第9章直流电源资料课件

第第9 9章章 直流电源直流电源整流电路整流电路整流电路整流电路滤波电路滤波电路滤波电路滤波电路直流电源组成及各部分作用直流电源组成及各部分作用直流电源组成及各部分作用直流电源组成及各部分作用稳压电路稳压电路稳压电路稳压电路本章主要内容：本章主要内容：电子设备一般都需要电压稳定的直流电源电子设备一般都需要电压稳定的直流电源供电。直流稳压电源不可能由电池长时间供电。直流稳压电源不可能由电池长时间供给，大多是由交流电经过变压、整流、供给，大多是由交流电经过变压、整流、滤波、稳压等环节后得到，因此，在电子滤波、稳压等环节后得到，因此，在电子线路的应用中，直流稳压电源是非常重要线路的应用中，直流稳压电源是非常重要的一环。的一环。本章简单介绍小功率直流稳压电源的电路本章简单介绍小功率直流稳压电源的电路组成、工作原理及其参数计算。组成、工作原理及其参数计算。直流电源的组成及各部分作用直流电源的组成及各部分作用1.1.直流电源的用途直流电源的用途电子系统的运行离不开稳定的直流电源。电子系统的运行离不开稳定的直流电源。小型的、临时使用的电子系统可以采用电小型的、临时使用的电子系统可以采用电池供电：池供电：化学能化学能电能电能太阳能太阳能电能电能交流电交流电直流电直流电电源变压器电源变压器:将交流电网将交流电网220V220V的电压的电压u u1 1变为所需要的交流电压变为所需要的交流电压u u2 2。还可实现高、低压隔离，以利安全。还可实现高、低压隔离，以利安全。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u u1 1u u2 2u u3 3u u4 4u uo o整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整流电路整流电路:利用单向导电的整流元件，如二极管，将利用单向导电的整流元件，如二极管，将将正负交替变化将正负交替变化的交流电变换成单向脉动电的交流电变换成单向脉动电滤波电路滤波电路:利用储能元件，如电容，电感等，将利用储能元件，如电容，电感等，将脉动直流脉动直流电压电压u u3 3转转变为变为平滑的直流平滑的直流电压电压u u4 4。此时电压稳定性较差，质量不高。此时电压稳定性较差，质量不高。稳稳压电路压电路:采用某些措施，在一定的负载和一定的电网变化范围内，采用某些措施，在一定的负载和一定的电网变化范围内，清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压保持输出电压u uo o的的稳定稳定。2.2.直流电源的组成及各部分作用直流电源的组成及各部分作用整流电路整流电路整流电路的作用整流电路的作用整流电路的作用整流电路的作用:将交流电压转变为脉动的直流电压。将交流电压转变为脉动的直流电压。常见的整流电路：常见的整流电路：常见的整流电路：常见的整流电路：单相半波整流单相半波整流、单相桥式整流单相桥式整流分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理：分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：整流原理：整流原理：整流原理：利用二极管的单向导电性利用二极管的单向导电性 +a aTrTrD Du uo ou u2 2b bR RL Li io o+u uD Du uD DO O单相半波整流电路单相半波整流电路 u u u u2 2 2 2 正半周，正半周，正半周，正半周，u u u ua a a a u u u ub b b b，D D D D导通导通导通导通u u2 2负半周，负半周，u ua a u u u ub b b b，u uD2D2u uD4D41.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 u uD D t t t tR RL Lu u2 2i io ou uo o1 12 23 34 4a ab b+u u2 2二极管二极管二极管二极管 D D D D1 1 1 1、D D D D3 3 3 3 导通，导通，导通，导通，D D D D2 2 2 2、D D D D4 4 4 4 截止截止截止截止 。1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 R RL Lu u2 2i io ou uo o1 12 23 34 4a ab b+u uD1D1u uD3D3u u u u2 2 2 2 负负负负半周，半周，半周，半周，u u u ub b b b u u u ua a a a，二极管二极管二极管二极管 D D D D2 2 2 2、D D D D4 4 4 4 导通，导通，导通，导通，D D D D1 1 1 1、D D D D3 3 3 3 截止截止截止截止 。在交流电压的在交流电压的整个周整个周期期内有电流流过负载内有电流流过负载u uD2D2u uD4D4u uD D t t t tu u2 2（3 3）输出电压的脉动系数）输出电压的脉动系数S S（1 1）输出电压平均值）输出电压平均值（2 2）输出电流平均值）输出电流平均值2.2.2.2.参数计算参数计算参数计算参数计算用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 u uo o 分解后可得分解后可得:3.3.3.3.整流二极管的选择整流二极管的选择整流二极管的选择整流二极管的选择选管时应满足：选管时应满足：选管时应满足：选管时应满足：I I I IF F F F I I I ID(AV)D(AV)D(AV)D(AV)，U U U UR R R R U U U UDRDRDRDRmaxmaxmaxmax（1 1）最大整流电流）最大整流电流I IF F（2 2）最高反向电压）最高反向电压U UR R二极管正向平均电流二极管正向平均电流二极管的最大反向电压二极管的最大反向电压小结小结 与半波整流相比，在相同变压器副边电压下，单与半波整流相比，在相同变压器副边电压下，单相桥式整流对二极管参数要求相同，但输出电压高，相桥式整流对二极管参数要求相同，但输出电压高，变压器利用率高，脉动小。变压器利用率高，脉动小。所用二极管数量多所用二极管数量多。可以实现正负电源可以实现正负电源。全波整流电路多用一倍的次级变压器线圈，桥式整流电全波整流电路多用一倍的次级变压器线圈，桥式整流电路用四个整流二极管省了线圈，节省了漆包线，从工艺路用四个整流二极管省了线圈，节省了漆包线，从工艺和加工时间来说都合算。毕竟二极管比铜线便宜的多。和加工时间来说都合算。毕竟二极管比铜线便宜的多。桥式整流有两个二极管导通桥式整流有两个二极管导通,就有二倍压降。在计算时要就有二倍压降。在计算时要注意。二者结果是一样的。注意。二者结果是一样的。桥式整流电路是最常用的单相全波整流电路桥式整流电路是最常用的单相全波整流电路桥式整流电路是最常用的单相全波整流电路桥式整流电路是最常用的单相全波整流电路，桥式电路桥式电路桥式电路桥式电路的几种画法和外形：的几种画法和外形：的几种画法和外形：的几种画法和外形：直流电的理想特性是一条直线。刚整流出来的直流电带有直流电的理想特性是一条直线。刚整流出来的直流电带有直流电的理想特性是一条直线。刚整流出来的直流电带有直流电的理想特性是一条直线。刚整流出来的直流电带有比较大的脉动性，严格讲，比较大的脉动性，严格讲，比较大的脉动性，严格讲，比较大的脉动性，严格讲，整流电路的输出电压不是纯粹整流电路的输出电压不是纯粹整流电路的输出电压不是纯粹整流电路的输出电压不是纯粹的直流，的直流，的直流，的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分（纹波）。为获得比较理想的波形中含有较大的脉动成分（纹波）。为获得比较理想的波形中含有较大的脉动成分（纹波）。为获得比较理想的波形中含有较大的脉动成分（纹波）。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。成分以获得直流电压。成分以获得直流电压。成分以获得直流电压。另外，滤波还具有防止干扰，去除电网的杂波，阻断高次另外，滤波还具有防止干扰，去除电网的杂波，阻断高次另外，滤波还具有防止干扰，去除电网的杂波，阻断高次另外，滤波还具有防止干扰，去除电网的杂波，阻断高次谐波电流的作用谐波电流的作用谐波电流的作用谐波电流的作用滤波电路滤波电路交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波平滑平滑直流电压直流电压滤波电路的结构滤波电路的结构:原理：原理：储能元件储能元件电容电容两端的两端的电压电压（或通过（或通过电感电感中的中的电流电流）不能突变的特性。不能突变的特性。工频中小功率电源主要采用电容滤波工频中小功率电源主要采用电容滤波工频中小功率电源主要采用电容滤波工频中小功率电源主要采用电容滤波 电容滤波电路电容滤波电路电感滤波电路电感滤波电路电容与负载电容与负载R RL L并联并联电感与负载电感与负载R RL L串联串联O Ou u2 2 t tO O t t电容滤波电路电容滤波电路 u u2 2 u uC C时时，二极管导通，二极管导通，电源在给负载电源在给负载R RL L供电供电的同时也给电容充电，的同时也给电容充电，u uC C 增加，增加，u uo o=u uC C 。+C Ci ic ci i +a aD Du uo ou u2 2b bR RL Li io o=u uC C 1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理O Ou u2 2 t tO O t t+C C +a aD Du uo ou u2 2b bR RL Li io o=u uC C u u u u2 2 2 2 (2-3)(2-3)(2-3)(2-3)I I I Io o o o 3.3.3.3.整流二极管的导通角（时间）整流二极管的导通角（时间）整流二极管的导通角（时间）整流二极管的导通角（时间）流过二极管的瞬时电流很大。流过二极管的瞬时电流很大。流过二极管的瞬时电流很大。流过二极管的瞬时电流很大。Ou2 tO t tO负载一定时，负载一定时，负载一定时，负载一定时，D D D D导通时间越短，导通时间越短，导通时间越短，导通时间越短，整流管电流峰值越大整流管电流峰值越大整流管电流峰值越大整流管电流峰值越大 除了电容滤波电路之外，还有电感滤波电路等除了电容滤波电路之外，还有电感滤波电路等除了电容滤波电路之外，还有电感滤波电路等除了电容滤波电路之外，还有电感滤波电路等整流滤波后的直流电，虽然比较平滑，但是受电整流滤波后的直流电，虽然比较平滑，但是受电网波动及负载变化的影响较大，因此需要再整流网波动及负载变化的影响较大，因此需要再整流滤波之后增加稳压电路使输出电压稳定，不受电滤波之后增加稳压电路使输出电压稳定，不受电网波动及负载变化影响网波动及负载变化影响 稳压管稳压电路稳压管稳压电路稳压电路的主要技术指标稳压电路的主要技术指标内阻内阻r rO O稳压电压内阻定义为：在输入电压稳压电压内阻定义为：在输入电压U Ui i不变时，输出电压的不变时，输出电压的变化变化UUo o和输出电流的变化和输出电流的变化IIo o之比。即之比。即r r r rO O O O越小，输出电压随负载电流的变化越小越小，输出电压随负载电流的变化越小越小，输出电压随负载电流的变化越小越小，输出电压随负载电流的变化越小稳压系数稳压系数S Sr r稳压系数定义为：保持输出电流稳压系数定义为：保持输出电流I Io o不变时，稳压电路的输不变时，稳压电路的输出电压相对变化出电压相对变化 和输入电压的相对变化和输入电压的相对变化 之比。之比。即即S Sr r越小，输入电压变化对输出电压的影响就越小。（一般越小，输入电压变化对输出电压的影响就越小。（一般小于小于1010）UIUZIR=IO+IDZ设设设设U U U UI I I I一定，负载一定，负载一定，负载一定，负载R R R RL L L L变化变化变化变化1.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理稳压电路稳压电路uO=uZuI=uR+uO+UIRL+CIOuO+IRRDZIDz+u2220V50HzIR(IO )RLIDZIRuO(uZ)uRuR 基本不变基本不变uI一定一定uO 基本不变基本不变利用稳压管获得稳定电压利用稳压管获得稳定电压利用稳压管获得稳定电压利用稳压管获得稳定电压 R R R R为限流电阻为限流电阻为限流电阻为限流电阻UIUZ设负载设负载设负载设负载R R R RL L L L一定，一定，一定，一定，U U U UI I I I 变化变化变化变化IR=IO+IDZuO=uZuI=uR+uOuIIDZIRuR分压分压uO(uZ)uO+uIRL+CIOuO+IRRDZIDz+u2220V50Hz限流调压限流调压 选择限流电阻选择限流电阻选择限流电阻选择限流电阻 需考虑：需考虑：需考虑：需考虑：输出电流变化范围输出电流变化范围输出电流变化范围输出电流变化范围 I I I Iominominominomin I I I Iomaxomaxomaxomax 输入电压变化范围输入电压变化范围输入电压变化范围输入电压变化范围 U U U Uiminiminiminimin U U U Uimaximaximaximax 稳压管允许电流范围稳压管允许电流范围稳压管允许电流范围稳压管允许电流范围 I I I IZminZminZminZmin I I I IZmaxZmaxZmaxZmax I I I IR R R R=I=I=I=IZ Z Z Z+I+I+I+Io o o o 应有应有应有应有 和和和和 即即即即 稳压管稳压电路输出电流较小（一般几十毫安），通常用稳压管稳压电路输出电流较小（一般几十毫安），通常用稳压管稳压电路输出电流较小（一般几十毫安），通常用稳压管稳压电路输出电流较小（一般几十毫安），通常用作基准电压源。作基准电压源。作基准电压源。作基准电压源。串联型稳压电路串联型稳压电路1 1 1 1、电路组成、电路组成、电路组成、电路组成R R1 1、R R2 2：取样电路：取样电路V Vrefref：基准电压：基准电压T T1 1：调整管调整管A A：误差放大器：误差放大器UOUiARLT+-VrefR1R22 2 2 2、稳压原理、稳压原理、稳压原理、稳压原理UO Ui+Ub UO=Ub-Ube R1,R2 U UO O=U=Ui i-U-Ucece=U=Ub b-U-Ubebe 这样，电路维持输出电压这样，电路维持输出电压U UO O基本不变。基本不变。3 3 3 3、输出电压计算、输出电压计算、输出电压计算、输出电压计算 UOUiARLTVrefR1R2+-由运放虚短，可得由运放虚短，可得 U Ui-i-=U=Ui+i+=V=Vrefref 主要特点主要特点 电压稳定度高，输出调节方便；电压稳定度高，输出调节方便；调整管工作在线性，效率不高；调整管工作在线性，效率不高；基准电压一般用稳压管产生。基准电压一般用稳压管产生。实用电路实用电路T T1 1调整环节，为射极跟随器；调整环节，为射极跟随器；T T2 2误差放大，误差放大，R R4 4集电极电阻；集电极电阻；R R3 3，D DZ Z 基准电压；基准电压；R R1 1，R R2 2 采样；采样；C C1 1提高响应速度，提高响应速度，C C2 2高频滤波；高频滤波；输出电压：由输出电压：由 可得可得 UOUiRLR1R2DZR3R4T2T1C1C2T T+_ _U UI IU UO O比比较较放放大大基基 准准取取 样样U UR RFUFUO O+_ _C C2 2R RL L调整元件调整元件+串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图T T+_ _U UI IU UO O比比较较放放大大基基 准准取取 样样U UR RFUFUO O+_ _C C2 2R RL L调整元件调整元件+调整元件调整元件T T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器：比较放大器：可以是可以是单管放大电路单管放大电路，差动放大电路差动放大电路，集成运算集成运算放大器放大器。基准电压：基准电压：可由稳压管稳压电路组成。可由稳压管稳压电路组成。取样电路取样电路：取出输出电压：取出输出电压U UO O的一部分和基准电压相比较。的一部分和基准电压相比较。集成稳压器集成稳压器集成稳压器原理框图集成稳压器原理框图集成稳压器原理框图集成稳压器原理框图1端端:输入端输入端2端端:公共端公共端3端端:输出端输出端W7800系列稳压器外形系列稳压器外形1端端:公共端公共端2端端:输入端输入端3端端:输出端输出端W7900系列稳压器外形系列稳压器外形目前使用较多的集成稳压器是三端集成稳压器。目前使用较多的集成稳压器是三端集成稳压器。三端集成稳压器只有三端集成稳压器只有3 3个引脚，分别是输入端、输出端和公共端。个引脚，分别是输入端、输出端和公共端。注：注：型号后型号后XXXX两位数字代表输出电压值两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有输出电压额定电压值有:5V5V、9V9V、12V 12V、18V18V、24V24V等等 。三端集成三端集成稳压器稳压器固定式固定式可调式可调式正稳压正稳压W78XXW78XX负稳压负稳压W79XXW79XX集成稳压电源的分类集成稳压电源的分类 三端集成稳压器的主要特性三端集成稳压器的主要特性三端集成稳压器的主要特性三端集成稳压器的主要特性 输出固定电压的输出固定电压的输出固定电压的输出固定电压的78787878、79797979系列集成稳压器，其型号可表明其主系列集成稳压器，其型号可表明其主系列集成稳压器，其型号可表明其主系列集成稳压器，其型号可表明其主要特性要特性要特性要特性78 L 0578 L 05两位数字，为输出电压值两位数字，为输出电压值常用输出电压有常用输出电压有0 05/06/08/09/10/12/15/18/245/06/08/09/10/12/15/18/24一位字母，表示输出电流等级一位字母，表示输出电流等级一位字母，表示输出电流等级一位字母，表示输出电流等级L 0.1AL 0.1AL 0.1AL 0.1A；M 0.5AM 0.5AM 0.5AM 0.5A；T 3AT 3AT 3AT 3A；无；无；无；无 1A1A1A1A两位数字，表示输出电压极性两位数字，表示输出电压极性78 78 输出正电压；输出正电压；79 79 输出负电压输出负电压 注意：稳压器的注意：稳压器的注意：稳压器的注意：稳压器的输入电压至少比输出端电压超出输入电压至少比输出端电压超出输入电压至少比输出端电压超出输入电压至少比输出端电压超出3V3V3V3V！一、输出为固定电压的电路一、输出为固定电压的电路应用电路应用电路+_ _W7800W7800系列稳压器系列稳压器 基本接线图基本接线图C Co oW7800W7800C CI IU UI I+_ _U Uo o1 13 32 21 1 F F二二 、输出正负电压的电路、输出正负电压的电路正负电压同时输出电路正负电压同时输出电路W78XXW78XXC CI IU UI I+_ _U UO O1 13 32 2+_ _C CI IW79XXW79XX1 13 3C CO OC CO O2 2U UO OC CO OW78XXW78XXC CI IU UI I+_ _+_ _U UO O1 13 32 2U UXXXXU UZ ZR RD DZ ZU UXX XX:为为W78XXW78XX固定输出电压固定输出电压 U UO O=U UXX XX+U UZ Z三、提高输出电压的电路三、提高输出电压的电路四、输出电压可调式电路四、输出电压可调式电路W7805W78051 13 32 2R R1 1C CI IC Co oU UI I7 76 62 23 34 4U Uo oR R2 2F007F0070.330.33 33V33V10k10k0.10.1 (U UXXXX=5V)=5V)1 13 32 2R R1 1C CI IC Co oU UI I7 76 62 23 34 4U Uo oR R2 2F007F0070.330.33 33V33V10k10k0.10.1 W7805W7805U Uo o1 1稳压电源是使用电子电路调整输出电压达到稳定目的的电源，有串联稳压电源是使用电子电路调整输出电压达到稳定目的的电源，有串联型稳压电源、并联型稳压电源、开关稳压电源等。型稳压电源、并联型稳压电源、开关稳压电源等。普通的串联稳压普通的串联稳压电源都安装电源变压器，（电源都安装电源变压器，（电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态电源调整管工作在放大状态）具有输出电）具有输出电）具有输出电）具有输出电压稳定、压稳定、压稳定、压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。并联稳压电源并联稳压电源输出电压特别稳定，但是负载能力很差，一般只在仪表内部做基准用。输出电压特别稳定，但是负载能力很差，一般只在仪表内部做基准用。开关电源是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输开关电源是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点，应用较广，如现在计算机的电源、笔记本电出电压相对稳定等特点，应用较广，如现在计算机的电源、笔记本电脑电源适配器、打印机电源、手机充电器等等都是采用开关电源。脑电源适配器、打印机电源、手机充电器等等都是采用开关电源。开关电源也是稳压电源，但稳压电源不能直接称为开关电源。开关电源也是稳压电源，但稳压电源不能直接称为开关电源。开关电源电路中的开关管在开关状态下工作（开关电源电路中的开关管在开关状态下工作（电源调整管工作在开关电源调整管工作在开关状态状态），用改变导通脉宽的方式稳压，因此，发热较低，效率可高达），用改变导通脉宽的方式稳压，因此，发热较低，效率可高达90%90%，而串联调整稳压电源的效率一般为，而串联调整稳压电源的效率一般为40%40%左右左右（但是开关电源在变（但是开关电源在变（但是开关电源在变（但是开关电源在变换过程产生高次谐波，造成输出纹波和噪声较大换过程产生高次谐波，造成输出纹波和噪声较大换过程产生高次谐波，造成输出纹波和噪声较大换过程产生高次谐波，造成输出纹波和噪声较大 ）开关稳压电源简介 原理结构原理结构 滤波整流u2uCuORLD1CD2D3D4LTC高频滤波斩波（开关调制）调制脉冲D