/29回首页11第10章 直流电源2.输出电压波形与主要参数+D4R输出电压平均值：Lu2D1DuU300=0.9U2D2负载平均电流：-IU0U2u0?2R?0.9LRL?tu二极管承受的最高反向电压：D4,uD2uD3,uD1?tuUoRM?2U2?t2020/4/29回首页12第10章 直流电源整流输出电压的脉动系数S用傅氏级数对全波的输出u0分解后可得:u0?2U2(?2?43?cos2?t?415?cos4?t?S?U4o1m2U?3?0.67o2?3S比半波整流小比半波整流小S?U01mU?1.57022020/4/29回首页13第10章 直流电源整流管二极管的选择平均电流ID与反向峰值电压URM是选择整流管的主要依据。只二极管的平均电流在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通，流过每ID是负载平均电流的一半。I1U2D?2Io?0.45RL二极管截止时两端承受的最大反向电压：URM?2U22020/4/29回首页14几种常见的硅整流桥+D4u2D1D3第10章 直流电源RLu0-D2+-+-+A C -2020/4/29回首页15第10章 直流电源10.3滤波电路10.3.1电容滤波1、原理利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份。auD41u1u2D1SD3Cu0DR2Lb2020/4/29回首页16au1第10章 直流电源u1u2D4D1D3CD2Su0RLReqi1bRL未接入,忽略整流电路内阻u2t1uocuR01设t1时刻接通电源整流电路为电容充电2020/4/29t充电结束没有电容时的输出波形u0t回首页17au1第10章 直流电源u1D4u2D3D1CD2SRLu0bRL接入（且RLC较大）,忽略整流电路内阻u2t电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，u0会逐渐下降。2020/4/29u0RL未接未接入回首页RL接入t18au1第10章 直流电源u1D4u2D1D3CD2SRLu0Reqi1b整流电路输出电压大于u0的时间区间，才有充电电流。因此整流电路的输出电流是脉冲波。u2uocuR01tu0整流电路的输出电流t2020/4/29回首页19au1第10章 直流电源u1u2D4D1SCD2RLD3u0Reqi1b不忽略整流电路内阻，充电时，电容电压小于u2。uocuR0u21tRLC越小，放电越快,输出电压u0越低u0Lt输出波形随负载电阻R 或C的变化而改变。2020/4/29回首页20第10章 直流电源2.输出特性(外特性)1.4Uuo2电容滤波纯电阻负载0.9U2Io0如RL愈小(I0越大),U0下降多。结论电容滤波电路适用于输出电压较高且负载变动不大的场合。,负载电流较小2020/4/29回首页21第10章 直流电源3.电容滤波电路的特点(1)输出电压U0与时间常数RLC有关RLC愈大?电容器放电愈慢?U0愈大，一般取d?RLC?(3?5)T2(T:电源电压的周期)有RL,近似估算Uo:半波整流电容滤波桥式整流电容滤波UU0=1.2U2；0=U2。(2)流过二极管瞬时电流很大一般选管时，取ID?(23)I01 U02?(23)2 RL2020/4/29回首页2210.3.2倍压整流电路C1D2第10章 直流电源需要高电压、小电流的直流电源，可用倍压整流电路。1.二倍压整流电路倍压原理倍压原理当正半周时：C1充电到u1+u2D1C2+RLU02U2+当负半周时：C2充电到22U2在实际电路中：RL较大，电流小，U0近似为22U2二极管所承受的最高反向电压：URM=22U22020/4/29回首页232.多倍压整流电路第10章 直流电源+u1u2C1D2D1C2+RLU0每个二极管所承受的最高反向电压均为22U252U2+u1+42U2+倍压倍压(高压高压)2020/4/29回首页24第10章 直流电源10.3.3电感滤波1.滤波原理Lu1u2RLu0对直流分量对谐波分量，(f=0)f 越高，X,XL=0 相当于短路电压大部分降在,电压大部分降在XRL上。L越大,L上。当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：U0=0.9U22020/4/29回首页25第10章 直流电源2.电感滤波的特点峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。2020/4/29回首页26第10章 直流电源3.复式滤波电路再接一电容。从而构成在电容滤波后再接一级及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似RC-?RC型或滤波电路，或在电感滤波后面LC-?型滤波电路，。其性能Ru1u2u0C1CRLu202020/4/29回首页2710.4 稳压电路常用稳压电路第10章 直流电源稳压管稳压电路为什么要稳压为什么要稳压串联型稳压电路开关型稳压电路1、当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，输出电压要变化。2、当电网电压波动时，整流滤波电路输出的直流电压不稳定。2020/4/29回首页2810.4.1稳压管稳压电路稳压二极管I第10章 直流电源1、特点：反向击穿区非常陡稳压峭。正常工作时处于反向击误差穿状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。?UZ2、稳压二极管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）动态电阻UZ+IZIZmaxU?IZrZ?UZ?IZ曲线越陡，电压越稳定。（3）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（4）最大允许功耗P?UZMZIZmax回首页292020/4/29稳压电路基本方程：IR=IZ+I0U0=UZUI=IRR+UZ=IRR+U0+第10章 直流电源R IO IZ DZ+IR UI-UO-RL UZ少量的增加会使IZ增加较大。当RL不变时：UIU0IZIRIRRU0IU当UI不变时：RLI0IRU0IZIRIRRU02020/4/29回首页30电路元件参数的选择+R IO IZ DZ 第10章 直流电源（1）选择稳压管：选稳压管时，主要满足U0，I0max和rZ的UI IR+UO RL 要求。通常按：U初选管子。Z=UO，Izmax=(1.53)I0max-（2）决定输入电压UI：考虑电网电压允许10%的变化，所以在通常情况下取UI=(23)U0。（3）限流电阻R的选择应使流过稳压管的电流IIZ限制在ZminIzmax之间，保证管子正常工作。当电网电压最高和负载电流最小时，IIZ的值最大，它不能超过zmax，即UImax?UZUImax?UZR?I0min?IZmax解得R?IZmax?I0min2020/4/29回首页31+R IO IZ DZ 第10章 直流电源UImax?UZR?IR+UI UO RL IZmax?I0min-当电网电压最低和负载电流最大时，I，即Z的值最小，它不能低于IzminUImi n?UZR?IUImin?U0max?IZmin解得 R?ZIZmin?I0max则R的变化范围为：UImax?UZUImin?UZI?R?Zmax?I0minIZmin?I0max若不满足上式，则说明在给定条件下已超出稳压管的工作范围。2020/4/29回首页32第10章 直流电源稳压管稳压电路u1u2RCDZRL1u0稳压管选择UZ?UOIzmax?(1.53)IOMUI?(23)UO电路的输出电压的大小由稳压管的电压决定。2020/4/29回首页33第10章 直流电源运算放大器恒压源电路电路组成：稳压管稳压电路+运算放大器+UR2OUR2O?RUZ1_?UoUZR1+压R入电压负反馈使输出U恒压源的输出电0是可调的，并引P电压更稳定。2020/4/29回首页3410.4.2串联型稳压电路+第10章 直流电源调整元件T+1工作原理四个部分：_UI+_基准UR比取较放样FUO大+_C2RLUO_调整元件与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或几个功率管并联。比较放大器 可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压 可由稳压管稳压电路组成。取样电路 取出输出电压UO的一部分，为电阻网络。因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。2020/4/29回首页35一种实际的串联式稳压电源+UI第10章 直流电源R3T1RT2RW1RW2UZUB2R1RWR2RL+ReqUOi1uocuR0_1当输入电压增加或输出电流减小使U0升高时U0UB2UBE2=（UB2-UZ）U02020/4/29UC2回首页36第10章 直流电源输出电压的确定和调节范围+RT31RR+1RUITW12RRWRLUOW2_UZUB2R2_UO?R1?R2?RWR?UZ?UBE2?W2?R2UR1?R2?RWOmax?R?UZ?UBE2?2UOmin?R1?R2?RWR?UZ?UBE2?W?R22020/4/29回首页37第10章 直流电源改进（1）选用集成运放T?-UFR1UAI+RUOLUR+R2-当UI增加或输出电流减小使U0升高在运放理想条件下：Uo?(1?R1R)?URU20稳定！稳定！2020/4/29回首页38第10章 直流电源（2）采用辅助电源(比较放大部分的电源)。(3)过流保护措施把电流限制在允许范围内过流时使调整管截止或接近截止。,不再增大；串联型稳压电路的缺点电源的调整管工作在线性放大区效率较低。为了提高效率，可采用开关型稳压电源。,当负载电流较大时,其损耗大；2020/4/29回首页39第10章 直流电源10.4.3集成稳压电源1、简介故称之为（1）最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,也是串联型晶体管稳压电路。（2）主要介绍常用的三端集成稳压器。W7800 系列三端集成稳压器，其内部保护环节。该组件的外形如下图（3）稳压器的硅片封装外壳内，电路内部附有短路和过热:2020/4/29回首页40第10章 直流电源1端:输入端2端:公共端1端:公共端2端:输入端33端:输出端3端:输出端12123W7800系列稳压器外形W7900系列稳压器外形2020/4/29回首页41分类:1+W78002CICO310章 直流电源第+三三端端集集成成UIUO稳稳压压器器0.11?F1F_固固定定式式可可调调式式正正稳稳压压负负稳稳压压W78XX W79XX型号后代表输出电压值XX两位数字W78系列(输出正电压)W79系列(输出负电压)输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。2020/4/29回首页42第10章 直流电源2、应用电路（1）输出为固定电压的电路输出为固定正电压的接法如图。13输入与输出端之间的电压不得低+W7800+2于3V！UICICOUO_0.11?F1F_2020/4/29回首页43第10章 直流电源（2）输出正负电压的电路+1W78XX3+UOC2ICOUIC_I1CO_2W79XX3UO2020/4/29回首页44第10章 直流电源（3）提高输出电压的电路1+W78XX3+2UXXRUICICOUO_UZDZ_UXX:为W78XX固定输出电压UO=UXX+UZ2020/4/29回首页45第10章 直流电源（4）输出电压可调式电路用W7805 组成的730V可调式稳压电源。UI1W78053UO33V2?7C2I6R1CO0.33?3410KR0.12UO?5(1?R2R)12020/4/29回首页46第10章 直流电源（5）组成恒流源I0恒定！2020/4/29回首页47第10章 直流电源（6）稳压电路的主要性能指标稳压系数 S定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。的相对变化量之比。S?U0?UIU0UI输出电阻R0为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。2020/4/29回首页48第10章 直流电源10.4.4开关型稳压电源1串联型稳压电源问题串联型稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：，1的散热装置。所以、调整功耗很大，管工作在放大状态，管压降大，流过的电流也大效率较低(一般为4060)，需要庞大大2、重量重。、变压器的工作频率为 50Hz，频率低而使得变压器体积2020/4/29回首页49第10章 直流电源2改进思路小；截止时，管压降高而电流趋于零。因此，总功耗很小，大1、能否让调整管工作在开关状态？导通时，电流大而管压降大提高了效率(一般可达8090)。2率提高到几十、能否省去低频工作的电源变压器kHz)，从而大大减小电源的体积和重量。?改用高频变压器(工作频源。已开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。2020/4/29回首页503工作原理第10章 直流电源1、首先，将电网电压(220V、50Hz)不经电源变压器降压而 直接整流成直流高压(一次整流，ACDC，输出一般为300多伏),作为开关管的电源电压。2、开关管在控制电路作用下，时而导通时而截止，这样又将直流高压“斩波”成交流方波(这就是DCAC，即所谓的逆变器)。斩波电压经一个高频小变压器隔离、降压，并经二次整流后即可得到所需的直流电压。2020/4/29回首页513、输出电压 Uo分压后，经光耦合(隔离)到误差放大器反相端，与同相端基准电压比较放大后，输出至比较器C的输入端。比较器C另一输入端接三角波振荡器的输出，二者比较后得到 频率相同而占空比可调的脉冲波(这一过程称脉宽调制)。该脉冲波加至功率VMOS管栅极，控制导通和截止的时间比，从而控制变压器输出交流波形的平均值，最终达到稳压的目的。4、例如，电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(Uc+)与Uc-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。2020/4/29第10章 直流电源回首页52由以上分析可以得出如下结论：第10章 直流电源1调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高。2为得到直流输出，必须在输出端加二次整流滤波器。3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值。4可以省去电源变压器。5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。2020/4/29回首页53第10章 直流电源一个实际的开关稳压电源的电原理图2020/4/29回首页54第10章 直流电源 该电路的一次整流电路包括电源噪声滤波器PNF(用来滤除射频干扰)、桥式整流和 RC滤波电路，输出+300V直流电压(ACDC)。该 电 压 一 方 面 加 到 高 频 变 压 器 Nl 到 功 率 管VMOS(IRFPG407)漏极，另一方 面经电阻 R2(120k)降压成+16V，给脉宽调制器UC3842提供启动电压。脉宽调制器的输出经电阻R7、R8分压送至VMOS管栅极，控制VMOS的导通或截止，完成斩波功能(DCAC，逆变)。图中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9，构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD4为输出整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。2020/4/29回首页55第10章 直流电源 高频方波经变压器耦合到N3，再经二次整流滤波(VD4、C10)得到稳定的5V直流电压。该稳压电源的输出电流最大为7A，功率为35W。该电路的负反馈与稳压过程如下：变压器绕组 N2为逆变后的输出交流电压的采样绕组，其作用有两个：一是 N2绕组电压经二极管VDl整流和电容C2、C3滤波后，作为脉宽调制器 UC3842的正常供电电压；二是该电压经R3、R4分压，反馈到UC3842的2端作为比较信号。2端即脉宽调制器中误差放大器的反相端，该端电压与内部基准电压比较后以控制脉宽调制的占空比，从而达到稳压的目的。该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。2020/4/29回首页56第10章 直流电源第10章结 束2020/4/29回首页57
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