第十章 直流电源.docx
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第十章直流电源
第十章直流电源
内容引出:
各种电子设备都需要有直流电源供电,而我们日常的用电都是交流电,那么如何把交流电变成电子设备所需要的直流电呢?
这就是本章要讨论的内容。
本章只讨论小功率直流电源。
本章主要内容:
10.1直流电源的组成
10.2单相整流电路
10.3滤波电路
10.4倍压整流电路
10.5稳压电路
本章小结
重点:
1.整流电路的工作原理及元器件参数的计算;
2.电容滤波电路的工作原理及有关计算;
3.稳压电路的工作原理及计算。
难点:
电容滤波电路的工作原理;串联型稳压电路的工作原理。
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10.1直流电源的组成
讲课思路:
直流稳压电源组成→各部分作用。
直流稳压电源组成框图如图10.1所示。
各部分作用:
1.电源变压器
将交流220V电压变换成所需要的电压。
2.整流电路
将交流电变换为单向脉动的直流电。
3.滤波电路
将单向脉动的直流电压中的交流成分滤除。
4.稳压电路
稳定输出的直流电压。
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10.2单相整流电路
讲课思路:
整流原理→几种常用单相整流电路(原理、波形图、指标计算、特点)。
利用二极管的单向导电性,可以将交流电变为单向脉动的直流电。
小功率直流电源是将三相交流电中的一相整流为直流电,称为单相整流。
常用的单相整流电路有:
半波整流、全波整流、桥式整流。
下面分别介绍它们的工作原理。
10.2.1单相半波整流电路
1.电路组成
单相半波整流电路如图10.2所示。
图中:
T——电源变压器;VD——整流二极管;RL——负载
2.工作原理
u2正半周(u2>0),VD导通,uo=u2。
u2负半周(u2<0),VD截止,uo=0。
所以,负载上只有至上而下的电流,其电压的极性始终为上正下负,为直流电压。
3.波形图
设u2=2U2sinω t,则各处波形如图10.3所示。
4.参数计算
描述整流电路技术性能的主要参数有以下几个:
(1)输出直流电压Uo
输出直流电压:
输出电压uo在一周内的平均值。
Uo=1T∫0T uod t=12π∫02π uod (ω t)
由uo波形可知
Uo=12π∫0π 2U2sinω t d (ω t)=2πU2=0.45U2
(2)脉动系数S
定义:
S=Uo1mUo
Uo1m——输出电压基波分量最大值,可由傅立叶级数确定。
半波波形的傅立叶级数为
uo(t)=2U2π(1+π2cosω t+23cos2ω t−215cos4ω t+⋯)
Uo1m=2U22=12U2
∴S=Uo1mUo=U222πU2=π2≈157%,可见,脉动很大。
(3)整流二极管的选择
选管原则:
依据二极管正向平均电流和最大反向峰值电压。
二极管正向平均电流ID=Io=UoRL
二极管最大反向峰值电压URM=2U2
选管时,应满足:
IF≥ID
UR≥URM=2U2
半波整流电路的特点:
优点:
结构结单,使用元件少。
缺点:
①电源利用率低,输出直流电压低;
②输出波形脉动大。
所以,半波整流电路只适合于要求不高的场合。
欲提高电源利用率,减小脉动,可采用全波整流电路。
10.2.2单相全波整流电路
1.电路组成
单相全波整流电路如图10.4所示。
2.工作原理
u2正半周(u2>0),VD1导通,VD2截止,uo=u2。
u2负半周(u2<0),VD2导通,VD1截止,uo=−u2。
3.波形图
4.参数计算
(1)输出直流电压
(2)脉动系数S
全波波形的傅立叶级数为
uo(t)=2U2(2π−43πcos2ω t−415πcos4ω t−435πcos6ω t−⋯)
Uo1m=42U23π
∴S=Uo1mUo=42U23π22πU2=67%
可见,脉动减小了。
(3)整流二极管的选择
二极管正向平均电流ID=12Io=12UoRL
二极管最大反向峰值电压URM=22U2
选管时应满足:
IF≥ID
UR≥URM=22U2
全波整流电路的特点:
优点:
电源利用率高,脉动小。
缺点:
①变压器副边带中心抽头,输出电压欲提高一倍,变压器副边体积要增大一倍,变压器成本高,制造复杂;
②对二极管反向耐压要求高。
为解决全波整流存在的问题,可采用桥式整流电路。
10.2.3单相桥式整流电路
1.电路组成
单相桥式整流电路如图10.6所示。
2.工作原理
u2正半周(u2>0),VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,uo=u2。
u2负半周(u2<0),VD1、VD3截止,VD2、VD4导通,uo=−u2。
3.波形图
4.参数计算
(1)输出直流电压
(2)脉动系数S=67%
(3)整流二极管正向平均电流ID=12Io=12UoRL
最大反向峰值电压URM=2U2
选管时应满足:
IF≥ID
UR≥URM=22U2
桥式整流电路克服了全波整流电路的缺点,因此桥式整流电路应用最为广泛。
所以有关生产厂家将桥式整流电路直接集成在一片芯片上,称为桥堆。
它只有四个端子,即两个输入端,两个输出端,使用起来很方便。
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10.3滤波电路
讲课思路:
电容滤波(原理、、波形图、特点、适用场合)→其它几种滤波电路(原理、特点、适用场合)。
10.3.1电容滤波电路
1.电路
2.工作原理
设电容原先未充电。
接通电源时,u2处于正半周。
(1)u2在正半周时,VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,C充电,此时
uo=uC=u2(C充电)
(2)当u2=2U2时,uC=2U2,u2达到最大值后开始下降,当u2uo=uC(C放电)
(3)u2变化到负半周时,若|u2|uo=uC(C放电)
(4)当|u2|>uC时,VD2、VD4导通,VD1、VD3截止,C又充电,此时
uo=uC=u2(C充电)
(5)当u2达到负最大值后,其|u2|下降,当|u2|uo=uC(C放电)
以后重复上述过程。
3.波形图
4.几点结论
(1)加电容滤波后,输出直流电压Uo提高了。
(2)加电容滤波后,输出直流电压Uo脉动减小了。
(3)脉动大小与电容放电时间常数τ有关。
τ=RLC
RLC越大,τ越大,放电越慢,脉动越小。
为减小脉动,应选择大容量电容,如电解电容,而且负载电阻RL越大,脉动越小。
所以,电容滤波适合于负载电流小的场合。
当电路空载时,Uo波形如图10.10所示。
此时,Uo=2U2,脉动最小,脉动系数S=0。
(4)外特性变差
外特性:
输出电压Uo与输出电流Io之间的关系曲线。
无电容滤波时:
Uo=0.9U2,Uo不随Io变化,外特性硬,特性好。
有电容滤波时:
随着RL↓(Io↑)→放电时间常数τ↓→电容放电快→Uo↓。
此时Uo随Io变化,外特性软,特性差。
当RL→0时,Uo=0.9U2。
上述特性如图10.11所示。
(5)二极管有冲击电流流过。
加电容滤波后,二极管导通时间缩短,导电角<1800,且电容放电越快,导电角越小。
由于输出电压提高了,而二极管导通时间缩短了,所以二极管上有冲击电流通过,如图10.9中所示。
因此必须选择大容量的整流二极管。
5.电容的选择
为获得较好的滤波效果,实际中按下式选择电容
T——电网交流电压的周期
6.输出电压Uo的计算
电容满足选择要求时,输出电压Uo可按下式估算
10.3.2其它型式的滤波电路
1.RC−π型滤波电路
RC−π型滤波电路是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路,如图10.12所示。
滤波过程:
整流输出的直流电压经第一级电容C1滤波后,其交流分量经R电阻降压、电容C2滤波后,脉动进一步减小。
输出电压估算式:
Uo≈1.2U2
缺点:
①电阻R上直流电压,必须提高变压器副边电压;
②整流管冲击电流仍然大;
③由于电阻R上产生压降,所以外特性更软。
它只适合于小电流场合。
为避免直流电压下降,可用电感L代替电阻R,即采用LC−π型滤波电路。
2.LC−π型滤波电路
利用电感对交流分量有降压作用,对直流分量无降压作用,既可减小脉动又可避免输出电压下降,解决了RC−π型滤波电路存在的问题,但它仍然存在外特性软(与电容滤波基本相同)、整流管冲击电流大的缺点。
它也只适合于小电流场合。
输出电压估算式:
Uo≈1.2U2
如果需要大电流输出,或输出电流变化范围大,则可采用L滤波或LC滤波电路。
3.L滤波电路
L滤波电路如图10.14所示。
L对直流无降压作用,对交流有降压作用。
L越大(对交流降压作用越强),RL越小(输出交流分量越小),滤波效果越好,所以,它适合于负载电流大的场合。
由于电感对电流的变化有阻碍作用,所以电流的波形比较平滑,避免了过大的冲击电流。
输出电压估算:
Uo≈0.9U2
4.LC滤波电路
为进一步改善滤波效果,可采用LC滤波电路,如图10.15所示。
负载电阻较大(电流较小)时:
负载上交流分量小,滤波效果好;
负载电阻较小(电流较大)时:
电容放电慢,滤波效果也好;
所以,LC滤波电路对负载适应能力强,特别适合于电流变化范围大的场合。
输出电压估算式:
Uo≈0.9U2
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10.4倍压整流电路
讲课思路:
倍压整流电路的引出→倍压整流电路的原理→多倍压整流电路。
为了得到高的直流电压,采用上述各种电路时,必须提高变压器副边电压U2,这样势必造成变压器体积增大,并且对二极管和电容的耐压要求也提高。
为此,可以采用倍压整流电路。
实现倍压整流的方法:
利用二极管的导引作用,将直流电压分别存在多个电容器上,并将这些电压按照相同的极性串连起来,从而得到较高的直流电压。
10.4.1二倍压整流电路
二倍压整流电路如图10.16所示。
工作原理:
u2在正半周时:
VD1导通,VD2截止,电容C1充电至2U2;
u2在负半周时:
VD2导通,VD1截止,电容C2充电至2U2;
∴输出直流电压Uo=22U2——二倍压
实际上,电容C1、C2会通过负载RL放电,所以输出电压Uo略低于22U2,并且有脉动。
显然,负载电阻RL越大(负载电流越小),输出电压下降得越少,脉动也越小,所以,倍压整流电路适合于要求输出直流电压高,负载电流小的场合。
10.4.2多倍压整流电路
按相同的原理,将多个电容串起来,并用二极管作导引,分别给它们充电,就可得到多倍压输出。
如图10.17所示。
u2第一个周期正半周:
VD1导通,C1充电至2U2;
u2第一个周期负半周:
VD2导通,C2充电至22U2;
u2第二个周期正半周:
VD3导通,C3充电至22U2;
u2第二个周期负半周:
VD4导通,C4充电至22U2;依此类推。
把负载接到有关电容组的两端,就可以得到多倍压直流输出。
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10.5稳压电路
讲课思路:
直流电压不稳定的因素→稳压电路的主要指标→稳压管稳压电路(稳压原理、限流电阻的选择)→串联型稳压电路(电路的引出、组成、稳压原理、输出调节范围、保护电路)→集成稳压器(应用电路)→开关型稳压电路(引出、特点、分类、原理)。
电子设备通常需要稳定的直流电源供电,但经整流、滤波所得的直流电压不稳定,主要表现在两个方面:
1. 电网波动时,输出直流电压要随之而变;
2. 负载变化时,输出直流电压要随之而变。
所以,整流滤波后的直流电压还不能直接送给负载使用,还必须经过稳压环节稳压。
10.5.1稳压电路的主要指标
1.稳压系数S
定义:
S=ΔUoUoΔUiUi|RL=C
S反映了电网波动时,稳压电路保持输出电压稳定的能力。
S越小,电网波动时,稳压电路的稳压性能越好。
2.内阻ro
定义:
ro=ΔUoΔIo|Ui=C
ro反映了负载变化时,稳压电路保持输出电压稳定的能力。
ro越小,负载变化时,稳压电路的稳压性能越好。
此外,还有其它几个指标:
电压调整率:
指当电网电压变化10%时,输出电压的相对变化量。
最大纹波电压:
指在输出端存在的50Hz或100Hz交流分量的有效值或峰-峰值。
温度系数:
指电网电压和负载都不变时,由于温度变化引起的输出电压漂移。
常用的稳压电路有稳压管稳压电路和串联型直流稳压电路。
下面分别介绍。
10.5.2硅稳压管稳压电路
1.硅稳压管的伏安特性
硅稳压管的伏安特性如图10.18所示。
稳压管处于反向击穿状态时,电流在较大范围内变化,电压变化却很小,利用这个特点可以进行稳压。
2.电路组成和稳压原理
硅稳压管稳压电路如图10.19所示。
稳压原理:
(1)Ui不变,RL变化时
同理,可分析RL↑的情况。
(2)RL不变,Ui变化时
同理,可分析Ui↓的情况。
3.稳压系数和内阻的计算
(1)稳压系数S的计算
稳压系数可根据图10.20所示等效电路估算。
由图可知:
ΔUo=rz//RL(rz//RL)+RΔUi
当满足条件rz<∴S=ΔUoUoΔUiUi≈rzR⋅UiUo
显然,rz越小,R越大,则S越小,电网波动时,稳压性能越好。
(2)内阻ro的计算
内阻ro可根据图10.21所示等效电路估算。
由图可得:
ro=rz//R≈rz
4.限流电阻的选择
由稳压管反向击穿特性可知:
a.欲使稳压管具有稳压性能,则流过稳压管的电流Iz>Izmin,否则稳压性能变差;
b.欲保证稳压管安全可靠地工作,则流过稳压管的电流Iz即应保证:
Izmin可通过选择合适的限流电阻R满足上述条件。
∴限流电阻R选择的原则:
Izmin(1)当Ui=Uimax,Io=Iomin时,Iz值最大,此时应保证Iz即Uimax−UzR−Iomin∴R>Uimax−UzIzmax+Iomin
(2)当Ui=Uimin,Io=Iomax时,Iz值最小,此时应保证Iz>Izmin。
即Uimin−UzR−Iomax>Izmin
∴R式中:
Izmin——取稳压管稳定电流计算
Izmax=PzUz
Pz——稳压管额定功耗
10.5.3串联型直流稳压电路
1.电路的引出
用一可变电阻与负载串联稳压进行稳压,如图10.22所示。
当Uo↓ 时,调节可变电阻R↓→ UR↓→Uo↑
当Uo↑ 时,调节可变电阻R↑→ UR↑→Uo↓
可见,当输出电压变化时,通过调节可变电阻R,使R作也相同的变化,就可以稳定输出电压。
但是,上述人工调节不现实,不能满足实际的需要。
所以,不能用可变电阻器稳压。
那么,是否有一种器件其阻值能自动调节呢?
三极管集电极与发射极之间的电阻RCE就可以随基极电流IB自动变化,该特点可由三极管输出特性曲线看出,如图10.23所示。
由图可知:
IB=IB1时,工作在Q1点,此时RCE1=UCE1IC1
IB=IB2时,工作在Q2点,此时RCE2=UCE2IC2
IB=IB3时,工作在Q3点,此时RCE3=UCE3IC3……
显然,随着IB的不同,工作点Q的位置不同,RCE值也不同。
所以RCE是随IB变化的,IB越大,RCE越小。
若让IB随稳压电路输出电压Uo作相反的变化,则三极管可以自动稳定输出电压Uo。
图10.24所示为简单串联型稳压电路。
图中:
VT——调整管,作可变电阻,用于稳定输出电压;
R、VDz——基准电路,用于提供基准电压Uz。
调整管与负载串联——串联型稳压电路
由图可知:
UBE=Uz−Uo
稳压过程:
设输出电压Uo由于电网波动或负载变化而增大,则
Uo↑→UBE↓→IB↓→RCE↑→UCE↑→Uo↓
该电路存在的问题:
a.输出电压不能调节;
b.稳压性能较差。
因为它是靠偏差ΔUBE=Uz−ΔUo来调节的,对输出电压的变化不敏感,因此稳压性能较差。
为解决上述电路存在的问题,可采用图10.25所示的串联型稳压电路。
2.串联型直流稳压电路
(1)电路的组成
图10.25所示为串联型稳压电路。
电路由四部分组成:
VT——调整管,稳定输出电压;
R、VDz——基准电路,用于提供基准电压Uz;
R1、R2、R3——取样电路,将输出电压变化量的一部分送到放大电路输入端;
A——放大电路(其输入电压UId=Uz−UF),将输出电压变化量进行放大,提高稳压性能。
(2)稳压过程
设由于电网波动或负载变化造成输出电压Uo增大,则
Uo↑→UF↑→UId↓→UBE↓→IB↓→RCE↑→UCE↑→Uo↓
(3)输出电压调节范围
该电路输出电压可调。
输出电压调节范围确定如下:
由图10.25可得:
U−=UF=R″2+R3R1+R2+R3Uo
而U+=Uz
根据“虚短”U−=U+,则
Uz=UF=R″2+R3R1+R2+R3Uo
∴Uo=R1+R2+R3R″2+R3Uz
当R2滑动触头调至最上端时,R′2=0 、R″2=R2,Uo=Uomin,此时
Uomin=R1+R2+R3R2+R3Uz
当R2滑动触头调至最下端时,R′2=R2 、R″2=0,Uo=Uomax,此时
Uomax=R1+R2+R3R3Uz
3.稳压电路的过载保护
稳压电路工作时,如果输出端过载或短路,则调整管的电流急剧增大,会造成调整管损坏,所以必须采取保护措施。
下面介绍两种常用的保护电路。
(1)限流型保护电路
限流型保护电路如图10.26所示。
图中:
VT2——保护元件;
R4——检测电阻,检测过电流,阻值很小,一般为1Ω左右。
正常时,Io较小→R4上的电压很小→VT2截止,保护电路不动作;
过载时,Io较大→R4上的电压较大→VT2导通→VT2分流→调整管IB↓,起到保护作用。
(2)截流型保护电路
截流型保护电路如图10.27所示。
图中:
虚框内——保护电路;
R4——检测电阻。
正常时,Io较小→R4上的电压很小→UB2过载时,Io较大→R4上的电压较大→VT2导通→VT2分流→IB1↓,引起下述正反馈:
正反馈→IC2↑↑→VT2饱和→输出电压Uo=Uces2+UR8−IoR4−UBE1→Uo↓
Uo↓→调整管功率损耗↓——起到保护作用。
此时由于Uo很小,所以Ui大部分将在调整管上,所以选择调整管时,应使
U(BR)CEO>Uimax
在截流型保护电路中,一旦故障排除,则引入如下正反馈:
UR4↓→UB2↓→IC2↓→IB1↓→Uo↑→UE2↑→UBE2↓→IC2↓
正反馈使VT1和VT2迅速恢复到原来的数值。
10.5.4集成稳压器
随着集成技术的发展,稳压电路也迅速实现集成化。
目前已能大量生产各种型号的单片集成稳压电路。
集成稳压器具有体积小,可靠性高、温度特性好等优点,而且使用灵活、价格低廉,被广泛应用于仪器、仪表、及其他各种电子设备中。
特别是三端集成稳压器,只有三个端子,即输入端、输出端和公共端,基本上不需外接元件,而且内部有限流保护、过热保护和过压保护,使用安全、方便。
三端集成稳压器分类:
固定输出:
输出直流电压是固定不变的几个电压等级。
它又分为正输出和负输出两大类。
可调输出:
通过外接电阻和电位器使输出电压在某一个范围内连续可调。
本节介绍固定输出三端集成稳压器(W78××和W79××系列)。
1.W78××和