直流稳压电源的设计与制作 电子系统设计

直流稳压电源的设计与制作132直流稳压电源的组成及工作原理串联反馈式稳压电路开关式直流稳压电路4数控直流稳压电源的设计与制作第一节直流稳压电源的基本组成及工作原理一、直流稳压电源的组成二、直流电源各部分原理三、直流稳压电源的性能指标电源变压器vo0tvF0tvR0tv10tv20t整流电路滤波电路稳压电路一、直流稳压电源的组成直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。VOVI功能作用交流电压变换部分将电网电压变为所需的交流电压将直流电源与交流电网隔离二、直流稳压电源各部分原理电源变压器1、电源变压器电源变压器+-U1N1N2+-U2ZLnNNUU11212电源变压器仿真一：电源变压器的基本特性1、要求：电源变压器：10：1，200V/50Hz负载电阻：100欧，示波器2、仿真电路：电源变压器2、整流部分作用：将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。(AC→DC)说明：1、单方向的脉动电压存在很大脉动成份，不能直接提供给负载。2、脉动谐波成份——纹波整流电路技术：二极管的单向导电性电路形式：半波整流全波整流桥式整流整流电路v2vo00tt234Trv1v2DRLvo整流电路1、电路图：如图所示，利用二极管的单向导电性，在负载电阻RL上得到单向脉动电压VO整流电路1半波整流电路：整流：利用二极管的单向导电性，把交流变成脉动的直流v2vo00tt234Trv1v2DRLvo2、电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、效率低输出的直流电压值为:2220OV45.0V2tdtsinV221V整流电路整流电路1半波整流电路：v2vo00tt234Trv1v2DRLvo3、工作原理：U2为正半周：D管导通，有输出电压；U2为负半周：D管截止，无输出电压输出的直流电压值为:2220OV45.0V2tdtsinV221V整流电路整流电路1半波整流电路：仿真二：半波整流电路1、要求：二极管（理想）1只2、仿真电路：整流电路4、参数计算（1）输出的直流电压值为:（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.45U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=SQR（2）U22220OV45.0V2tdtsinV221V整流电路整流电路1半波整流电路：5、二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于实际流过二极管的平均电流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URMURURM=SQR（2）U2整流电路整流电路1半波整流电路：1、电路图：如图所示，二极管D1、D2分别在V2的正、负半周导通，在RL上得到如图所示电压波形。v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：2、电路特点：是输出电压波动小，变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：3、工作原理：在U2正半周：D1导通、D2管截止，负载中有电流流过；在U2负半周：D1截止、D2管导通，负载中有电流流过。v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：仿真三：单相全波整流电路1、要求：二极管（理想）2只2、仿真电路：整流电路4、参数计算：（1）输出的直流电压值为:2220OV9.0V22tdtsinV21V（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.9U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO/2=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=2SQR(2)U2整流电路整流电路2全波整流电路：5、二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于实际流过二极管的平均电流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URMURURM=2SQR(2)U2整流电路整流电路2全波整流电路：1、电路图：如图所示，二极管D1、D2、D3、D4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。v1D1D4v2Tr简化画法RL整流电路整流电路3桥式整流电路：2、工作原理：在V2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，通过D1、D3给RL提供电流，方向由上向下（图中虚线)；在V2的负半周，D2、D4导通，D1、D3截止，通过D2、D4给RL提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形v1D1vLv2TrD4D3D2RL(+)(-)+-(+)(-)ab电网电压整流电路3、波形图00tt234VL0tD3D1D2D4D3D1D2D4V2iLiD1iD3iD2iD4iD2iD4iD1iD3导通导通导通导通22OV9.0V22VVo的大小与全波整流电路相同，即:整流电路整流电路3桥式整流电路：仿真四：桥式整流电路1、要求：整流桥（理想）1只。2、仿真电路：整流电路4、参数计算：（1）输出的直流电压值为:2220OV9.0V22tdtsinV21V（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.9U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO/2=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=U22整流电路整流电路3桥式整流电路：5、整流二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于实际流过二极管的平均电流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URMURURM=SQR（2）U2整流电路整流电路3桥式整流电路：3、滤波电路作用：对整流电路输出的脉动直流进行平滑，使之成为含交变成份很小的直流电压。说明：1、滤波电路实际上是一个低通滤波器。2、截止频率低于整流输出电压的基波频率滤波电路电路形式：一、电容滤波二、电感滤波三、L型滤波电路四、型滤波电路滤波电路（1）电容滤波电路尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。本节中只介绍电容滤波电路。电感滤波电路主要用于大电路中，其他滤波电路自行分析。滤波电路电容滤波电路（1）桥式整流、电容滤波电路如图所示1电路组成：v1D1vLv2TrD4D3D2RL(+)(-)+-(+)(-)+CSab滤波电路（2）电容滤波的原理：电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。电容滤波电路1电路组成：滤波电路（1）负载未接入（开关S断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时，V2通过D1、D3向电容C充电；V2为负半周时，经D2、D4向电容C充电。充电时间常数为：C=RintCtv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路（1）其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值V2，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压)保持在V2不变。tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路tv20234vc电容滤波电路2工作原理：（2）.1接入负载RL（开关S合上）时：设变压器副边电压V2从0开始上升时接入RL，由于电容已到V2，故刚接入负载时，V2＜VC，二极管在反向电压作用下而截止，电容C经RL放电，放电时间常数为：d=RLC。因d一般较大，故电容两端电压Vc(即Vo)按指数规律慢下降（图中a,b段）滤波电路tv20234vc电容滤波电路2工作原理：（2）.2当V2升至V2＞VC时，二极管D1、D3在正向电压作用下而导通，此时V2经D1、D3一方面向RL提供电流，一方面向C充电（接入RL后充电时间常数变为C=RL//RintC≈RintC）。VC将如图中b、c段所示滤波电路（2）.3当V2又降至V2＜VC时，二极管又截止，电容C又向RL放电，如图中c、d段所示.电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压Vo=VC，由此可见输出电压的波动大大减小。tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路（2）.4为了得到平滑的负载电压，一般取d=RLC≥(35)T/2(T为交流电周期20ms)此时：Vo=(1.11.2)V2tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路t02340tC放电C充电RL接入后RL未接入D1D3导电D2D4导电D2D4导电D1D3导电abcdevC=vL2Cv2vtsinv2vi2LLLRviiDiDiCvZ,vL,vC滤波电路仿真五：电容滤波1、要求：电容1000µF1只2、仿真电路：滤波电路电容滤波电路3电容滤波的特点1、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成份越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取：RLC≧（3—5）T/2(T—交流电源电压周期)滤波电路2、RL越小，输出电压越小。（1）当C一定时，RL→∞时，即空载：ULO=1.4U2（2）当C=0时，即无电容时：ULO=0.9U2（3）一般情况下，ULO=（1.1——1.2)U23、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。滤波电路v1Dvov2TrRLL滤波电路（2）电感滤波电路1、电路图电感滤波电路2、电感滤波的原理：电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。滤波电路3、电感滤波电路的几点说明：1、L越大、RL越小，输出电压纹波越小；2、忽略电感内阻，ULO=0.9U2（理论值）3、电感滤波适用于低电压，大电流的场合电感滤波电路滤波电路1、L型滤波电路其它滤波电路滤波电路2、型滤波电路其它滤波电路滤波电路4、稳压部分作用：维持输出直流电压的基本稳定。说明：1、经过滤波电路后的电压的稳定性比较差。2、电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响较大稳压电路一、稳压管电路组成（并联稳压电路）：1、电路图：2、说明：R——限流电阻Dz——稳压二极管稳压电路仿真一：稳压管稳压电路1、要求：稳压二极管（1N4740A，Uz=10V）1只电阻R=100欧，电阻RL=1K2、仿真电路：四、R的取值范围：（UImax-UZ)/IZmax≦R≦(UImin-UZ)/(IZmin+UZ/RLmin)注：一般情况下，在稳压管安全工作条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。稳压电路直流稳压电源的性能指标：1、最大输出电流IOmax：2、输出电压UO和电压调节范围：3、保护特性：4、效率：5、过冲幅度：稳压电源性能指标二、质量指标1、输入电压调整因数Su和稳压系数Sr：2、输出电阻Ro：3、温度系数ST：稳压电源性能指标第一节第三节第二节串联反馈式稳压电路直流稳压电源的组成及工作原理开关式直流稳压电路一、电路组成串联反馈式稳压电路串联线性稳压电路如图所示，它由四部分组成：调整电路、比较放大电路、基准电压和取样电路。根据比较