直流电源()精.ppt

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1、直流电源()第1页，本讲稿共51页 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。第2页，本讲稿共51页图 初始磁化曲线和磁滞回线QQ*磁化曲线和磁滞回线第3页，本讲稿共51页单相半波整流电路如图(a)所示，波形图如图(b)所示。(a)电路图 (b)波形图 图 单相半波整流电路10.1.1 10.1.1 单相半波整流电路单相半波整

2、流电路没利用第4页，本讲稿共51页 根据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压 基波峰值与输出电压平均值之比定义为输出电压的脉动系数S（ripple factor）第5页，本讲稿共51页 单相整流电路的优点是：使用元件少。缺点：输出波形脉动大；只利用了变压器次级电源u2的半个周期,电源利用率低；直流成分小;变压器电流中含有直流成分，磁感应通量容易饱和（半波整流后的电是脉动直流电相当于直流+交流，其中的交流成份能产生变化的磁场，而这个变化的磁场就能在次级变成交流电）。将其改进之后可得

3、到单相全波整流电路。单相全波整流单相全波整流电路引入引入注意“变化”二字含有直流成分的脉动电,其中的直流成分只是相当于加在变压器线圈自身电阻上而产生热量，因变压器线圈阻值很小，所以绝对会烧掉变压器的。第6页，本讲稿共51页 单相全波整流电路如图(a)所示，波形图如图(b)所示。(a)电路图 图 单相全波整流电路 (b)波形图10.1.2 10.1.2 单相全波整流电路单相全波整流电路2个半波整流第7页，本讲稿共51页 根据图（b）可知，输出平均电压为流过负载的平均电流为 因为无论正半周还是负半周，均是一管导通，而另一管截止，故变压器次级两个绕组的电压全部加至截止二极管的两端。二极管所承受的最大

4、反向电压（比半波大一倍，这时它的缺点）第8页，本讲稿共51页全波整流电路的优点是：电源利用率高，输出电压提高了一倍。每个管子仅提供输出电流Io的一半。缺点是：需要有一个具有中心抽头的变压器，工艺复杂，成本高，且半波和全波整流电路中均有直流分量流过（2个半波整流）。引入引入单相桥式整流电路单相桥式整流电路第9页，本讲稿共51页(1)工作原理 单相桥式整流电路如图（a）所示。（a）桥式整流电路 （b）波形图图 单相桥式整流电路10.1.3 10.1.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路第10页，本讲稿共51页直流电源的应用电路举例第11页，本讲稿共51页 在分析整流电路工作原理时，整流电路 中的二

5、极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.1.3(a)的电路图可知：当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图(b)。当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。第12页，本讲稿共51页 根据图（b）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为（2）参数计算 流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压第13页，本讲稿共51页 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过(变压器次级线圈在正负半周都有电

6、流流过)，而半波和全波整流电路中(变压器次级线圈抽头的一半有电流流过)均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。桥式整流具有全波整流的全部优点，而且避免了全部整流的缺点.唯一缺点就是使用了4只二极管。故广泛应用于直流电源之中。单相桥式整流电路波形图单相全波整流电路波形图第14页，本讲稿共51页10.2 滤波电路(1)滤波的基本概念 无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。因此要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。这样的措施就是滤波。电容和电感的

7、滤波原理1.电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同。2.电容两端的电压不能突变和流过电感的电流不能突变。3.电容和电感有能量存储和能量释放的特点(理想情况下自己不损耗能量)。惯性环节:如：R-C、R-L.特征：输出不能立即跟随输入的变化。第15页，本讲稿共51页滤波电路的结构特点：电容与负载RL并联或电感与负载RL串联 并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联

8、的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。常用平滑滤波器电路（右图）第16页，本讲稿共51页 电路如图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。（2 2）电容滤波电路）电容滤波电路在负载电阻上并联一个电容为什么能起滤波作用呢？图 单相桥式电容滤波整流电路第17页，本讲稿共51页 空载时，RL断开，由于充电回路等效电阻很小，故充电很快，UC 迅速被充到V2的最大值 .故二极管均截止,电容不可能放电,输出电压uo恒=,滤波效果很好.(这时要注意二极管的反向耐压和大的电流冲击)（a）电路图 （b）波形图图 空载时桥

9、式整流电容滤波电路第18页，本讲稿共51页带负载时（a）电路图 （b-1）波形图图 带载时桥式整流滤波电路 接通交流电源后（从0变大），二极管（D1/D3）导通，v2同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形（图（b-1）红色线所示）。在达到v2 90峰值时，u2开始下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率慢，所以超过90以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管仍然导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，

10、vC 的下降速率越来越慢。所以在超过90后的某一点，例如图(b-2)中的t2 时刻，二极管开始承受反向电压，二极管才关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，v2再次超过vC，如图(b-2)中的t3时刻，二极管重新导电.（b-2）波形图(3)滤波原理第19页，本讲稿共51页 需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图滤波曲线中的2。图 电容滤波的效果 反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小,RL

11、C仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。*第20页，本讲稿共51页 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC 610。）*(4)电容滤波的计算第21页，本讲稿共51页 利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。图 电感滤波电路 图 波形图 电感滤波电路如下图所示。电感滤波的波

12、形图如右图所示。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180。(6)(6)电感滤波电路电感滤波电路io电感阻碍电流的变化第22页，本讲稿共51页*使用条件：各种滤波电路的比较 第23页，本讲稿共51页10.3.1 10.3.1 稳压电路概述稳压电路概述1、引起输出电压不稳定的原因 引起输出电压变化的原因是引起输出电压变化的原因是负载电流的变化负载电流的变化和和输入电压的变化，输入电压的变化，参见下参见下图图。即负载电流的变化会负载电流的变化会在整

13、流电源的内阻上产生电压降，在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压从而使输入电压V VI I 发生变化。发生变化。10.3 10.3 稳压电路稳压电路第24页，本讲稿共51页如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数(1).稳压系数Sr稳压系数的定义为 (2).输出电阻ro 2稳压管稳压电路的性能指标第25页，本讲稿共51页一、硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如下图所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。图 硅稳压二极管稳压电路10.3.2 10.3.2 硅稳压二极管稳压电路

14、硅稳压二极管稳压电路UI反向击穿反向击穿电压电压V VZ Z反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A级）级）图二极管伏安特性第26页，本讲稿共51页根据电路图可知 输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：V VI IV VOOV VZ ZI IZ ZI IR RV VR RV VOO图图 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路UI反向击穿反向击穿电压电压V VZ Z(1)当VI变化时如何稳压(IL一定)第27页，本讲稿共51页 负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减

15、小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVOUI反向击穿反向击穿电压电压V VZ Z(2)(2)当负载电流变化时如何稳压（当负载电流变化时如何稳压（VIVI一定一定）第28页，本讲稿共51页二、稳压电阻的计算二、稳压电阻的计算 R的选择：要保证当的选择：要保证当VI波动或波动或RL变化时，变化时，Dz始终工作在反向击穿始终工作在反向击穿状态。（第一章课件状态。（第一章课件P45-47）UI反向击穿电反向击穿电压压V VZ ZIZminIZmaxIZ设设I IZ Z 在在I Izmax zmax 和和

16、I Izminzmin之之间，则间，则V Vz z 为常数为常数第29页，本讲稿共51页稳压（限流）电阻稳压（限流）电阻R R的计算的计算注意：稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！（1）当VI 最小，IL最大时，流过Dz 的电流IZ最小。此时IZ不应小于IZmin，由此计算出来R的最大值，即 UI反向击反向击穿电压穿电压V VZ ZIZminIZmaxIZ（2）当VI 最大，IL 最小时，流过Dz的电流IZ最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出来R的最小值，即 书上写的很清楚第30页，本讲稿共51页 稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值

17、不能连续调节。串联反馈式稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。一、线性串联型稳压电路的工作原理一、线性串联型稳压电路的工作原理10.2.3 10.2.3 串联型稳压电路串联型稳压电路(1)当VI变化时如何稳压(IL一定)(2)当负载电流变化时如何稳压（VI一定）同前讨论 分两中情况第31页，本讲稿共51页(1)线性串联型稳压电源的构成找能自动调节的R 图图16.03 16.03 串联稳压电源串联稳压电源 图图 串联型稳压电源示意图串联型稳压电源示意图IL

18、VO=VI VR 当VI 时，R受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI 对输出电压的。若IL ，R受控制而减小，使VR ，从而在一定程度上抵消了因IL 使输出电压的 。第32页，本讲稿共51页 在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如下图所示。它由取取样样电电路路、调调整整管管、误误差差放放大大环节、基准电压源环节、基准电压源几个部分组成.图图 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图调整管调整管串联：调整管和负载串联第

19、33页，本讲稿共51页(2)(2)线线性性串串联联型型稳稳压压电电源源的的工工作原理作原理 假设VI或IL的增加而导致VO有所增加，则反馈信号Vf也按比例增加。但基准源电压VREF不变，故Vid=VF-VREF将增加.经放大后得VO1将减小，VCE增加，从而抵消VI或IL的增加使Vo增加的影响。VIVOVfVO1(VB)VCEVO记得吗：唯有共ebc反第34页，本讲稿共51页3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算根据图可知VfVREF（虚短）调节R2显然可以改变输出电压。第35页，本讲稿共51页10.4 10.4 三端集成稳压器三端集成稳压器 集成稳压器可分为串联调整式、并联调整

20、式和开关式稳压器三大类。三端集成稳压器大多采用串联稳压方式。串联：调整管和负载串联 图图 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图第36页，本讲稿共51页 (1)概述 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器的引线只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。它的电路符号及外形见下图所示。图图 集成稳压器符号集成稳压器符号78XX系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A.TO-3 T0-220TO-92 TO-3 T0-220TO-92

21、 TO-3 T0-220和三极管的封装形式一样第37页，本讲稿共51页1：输入端：输入端2：公共端：公共端3：输出端：输出端1：公共端：公共端2：输入端：输入端3：输出端：输出端1：调节端：调节端2：输出端输出端3：输入端输入端集成稳压器符号 要特别注意:不同型号、不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。第38页，本讲稿共51页(2)(2)线性三端集成稳压器的分类线性三端集成稳压器的分类三端集成稳压器有如下几种：1.1.三端三端固定固定正正输出集成稳压器，输出集成稳压器，国标型号国标型号为为CW78-/CW78M-/CW78L-CW78-/CW78M-/CW78L-2.

22、2.三端三端固定固定负负输出集成稳压器，输出集成稳压器，国标型号国标型号为为CW79-/CW79M-/CW79L-CW79-/CW79M-/CW79L-3.3.三端三端可调可调正正输出集成稳压器，输出集成稳压器，国标型号国标型号为为CWCW1 117-/CW17-/CW1 117M-/CW17M-/CW1 117L-17L-CW CW2 217-/CW17-/CW2 217M-/CW17M-/CW2 217L-17L-CW CW3 317-/CW17-/CW3 317M-/CW17M-/CW3 317L-17L-4.4.三端三端可调可调负负输出集成稳压器，输出集成稳压器，国标型号国标型号为为C

23、WCW1 137-/CW37-/CW1 137M-/CW37M-/CW1 137L-37L-CW CW2 237-/CW37-/CW2 237M-CW37M-CW2 237L-37L-CW CW3 337-/CW37-/CW3 337M-/CW37M-/CW3 337L-37L-5.5.三端低压差集成稳压器三端低压差集成稳压器6.6.大电流三端集成稳压器大电流三端集成稳压器 以上以上1 1-为军品级为军品级；2 2-为工业品级为工业品级；3 3-为民品级为民品级。军品级军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55-55150150；工业品级工业品级为金属外壳

24、或陶瓷封装，工作温度范围为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25-25150150；民品级民品级多为塑料封装，工作温度范围多为塑料封装，工作温度范围00125125。第39页，本讲稿共51页 应用电路(可调)321(3)(3)应用电路应用电路 三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如左图所示。可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间的VREF是1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。应用电路(固定)三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如右图所示。1：调节端：调节端2：输出端输出端3：输入端输入端1：输入端：输入端2：公共端：公共端3：输出端：输出端第40页，本讲稿共51页（

25、4 4）利用三端集成）利用三端集成稳压器稳压器组成组成恒流源恒流源 图 稳压器做恒流源图 可调稳压器做恒流源电路(a)小电流恒流源 (b)大电流恒流源 三端集成稳压器可做恒流源使用,电路见左图和右图。1：输入端：输入端2：公共端：公共端3：输出端：输出端1：调节端：调节端2：输出端输出端3：输入端输入端RL接在稳压器的公共端与电源公共端之间。Id 一般很小,几个mA.只要R很小,IoId 于是 Id=Vo/R 恒流Id第41页，本讲稿共51页前面已经介绍的直流电源的应用电路举例三端三端固定固定正正输出输出三端三端固定固定负负输输出出第42页，本讲稿共51页(1)防止引脚中的输入端与输出端反接7

26、800与7900系列稳压器的生产厂家很多，由于不同厂家产品引脚的编号不统一，有的厂家引脚编号按1、2、3排列，有的厂家则按1、3、2排列，所以在使用前一定要将引脚的三个端弄清，区分出输入、输出端，最好先参阅生产厂家的产品说明，确认无误后再接入电路。否则，反接电压超过7V时将会击穿功率调整管，损坏稳压器。(2)防止稳压器的浮地故障7800系列稳压器外壳与接地端相连，而外壳通常又接在散热片上，有人认为有了散热器与地线的接触可以不必再接稳压器的接地端，这是不正确的。因为机械接点时间一长，表面会因氧化、受振动等原因而导致接触不良，这样会造成浮地故障，如左下图所示。一旦接地端断开时，输出电压Vo就可能接

27、近未稳压的输入电压Vi，这样就可能因Vo电压过高而造成负载电路的损坏。所以必须在稳压器的接地端接可靠的地线。发现浮地故障时，应先断电后接线，不然还有可能损坏稳压器。(3)防止稳压器输入端短路当稳压器接有大电容负载，并且输出电压高于6V时，应当在输入端与输出端接人保护二极管，如右下图所示。*三端固定集成稳压器应用注意事项第43页，本讲稿共51页当输入端对地短路时，其电位迅速接近零电位，而输出端由于有大电容，储存很多电荷而来不及释放，其电位仍接近输出电压值Vo，这时电容将通过稳压器的输出调整管释放电荷，其PN结在高于7V的反向偏置电压下会被击穿。如果有了保护二极管，就能及时将电容的电荷释放，从而保

28、护了稳压器。当然，如果在实际电路中输入端不会出现短路情况，也可以不接保护二极管。(4)瞬态过电压在各型稳压器的参数中，都给出了最大输入电压值Vimax。在实际使用中一定要注意输入电压不能超过此值。如果一旦有瞬态电压超过额定输入电压的最大值，或者低于地电位0.8V以上，并且有足够的能量时，就会损坏稳压器(特别是当输入端远离滤波电容时)。这时可以在输入端与公共端之间接入一个大于0.1F的电容加以解决。在安装时，要注意尽量使滤波电容和0.33F电容靠近稳压器，这样可以有效地防止瞬态过电压，如下图所示。*第44页，本讲稿共51页调整管调整管取样取样电路电路脉宽调制脉宽调制(PWM)电路电路开关调整管控

29、制开关调整管控制滤波滤波频率固定频率固定的三角波的三角波误差放大误差放大续流续流iLUIuBT比较放大器比较放大器比较器比较器uE A CIoR1uFLUOuAUREFuFCR2RLD基准电压基准电压三角波三角波发生器发生器uT开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源的基本工作原理一、一、串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路组成框图组成框图误差放大器放大的是比较出来的结果.就是采样和基准的误差，所以比较放大器是放大比较出来的误差。10.5 10.5 开关型稳压电源开关型稳压电源第45页，本讲稿共51页1.取样环节：取样环节：R1、R2 分压提取分压提取取样电压取样电压uF（反馈电压）（反馈电压）

30、2.基准电压环节：基准电压环节：提供稳压的基准电压提供稳压的基准电压UREF3.放大环节：放大环节：比较放大器比较放大器A1，放大差值（，放大差值（UREF uF）4.调整环节：调整环节：调整管调整管T由开关信号由开关信号uB控制通断，稳定输出电压控制通断，稳定输出电压UO详解T-+第46页，本讲稿共51页5.LC滤波器及续流二极管滤波器及续流二极管D：滤波和续流得到滤波和续流得到平稳的平稳的直流电压。直流电压。6.脉宽调制比较器脉宽调制比较器C：反相端接反相端接uT（三角波发生器的输出），三角波发生器的输出），同相端接同相端接uA（比较放大器输出），输出开关信号比较放大器输出），输出开关信号

31、uB驱动调整管。驱动调整管。三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路(PWM)T-+第47页，本讲稿共51页当当uB为高电平为高电平T饱和、饱和、D截止，截止，uE=UI,经经LC滤波到负载滤波到负载RL同时同时iL时时 L和和C储存能量储存能量当当uB为低电平为低电平T截止、截止、D导通，导通，uEUD0，D续流续流 LC泄放能量给泄放能量给RL供电，供电，输出较平稳的输出较平稳的直流电压直流电压开关电源的工作原理开关电源的工作原理T-+第48页，本讲稿共51页工作波形工作波形 占空比占空比OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式脉宽调制式(PWM)T-+第49页，本讲稿共51页稳压原理稳压原理T-+第50页，本讲稿共51页 忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量:Vo的推算过程的推算过程第51页，本讲稿共51页