第十章 直流电源.docx

1、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。返回目录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

2、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。返回页首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

3、二极管； R L 负载2.工作原理u 2 正半周（ u 2 0 ）， VD 导通， u o = u 2 。u 2 负半周（ u 2 0 ）， VD 1 导通， VD 2 截止， u o = u 2 。u 2 负半周（ u 2 0 ）， VD 1 、 VD 3 导通， VD 2 、 VD 4 截止， u o = u 2 。u 2 负半周（ u 2 0 ）， VD 1 、 VD 3 截止， VD 2 、 VD 4 导通， u o = u 2 。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 I D = 1 2 I o = 1 2 U o R L 最

4、大反向峰值电压 U RM = 2 U 2 选管时应满足： I F I D U R U RM =2 2 U 2 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。返回页首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， u 2 处于正半周。（1） u 2 在正半周时， VD 1 、 VD 3 导通， VD 2 、 VD 4

5、截止， C 充电，此时u o = u C = u 2 （ C 充电）（2）当 u 2 = 2 U 2 时， u C = 2 U 2 ， u 2 达到最大值后开始下降，当 u 2 u C 时， VD 1 、 VD 3 截止， C 放电，此时u o = u C （ C 放电）（3） u 2 变化到负半周时，若 | u 2 | u C 时， VD 2 、 VD 4 导通， VD 1 、 VD 3 截止， C 又充电，此时u o = u C = u 2 （ C 充电）（5）当 u 2 达到负最大值后，其 | u 2 | 下降，当 | u 2 | u C 时， VD 2 、 VD 4 截止， C 又处于

6、放电状态，此时u o = u C （ 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 U o 提高了。（2）加电容滤波后，输出直流电压 U o 脉动减小了。（3）脉动大小与电容放电时间常数 有关。= R L C R L C 越大， 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 R L 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， U o 波形如图10.10所示。此时， U o = 2 U 2 ，脉动最小，脉动系数 S=0 。（4）外特性变差外特性：输出电压 U o 与输出电流 I o 之间的关系曲线

7、。无电容滤波时： U o =0.9 U 2 ， U o 不随 I o 变化，外特性硬，特性好。有电容滤波时：随着 R L ( I o ) 放电时间常数 电容放电快 U o 。此时 U o 随 I o 变化，外特性软，特性差。当 R L 0 时， U o =0.9 U 2 。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 180 0 ，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

8、电网交流电压的周期6. 输出电压 U o 的计算电容满足选择要求时，输出电压 U o 可按下式估算10.3.2 其它型式的滤波电路1. RC 型滤波电路RC 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 C 1 滤波后，其交流分量经 R 电阻降压、电容 C 2 滤波后，脉动进一步减小。输出电压估算式： U o 1.2 U 2 缺点：电阻 R 上直流电压，必须提高变压器副边电压；整流管冲击电流仍然大；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

9、 型滤波电路。2. LC 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 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： U o 1.2 U 2 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）， R L 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

10、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： U o 0.9 U 2 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： U o 0.9 U 2 返回页首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 U 2 ，这样势必造成变压器体积增

11、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：u 2 在正半周时： VD 1 导通， VD 2 截止，电容 C 1 充电至 2 U 2 ；u 2 在负半周时： VD 2 导通， VD 1 截止，电容 C 2 充电至 2 U 2 ； 输出直流电压 U o =2 2 U 2 二倍压实际上，电容 C 1 、 C 2 会通过负载 R L 放电，所以输出电压 U o 略低于 2

12、 2 U 2 ，并且有脉动。显然，负载电阻 R L 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。u 2 第一个周期正半周： VD 1 导通， C 1 充电至 2 U 2 ；u 2 第一个周期负半周： VD 2 导通， C 2 充电至 2 2 U 2 ；u 2 第二个周期正半周： VD 3 导通， C 3 充电至 2 2 U 2 ；u 2 第二个周期负半周： VD 4 导通， C 4 充电至

13、2 2 U 2 ；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。返回页首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

14、主要指标1. 稳压系数 S 定义： S= U o U o U i U i | R L =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 r o 定义： r o = U o I o | U i =C r o 反映了负载变化时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。 r o 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

15、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） U i 不变， R L 变化时同理，可分析 R L 的情况。（2） R L 不变， U i 变化时同理，可分析 U i 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： U o = r z / R L (

16、r z / R L )+R U i 当满足条件 r z R L ， r z I zmin ，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 I z I zmax ，否则稳压管有可能被损坏。即应保证： I zmin I z I zmax 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: I zmin I z I zmax （1）当 U i = U imax ， I o = I omin 时， I z 值最大，此时应保证 I z I zmax 。即 U imax U z R I omin U imax U z I zmax + I omin （2）当

17、U i = U imin ， I o = I omax 时， I z 值最小，此时应保证 I z I zmin 。即 U imin U z R I omax I zmin R U imin U z I zmin + I omax 式中： I zmin 取稳压管稳定电流计算I zmax = P z U z P z 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 U o 时，调节可变电阻 R U R U o 当 U o 时，调节可变电阻 R U R U o 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

18、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 R CE 就可以随基极电流 I B 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：I B = I B1 时，工作在 Q 1 点，此时 R CE1 = U CE1 I C1 I B = I B2 时，工作在 Q 2 点，此时 R CE2 = U CE2 I C2 I B = I B3 时，工作在 Q 3 点，此时 R CE3 = U CE3 I C3 显然，随着 I B 的不同，工作点 Q 的位置不同

19、， R CE 值也不同。所以 R CE 是随 I B 变化的， I B 越大， R CE 越小。若让 I B 随稳压电路输出电压 U o 作相反的变化，则三极管可以自动稳定输出电压 U o 。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 、 VD z 基准电路，用于提供基准电压 U z 。调整管与负载串联串联型稳压电路由图可知： U BE = U z U o 稳压过程：设输出电压 U o 由于电网波动或负载变化而增大，则U o U BE I B R CE U CE U o 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

20、差 U BE = U z U o 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 、 VD z 基准电路，用于提供基准电压 U z ；R 1 、 R 2 、 R 3 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 U Id = U z U F ），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 U o 增大，则U o U F U

21、 Id U BE I B R CE U CE U o （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 = U F = R 2 + R 3 R 1 + R 2 + R 3 U o 而 U + = U z 根据“虚短” U = U + ，则U z = U F = R 2 + R 3 R 1 + R 2 + R 3 U o U o = R 1 + R 2 + R 3 R 2 + R 3 U z 当 R 2 滑动触头调至最上端时， R 2 =0、 R 2 = R 2 ， U o = U omin ，此时U omin = R 1 + R 2 + R 3 R

22、2 + R 3 U z 当 R 2 滑动触头调至最下端时， R 2 = R 2 、 R 2 =0 ， U o = U omax ，此时U omax = R 1 + R 2 + R 3 R 3 U z 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： VT 2 保护元件；R 4 检测电阻，检测过电流，阻值很小，一般为 1 左右。正常时， I o 较小 R 4 上的电压很小 VT 2 截止，保护电路不动作；过载时， I o 较大 R

23、4 上的电压较大 VT 2 导通 VT 2 分流 调整管 I B ，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；R 4 检测电阻。正常时， I o 较小 R 4 上的电压很小 U B2 U imax 在截流型保护电路中，一旦故障排除，则引入如下正反馈：U R4 U B2 I C2 I B1 U o U E2 U BE2 I C2 正反馈使 VT 1 和 VT 2 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