直流电源设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,直流电源设计,直流电源的组成,一、直流电源的组成及各部分的作用,二、单相整流电路,三、滤波电路,四、稳压电路的性能指标,五、稳压管稳压电路,六、串联型稳压电路,七、集成稳压器,八、开关型稳压电路,一、直流电源的组成及各部分的作用,改变电压值通常为降压,交流变脉动的直流,减小脉动,1),负载变化输出电压基本不变；,2),电网电压变化输出电压基本不变。,直流电源是能量转换电路，将,220V,（,或380,V,）,50Hz,的,交流电转换为直流电。,半波整流,全波整流,在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动,10,，且负载有一定的变化范围。,二、单相整流电路,对整流电路要研究清楚以下问题：,1.,电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析,2.,输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压,3.,整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压,为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为,0,。,整流二极管的伏安特性：,实际特性,理想化特性,正向导通电压为,0,，正向电阻为,0,。,1.,单相半波整流电路,（,1,）工作原理,u,2,的正半周，,D,导通，,AD,R,L,B,，,u,O,=,u,2,。,u,2,的负半周，,D,截止，承受反向电压，为,u,2,；,u,O,=0,。,（,2,）,U,O,（,AV,）,和,I,L,（,AV,）,的估算,已知变压器副边电压有效值为,U,2,考虑到电网电压波动范围为,10,，二极管的极限参数应满足：,（,3,）二极管的选择,2.,单相桥式整流电路,u,2,的正半周,AD,1,R,L,D,3,B,，,u,O,=,u,2,u,2,的负半周,B D,2,R,L,D,4,A,，,u,O,=-,u,2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,（,1,）工作原理,若接反了呢？,（,2,）估算,（,3,）,二极管的选择,考虑到电网电压波动范围为,10,，二极管的极限参数应满足：,三、滤波电路,（,1,）工作原理,1.,电容滤波电路,充电,放电速度与正弦,波下降速度相似,按指数规律下降,滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。,（,1,）工作原理：考虑变压器和整流电路的内阻,C,越大，,R,L,越大，,放电,将越大，曲线越平滑，脉动越小。,内阻使,（2）二极管的导通角,导通角,无滤波电容时,。,有滤波电容时,I,Lmax,I,Lmin,（,3,）,限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。,电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。,电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。,为减小,S,r,取值矛盾,!,若求得,R,min,R,max,，怎么办？,讨论一,：,稳压管稳压电路的设计,依次选择稳压管、,U,I,、,R,、,C,、,U,2,、,二极管,1.,输出电压、负载电流稳压管,2.,输出电压,U,I,3.,输出电压、负载电流、稳压管电流、,U,I,R,4.,U,I,、,R,滤波电路的等效负载电阻,C,5.,U,I,U,2,6.,U,2,、,R,中电流,整流二极管,已知输出电压为,6V,，负载电流为,0,30mA,。,试,求,图示电路的参数。,六、串联型稳压电路,1.,基本调整管稳压电路,为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。,稳压原理：电路引入,电压负反馈,，稳定输出电压。,调整管的作用及如何提高稳压性能,不管什么原因引起,U,O,变化，都将通过,U,CE,的调节使,U,O,稳定，故称晶体管为调整管。,若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即提高放大电路的放大倍数。,2.,具有放大环节的串联型稳压电路,（,1,）稳压原理：若由于某种原因使,U,O,增大,（,2,）输出电压的调节范围,同相比例,运算电路,则,U,O,U,N,U,B,U,O,（,3,）,串联型稳压电路,的基本组成及其作用,调整管,取样电阻,调整管,：是电路的核心，,U,CE,随,U,I,和负载产生变化以稳定,U,O,。,比较放大,基准电压,基准电压,：是,U,O,的参考电压。,取样电阻,：对,U,O,的取样，与基准电压共同决定,U,O,。,比较放大,：将,U,O,的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。,（,4,）串联型稳压电源中调整管的选择,I,Emax,I,R,1,I,Lmax,I,Lmax,I,CM,U,CEmax,U,Imax,U,Omin,U,(BR)CEO,P,Tmax,I,Emax,U,CEmax,P,CM,根据极限参数,I,CM,、,U,(BR)CEO,、,P,CM,选择调整管！,应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！,讨论二：,对于基本串联型稳压电源的讨论,3.,若电网电压波动10，,U,I,为,28V,，,U,O,为,10V,20V,；,晶体管的电流放大系数为50，,P,CM,5W,，,I,CM,1A,；,集成运放最大输出电流为10,mA,，,则最大负载电流约为多少？,1.,若,U,O,为,10V,20V,，,R,1,R,3,1k,，,则,R,3,和,U,Z,各为多少？,2,.,若电网电压波动10，,U,O,为,10V,20V,，,U,CES,3V,，,U,I,至少选取多少伏？,讨论三,：关于实用串联型稳压电源的讨论,1.,标出集成运放的同相输入端和反相输入端；,2.,电路由哪些部分组成？,3.,U,I,21V,，,R,1,R,2,R,3,300,，,U,Z,6V,，,U,CES,3V,，,U,O,？,4.,如何选取,R,和,R,？,限流型过流保护电路,输出电流取样电阻,讨论三,：关于实用串联型稳压电源的讨论,5.,取,样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？,6.,若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？,7.,根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。,七、集成稳压器,（三端稳压器）,输出电压：,5V,、,6V,、,9V,、,12V,、,15V,、,18V,、,24V,输出电流：,1.5A,（,W7800,）、,0.5A,（,W78M00,）、,0.1A,（,W78L00,）,1.,W7800,系列,（1）简介,（,2,）基本应用,消除高频噪声,使,C,o,不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。,（3）输出电流扩展电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。,很小,三端稳压器的输出电压,若,U,BE,=,U,D,，则,二极管的作用：消除,U,BE,对,U,O,的影响。,（,4,）输出电压扩展电路,I,W,为几,mA,，,U,O,与三端稳压器参数有关。,隔离作用,基准电压,电路复杂,2.,基准电压源,三端稳压器,W117,输出电压,U,REF,1.25V,，调整端电流只有几微安。,减小纹波电压,保护,稳压器,讨论四：,W117,的应用,1.,R,1,的上限值为多少？,2,.,U,O,可能的最大值为多少？,3,.,输出电压最小值为多少？,4,.,U,Omax,30,V,，,选取,R,1,、,R,2,；,5.,已知电网电压波动10，输出电压最大值为30,V,，,U,I,至少取多少伏？,决定于,I,Omin,两种情况：,1.,已知,U,I,2.,自己选取,U,I,决定于,W117,的输出,输入电压最低、输出电压最高时，,U,I,U,O,3V,。,根据输出电压表达式,讨论五,：集成稳压器的应用,U,O,=?,W7900,与,W7800,不同之处是输出为负电压。,1.,基准电压为多少？,2.,U,O,的表达式？,3.,为使,W7812,不因输入端和输出端之间电压太大而损坏，可采用什么方法？,八、开关型稳压电路,1.,开关型稳压电源的特点,线性稳压电源：,结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（,20,49,）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。,若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达,70,95,。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。,构成开关型稳压电源的基本思路,将交流电经变压器、整流滤波,得到直流电压,控制调整管按一定频率开关，得到矩形波,滤波，得到直流电压,引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。,2.,串联开关型稳压电路,（,1）基本电路,电路组成及工作原理,T截止，D导通，,u,E,U,D,；,L,释放能量，,C,放电。,T,、,D,均工作在开关状态。,T饱和导通，D截止，,u,E,U,I,；,L,储能，,C,充电。,u,B,U,H,时,u,B,U,L,时,波形分析及输出电压平均值,关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料,稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。,稳压原理,脉冲宽度调制式：,PWM,电路作用：,U,O,T,on,U,O,其它控制方式：,脉冲频率调制式：,U,O,T,（脉宽不变）,U,O,混合调制式：,U,O,T,T,on,U,O,在串联开关型稳压电路中,U,O,U,I,，,故为降压型电路。,脉宽调制电路的基本原理,比较放大电路,电压,比较器,调整管,U,O,U,N1,U,O1,(,U,P2,),u,B1,的占空比,U,O,U,O,U,N1,U,O1,(,U,P2,),u,B1,的占空比,U,O,u,P2,与,u,B1,占空比的关系,U,P2,稳压原理：,3.,并联,开关型稳压电路（升压型）,（,1,）,工作原理,T,截止，,L,产生感生电动势，,D,导通；,U,I,与,L,所产生的感生电动势相加对,C,充电,。,T,饱和导通，,L,储能，,D,截止,，,C,对负载放电。,u,B,U,H,时,u,B,U,L,时,要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况。,（,2,）输出电压,只有,L,足够大，才能升压；只有,C,足够大，输出电压交流分量才足够小,!,在周期不变的情况下，,u,B,占空比越大，输出电压平均值越高。,（,3,）,稳压原理,脉宽调制式：,U,O,T,on,（,频率不变）,U,O,