直流稳压电源.docx

直流稳压电源.docx

《直流稳压电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流稳压电源.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

直流稳压电源

第10章直流稳压电源

内容简介

 在大多数电子设备中，几乎都需要直流稳压电源。

一般较小功率的直流电源均是用市电经整流、滤波和稳压后获得。

整流，即是将交流电压变为脉动直流电压；滤波，即是除去脉动直流电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压，即是减小电源电压波动、负载变化和温度变化的影响，以维持输出电压的稳定。

由于集成稳压电路具有体积小、重量轻、工作可靠等优点，因而，应用越来越广泛。

稳压电路可分为：

线性稳压器，主要是因其调整元件工作在线性状态；开关稳压器，其调整元件工作在开关工作状态。

本章先讲述整流、滤波电路的工作原理，然后重点介绍线性和开关稳压电源的工作原理及其应用。

最后介绍集成直流稳压电源的调整与测试方法。

知识教学目标

 1、熟悉单相整流电路的组成结构、工作原理；

 2、掌握单相整流电路参数的计算方法；

 3、熟悉串联型稳压电路的组成结构、工作原理；

 4、掌握三端固定、可调集成稳压电路基本应用方法；

 5、了解开关稳压电源电路结构和工作原理。

技能教学目标

 能够完成直流稳压电源的设计、安装和调试，并能测定其参数。

本章重点

 1、单相整流电路的结构、组成、工作原理、参数计算；

 2、串联型稳压电路的结构、组成、工作原理、参数测定。

本章难点

 1、串联型稳压电路的分析；

 2、开关型稳压电路的分析。

10.1单相整流滤波电路

  小功率直流电源通常采用单相整流获得。

主要是得用二极管的单向导电特性，将交流电变为直流电。

常用的形式有：

单相半波整流和单相半波整流。

10.1.1 单相整流电路

一、半波整流电路

单相半波整流电路原理图，如图10.1.1（a）所示。

整流变压器Tr可将220V的市电变为所需的交流低压，另外还具有良好的高低压之间的隔离作用。

图10.1.1半波整流电路及其波形

（a）电路图（b）波形图

 原理分析：

u2正半周时，二极管导通，电流的流通途径为

。

 此时二极管两端电压只有很小的一点正向压降，即uD=0。

负载的电流与二极管的电流相等i0=iD，电压等于电源电压u0≈u2。

u2负半周时，二极管截止，电流为零（有很小的反向漏电流），负载电压为零。

二极管两端电压为电源电压u0≈u2。

其电流电压波形如图10.1.1（b）。

 计算关系：

输出电压的平均值

                 （10.1.1）

             流过二极管的平均电流为

      （10.1.2）

             二极管所承受的最高反向工作电压

         （10.1.3）

 特点：

简单、所用元件少、效率低、输出电压波动大，适用于要求不高的场合。

图10.1.2桥式整流电路原理图

二、桥式整流电路

电路原理如图10.1.2所示。

有四只二极管V1、V2、V3、V4构成桥形电路。

 原理分析：

u2正半周时，其导通途径为：

，

      其V2、V4反向截止。

忽略管压降则输出电压为u0≈u2。

              u2负半周时，其导通途径为

，

      其v1、V3截止。

输出电压uo=-u2。

其电流电压波形如图10.1.3所示。

 其计算关系为：

    输出电压      

            （10.1.4）

    二极管的通态平均电流  

   （10.1.5） 

    二极管最高反向工作电压    

                  （10.1.6）          

 二极管的电流、电压波形，如图10.1.3（c）、（d）所示。

图10.1.3桥式整流电路的电流电压波形

图10.1.4桥式整流电路及其电流电压波形（a）电路（b）电流、电压波形

10.1.2 滤波电路

 所谓滤波，就是将整流后脉动直流电的交流成份除去，使之变为平滑直流电的过程。

一、电容滤波电路

 其电路组成，如图10.1.4（a）所示。

由一只较大容量的电容器和负载电阻构成。

工作原理可根据图10.1.4（b）电流电压波形来分析：

 设电容初始电压为零，并在t=0时接通电源。

u2在上升的过程中对电容进行充电，其充电电压为

（电压波形的o、a段）。

当u2达到最大时uc亦最大，即在电压波形的a点处，充电结束。

此后因

则整流输出结束，电容器经负载电阻RL放电，即此时的负载电流由电容器放电获得。

放电的快慢由时间常数

决定；放电的过程按指数规律下降（电压波形的a、b段）。

 由于电容两端电压的变化速度较电源电压变化的速度慢。

因此，在u2的负半周，当满足

时，二极管V2、V4导通，电容器C将再次被充电，直至u2的峰值，充电结束。

 如此往复，在负载端就得到一纹波系数较小的锯齿波，其输出电压的平均值也增大了。

 计算关系：

在电源电压一定时，输出电压的高低将取决于时间常数

。

       当RL开路时，

，则 

                       （10.1.7）

      若满足

条件（T为电源电压周期），则输出电压可取

                  （10.1.8）

 在选择二极管时须注意：

只有在

的条件下二极管才能导通，因此其导通时间缩短了。

在负载功率不变的条件下，将会在二极上形成较大的冲击电流即浪涌电流，这是在二极选择时必须考滤的。

一般可按

来考滤。

 适用场合：

输出电压的平滑度因负载电阻的大小而异，负载电阻越大滤波效果越好，输出越稳定；反之输出电压波动就大。

因而电容滤波电路只能用于负载变化不大的小电流整流场合。

二、其他形式的滤波电路

 1、电感滤波电路

 由于电感的特点是阻碍电流的变化。

因此，当负载电流变化越大，滤波的效果就越好。

一般适用于低电压、大功率的负载。

如图10.1.5（a）所示。

 2、π型滤波电路

 有RCπ型滤波电路和LCπ型滤波电路。

如图10.1.5（b）所示。

    一般情况下，对于大功率负载，通常选用LC滤波电路；小容量负荷一般选用RC滤波电路。

图10.1.5电感滤波、LC

型滤波电路

10.2 线性集成稳压器

 常用的线性集成稳压器，通常为三端式稳压器。

它有两种形式：

一种是输出为固定的固定式三端稳压器；另一种为可调输出的三端稳压器。

其基本原理均为串联型稳压电路。

10.2.1串联型稳压电路的工作原理

 串联型稳压电路由取样电路、基准电路、比较放大电路和调整管组成。

因调整元件与负载是串联关系，故称之为串联型稳压电路。

 如图10.2.1所示。

图中v1为调整管，它工作在线性放大区；R3和稳压管V2构成基准电压源电路，为放大器A提供比较用的基准电压；R1、R2、Rp组成取样电路；放大器A对取样电压和基准电压的差值进行放大。

 稳压原理分析：

若负载变化使输出电路

放大器的净输入电压

调整管的基极电压 

管压降

。

 若负载变化使输出电压增大，其调整的过程与之相反。

 电源变化的调整过程同学们可自行分析。

108.2.2 三端固定输出集成稳压器 

 三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。

型号的意义为：

（1）78或79后面所加的字母表示额定输出电流。

如L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A；

（2）最后的两位数字表示额定电压。

如CW7805表示输出电压为+5V，额定电流为1.5A。

 其外型、封装形式和管脚排列如图10.2.2所示。

一、基本应用电路

 7800系列的基本应用电路，如图10.2.3所示。

该电路的输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。

 为使电路能正常工作，对各元器件有如下要求：

（1）输入端电压Ui应比输出端电压至少大2.5～3V；

（2）电容器C1，一般取0.1～1uF。

其作用是抵消长接线时的电感效应，防止自激振荡，抑制电源则的高频脉冲干扰；（3）输出端电容C2、C3，可改善负载的瞬态响应，具有消除高频噪音及振荡的作用；（4）V为保护二极管，用来防止在输入端短路时大电容C3通过稳压器放电而损坏器。

二、提高输出电压的电路 

 由此可见，改变R2与R1比值的大小，就可改变输出电压的大小。

其缺点是：

若输入电压发生变化，IQ也要变化，将影响稳压器的精度。

三、输出正负电压的电路

   如图10.2.5所示为采用CW7815和CW7915两块三端稳压器所组成的，可同时输出+15V、－15V电压的稳压电路。

10.2.3 三端可调输出集成稳压器

  与78和79系列相比，其公共端的电流非常小，因此可以很方便的组成精密可调的稳压电源，应用更为灵活。

其典型产品有：

具有正电压输出的CW117/CW217/CW317系列和具有负电压输出的CW137/CW237/CW337系列。

其额定电流的标示，和78、79系列一样，也是在序列号后用字母标注。

 其直插式塑封管脚排列，如图10.2.6所示。

 图10.2.7为三端可调输出集成稳压器的基本应用电路。

为防止输入端发生短路时，C4向稳压器反向放电而损坏，故在稳压器两端反向并一只二极管V1。

V2则是为防止因输出端发生短路C2向调整端放电可能损坏稳压器而设置的。

C2可减小输出电压的纹波。

R1、Rp构成取样电路，可通过调节Rp来改变输出电压的大小。

 其输出电压的大小可表示为:

 由于基准电流

，可以忽略，基准电压

，所以

 可见，当R2=0时，U0=1.25V，当R2=2.2kΩ时，U0≈24V。

 为保证电路在负载开路时能正常工作，R1的选取很重要。

由于元件参数具有一定的分散性，实际运用中可选取静态工作电流IQ=10mA，于是R1可确定为

取标称值120Ω。

若R1的取值太大，会使输出电压偏高。

 10.3 开关集成稳压电源

 由于线性稳压器的调整元件必须工作在线性放大区，因而其管压降大、管耗大、效率低，特别是在输入电压升高、负载电流很大时，更为明显。

当调整管工作于截止、饱和两种状态时，其管耗很小，效率可高达80%～90%，且几乎不受输入电压大小的影响，因而有较宽的稳压范围。

其存在的主要问题是纹波系数大。

但因其优点显著，而获得较快的发展及应用。

10.3.1开关稳压电源的基本工作原理

  图10.3.1为串联开关稳压电路的基本组成框图。

图中V1为开关元件（调整管；V2为续流二极管；L、C构成L型滤波电路；R1和R2组成取样电路、A为误差放大、C为电压比较器，它们与基准电压、三角波发生器组成开关调整管的控制电路。

取样电压UF、基准电压UREF、三角波电压UT。

UT决定着电源开关的频率。

比较器的输出uB控制着调整管的导通和截止。

uB、UT、UA的波形如图8.3.2（a）、（b）。

 原理分析：

当UB为高电平，v1饱和导通，uE=U1，V2截止，uE通过电感L为负载RL提供电流。

电感L中的电流iL随时间线性增长，同时L将储能，当iL>I0电容C亦被充电，输出电压uo略有增大。

 当uB为低电平，V1截止，uE=0，电感L将产生与电流iL同方向的自感电动势，经V2构成回路而续流。

此时，负载RL所获得的电能来自于电感L的储能，因此电流iL将随时间线性下降。

当iL

uE、iL、uo波形如图10.3.2（c）、（d）、（e）所示。

图中的I0、Uo为稳压电路输出电流、电压的平均值。

由此可见，开关型稳压电源能获得平稳直流电压输出的关键在于二极管V2的续流和L、C的滤波作用。

 计算关系：

在忽略滤波器电感的直流压降、开关管的饱和压降及二极管的导通压降时，输出电压的平均值将正比于脉冲的占空比，

 由于输出电压的大小与脉冲的宽度成正比，故而又将此电路称之为脉宽调制式（PWM）开关稳压电路。

10.3.2 集成开关稳压器及其应用 

 集成开关稳压器的种类较多。

如CW1524/2524/3524、CW4960/4962及CW2575/2576等。

在这里，我们着重介绍关于CW1524系列的特点、性能和应用。

 CW1524系列是采用双极型工艺制作的模拟、数字混合集成电路，其内部电路包括：

基准电压源、误差放大器、振荡器、脉宽调制器、触发器、两只输出功率晶体管及过流过热保护电路等。

 特点是：

CW1524工作结温为－55～+150℃，CW2524/3524工作结温为0～+125℃。

最大输入电压为40V；最高工作频率为100KHZ；内部基准电压为5V；能承受的负载电流为50mA；每路输出电流为100mA。

CW1524系列采用直插式16脚封装。

管脚排列如图10.3.3所示。

各脚的功能为：

  1、2脚分别为误差放大器的反相和同相输入端，脚1接取样电压，脚2接基准电压。

 3脚为振荡器输出端，可输出方波电压，6、7脚分别为振荡器外接定时电阻RT端和定时电容CT端。

振荡频率fo=1.15/RTCT，一般取   

，  

 。

 4、5脚为外接限流取样端，8脚是地端，9脚是补偿端，10脚为关闭控制端，控制10脚的电位可以控制脉宽调制器的输出，直至使输出电压为零。

 11、12脚分别为输出管A的发射极和集电极，13、14分别是输出管B的集电极和发射极。

输出管A和B内均设有限流保护电路，峰值电流限制在约100mA。

 15脚为输入电压端。

16脚是基准电压端，可提供50mA、5V的稳定基准电压源，该电源具有短路电流保护。

 由CW1524构成的开关稳压电源实例：

如图10.3.4所示。

外接开关管V1、V2可实现扩流。

12和13脚、11和14脚连接在一起，将芯片内输出管A和B并联作为外接复合调整管V1、V2的驱动级。

6、7脚分别接入R5和C2,故振荡频率   

。

由16脚输出的5V基准电压经R3,R4的分压得2.5V，送到误差放大器的同相输入端2脚。

稳压电源的输出电压Uo经取样电路R1、R2的分压，获得

送到误差放大器的反相输入端1脚。

根据

，可求得输出电压Uo=5V（因为R1~R4均为5kΩ）。

在4与5脚之间接的电阻R0为限流保护取样电阻，目的在于防止V1、V2因过载而损坏。

9脚外接R6、C3用于防止寄生振荡。

10.4技能训练：

直流稳压电源的装配与调试

10.4.1固定输出集成直流稳压电源的调整与测试

（一）目的

1、加深直流稳压电源工作原理的理解，熟练掌握电路元器件的选择方法。

2、熟悉三端固定输出稳压器的型号、参数及其应用。

3、掌握直流稳压电源的调整与测试方法。

（二）内容及要求

1、电路设计条件

（1）输入交流电压：

220V10%，50

（2）输出直流电压：

12V

（3）输出电流：

0～500mA

（4）电压调整率：

（5）内阻：

（6）纹波电压峰值：

<5mV

2、电路设计要求

（1）选择电路形式。

画出原理电路图。

（2）选择电路元器件的型号及参数，并列出材料清单。

（3）画出安装布线图。

（4）拟定调试内容及步骤，画出测试电路及记录表格。

3、电路安装

 按照自已的布线原理图进行安装。

安装完毕后，必须进行检查，看有无错接、漏接和接触不良之处。

特别应注意：

二极管的引脚、滤波电容的极性、三端稳压器的引脚不能接错，输出端不应有短路现象。

4、调整与测试

 能电之前必须进行下列事项的检查：

（1）电源变压器绝缘电阻的检测 绕组之间、绕组对地、绕组对铁心的绝缘电阻不应小于1000MΩ。

若用万用表测，应指示无穷大。

（2）一次和二次则不能接反，否则为升压变压器，后果严重。

（3）二极管（整流桥）、滤波电容的极性不能反，否则元件将会遭到损坏。

（4）三端稳压器的输入、输出和公共端不能错。

特别是公共端，一旦开路输出电压就会接近输入电压，可能会损坏负载。

（5）负载端不应有短路现象。

通过以上措施确认无误后，方可接通电源，进行调整和调试。

5、调试报告要求

报告中要有：

目的、要求、元件选择、参数估算、原理图及材料清单；调试的内容、步骤、数据记录和对结果的整理与分析等。

（三）参考电路

 如下图所示，为一固定输出集成稳压电源电路的原理图