第14讲 直流电源

1本次课介绍讲授内容：重点难点：重点：难点：单相桥式整流电路，电容滤波电路，集成稳压器。单相桥式整流电路，集成稳压器应用。集成稳压电源一、直流稳压电源的组成和功能二、整流电路三、滤波电路四、稳压电路2Home内容简介31.电源变压器:将交流电网220V/50Hz的交流电压u1变换为直流电源所需的次级交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路2.整流电路:将正弦交流电压u2变为脉动直流电压u3。3.滤波电路:滤掉交流分量，保留直流分量，将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。4.稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。§10.1直流稳压电源的组成和功能4整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。§10.2单相整流电路常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。5§10.2.1单相半波整流电路的工作原理u20时，二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20时，二极管截止,输出电流为0。uo=06tuo(4)输出电压平均值（Uo）：(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL202245.0221UUtduUoo(3)二极管上承受的最高电压：22UURM(2)二极管上的平均电流：ID=IL7§10.2.2单相桥式整流电路的工作原理桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo8桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路9u20时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:AD1RLD3Bu20时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2tt桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1tuou2D4D2D1D3RLuoAB10§10.2.3整流电路的主要参数1.整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压Uo的平均值为:πooU.tduπU2029021负载上的(平均)电流:LLRU.I290一、整流输出电压的平均值与脉动系数整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。11S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比。2.脉动系数Ｓ6703222324221.πUπUUUSomo用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo12注：平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。LoDRU.II24502122UURM例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半。二极管截止时两端承受的最大反向电压：二、平均电流与反向峰值电压13§10.3滤波电路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。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。14§10.3.1电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–151.RL未接入时(忽略整流电路内阻)u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–162.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–17u2tuot只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。18u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。整流电路的输出电流RLC越小，输出电压越低。3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–19一般取2)53(TCRτLd(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流过二极管瞬时电流很大。RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取LoLDFRU~I~I21)32(2)32(二、电容滤波电路的特点(1)输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大20输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变。如:RL愈小(IL越大),Uo下降多,S增大。结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。(3)输出特性(外特性)uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL21§10.4稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)以下主要讨论线性稳压电路。电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。22§10.4.1串联反馈式稳压电路一、串联式直流稳压电路的基本形式负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。TUORL+–+–UZUIiRiZiL实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE。但带负载的能力比稳压管强。BZRiii,0BELiii)1(23TUORL+–+–UZUIiRiZiL串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：(1)稳压效果不好。Uo=UZ–UBE(2)输出电压不可调。改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。24串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–二、具有放大环节的串联型稳压电路1.电路构成25T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。26T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。27一种实际的串联式稳压电源2.稳压原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2283.串联反馈式稳压电路缺点损耗(P=UCEIL)大电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低为了提高效率，可采用开关型稳压电源。调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:29三、稳压电路的主要性能指标1.稳压系数S稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。IIooUUUUS2.输出电阻Ro输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。30§10.4.2集成稳压电源随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800或7900系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。311端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形12332注：型号后XX两位数字代表输出额定电压值输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX一、集成稳压电源的分类W117系列产品为输出正电压可调三端集成稳压器；W137系列产品为输出负电压可调三端集成稳压器。331.输出为固定电压的电路二、应用电路输出为固定正压时的接法如图所示。注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！+_W7800系列稳压器基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1320.1~1F1µF342.输出正负固定电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO35COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX:为W78XX固定输出电压UO=UXX+UZ3.提高输出电压的电路364.输出电压可调式电路用三端稳压器也可以实现输出电压可调，下图是用W7805组成的7－30V可调式稳压电源。W7805132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1µ37ooURRRUUU2121(UXX=5V)运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低，可以克服稳压器受输出电流变化的影响。132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1µW7805)1(12RRUUXXoXXooUUU1Uo138思考与习题课堂作业：P349-351:10.1,10.5,10.8；习题：P327:10.15下一次课安排：总复习