第5章 直流源

电子技术基础第5章直流稳压电源桥式整流电路及电容滤波电路的输出电压与变压器副边电压的关系。桥式整流电路、电容滤波电路及串联型稳压电路的组成和工作原理。3端集成稳压器的使用方法。学习要点5.1整流电路5.2滤波电路5.3直流稳压电路第5章直流稳压电源5.1整流电路u1u2u3u4u5ttttt变压整流滤波稳压u1u2u3u4u500000直流稳压电源的组成：利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。5.1整流电路ωtu20π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u2－+u1－D(a)电路(b)波形+uo－RL5.1.1单相半波整流电路ωtu20π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u2－+u1－D(a)电路(b)波形+uo－RL当u2为正半周时，二极管D承受正向电压而导通，此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等，即io=id。忽略二极管的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即uo=u2，输出电压uo的波形与u2相同。当u2为负半周时，二极管D承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压u2全部加在二极管D上。ωtu20π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u2－+u1－D(a)电路(b)波形+uo－RL单相半波整流电压的平均值为：0222o45.02)(sin221UUttdUU流过负载电阻RL的电流平均值为：L2Loo45.0RURUI流经二极管的电流平均值与负载电流平均值相等，即：L2oD45.0RUII二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：22MRM2UUU例有一单相半波整流电路，如图5-2（a）所示。已知负载电阻750LR，变压器副边电压V202U，试求Uo、Io，并选用二极管。解V)(92045.045.02oUU(mA)12(A)012.07509LooRUI(mA)12oDII(V)2.2820222DRMUU查半导体手册，二极管可选用2AP4，其最大整流电流为16mA，最高反向工作电压为50V。为了使用安全，二极管的反向工作峰值电压要选得比UDRM大一倍左右。5.1.2单相桥式整流电路+u1－+u2－D4D3D1D2RL+uo－(a)原理电路ab+u1－+u2－RL+uo－(b)简化画法u2为正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止。此时电流的路径为：a→D1→RL→D3→b。abVD3+u1－+u2－VD1RL+uo－⊕－ab+u1－+u2－VD4VD2RL+uo－⊕－u2为负半周时，b点电位高于a点电位，二极管D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止。此时电流的路径为：b→D2→RL→D4→a。ωtu20π2π3π4πωtiD10π2π3π4πωtiD20π2π3π4πωtuo0π2π3π4π单相全波整流电压的平均值为：0222o9.022)(sin21UUttdUU流过负载电阻RL的电流平均值为：L2Loo9.0RURUI流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：L2oD45.021RUII每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值，即：22MRM2UUU整流变压器副边电压有效值为：oo211.10.9UUU整流变压器副边电流有效值为：o22211.111.1IRURUILL由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。例：试设计一台输出电压为24V，输出电流为lA的直流电源，电路形式可采用半波整流或全波整流，试确定两种电路形式的变压器副边绕组的电压有效值，并选定相应的整流二极管。解：（1）当采用半波整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：3.5345.0240.45o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：2.753.5341.122RMUUV流过整流二极管的平均电流为：1oDIIA因此可选用2CZ12B整流二极管，其最大整流电流为3A，最高反向工作电压为200V。（2）当采用桥式整流电路时，变压器副边绕组电压有效值为：7.269.0240.9o2UUV整流二极管承受的最高反向电压为：6.377.2641.122RMUUV流过整流二极管的平均电流为：5.021oDIIA因此可选用四只2CZ11A整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为100V。5.2滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。5.2.1电容滤波电路ωtu20π2π3π4πωt0π2π3π4πuo+u2－+uo－+u1－D(a)电路(b)波形CRL+假设电路接通时恰恰在u2由负到正过零的时刻，这时二极管D开始导通，电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电。如果忽略二极管正向压降，电容电压uC紧随输入电压u2按正弦规律上升至u2的最大值。然后u2继续按正弦规律下降，且C2uu，使二极管D截止，而电容C则对负载电阻RL按指数规律放电。uC降至u2大于uC时，二极管又导通，电容C再次充电……。这样循环下去，u2周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，如图9-4（b）所示。电容C放电的快慢取决于时间常数（CRL）的大小，时间常数越大，电容C放电越慢，输出电压uo就越平坦，平均值也越高。Uo1.4Uo0.9Uo0Io单相桥式整流、电容滤波电路的输出特性曲线如图所示。从图中可见，电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。—般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。半波：2oUU全波：2o2.1UU为了获得较平滑的输出电压，一般要求CR1)15~10(L，即：2)5~3(LTCR式中T为交流电压的周期。滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（oCii），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。单相半波整流、电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为2CDRuuu，当负载开路时，承受的反向电压为最高，为：2RM22UU例：设计一单相桥式整流、电容滤波电路。要求输出电压48oUV，已知负载电阻100LRΩ，交流电源频率为50Hz，试选择整流二极管和滤波电容器。解：流过整流二极管的平均电流：240A24.010048212121LooDRUIImA变压器副边电压有效值：402.1481.2o2UUV整流二极管承受的最高反向电压：4.564041.122RMUUV因此可选择2CZ11B作整流二极管，其最大整流电流为1A，最高反向工作电压为200V。取05.0202.0525LTCRs，则：500F1050010005.06LRCμF5.2.2电感滤波电路+u1－+u2－RL+uo－L电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。5.2.3复合滤波电路LCCCLCCR(a)LC滤波电路(b)CLC滤波电路(c)CRC滤波电路LC、CLCπ型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRCπ型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。5.3直流稳压电路将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。直流稳压电路按调整器件的工作状态可分为线性稳压电路和开关稳压电路两大类。前者使用起来简单易行，但转换效率低，体积大；后者体积小，转换效率高，但控制电路较复杂。随着自关断电力电子器件和电力集成电路的迅速发展，开关电源已得到越来越广泛的应用。5.3.1并联型稳压电路+Ui－+Uo－RLDZ+UZ－R+UR－IoIZI工作原理：输入电压Ui波动时会引起输出电压Uo波动。如Ui升高将引起随之升高，导致稳压管的电流IZ急剧增加，使得电阻R上的电流I和电压UR迅速增大，从而使Uo基本上保持不变。反之，当Ui减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。当负载电流Io发生变化引起输出电压Uo发生变化时，同样会引起IZ的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，I和UR均会随之增大使得Uo下降，这将导致IZ急剧减小，使I仍维持原有数值保持UR不变，使得Uo得到稳定。+Ui－IoR1RLRaR2RbR4R3RPUBE2V1V2UBE1+Uo－UZ+－+－－++UF－5.3.2串联型稳压电路（1）取样环节。由R1、RP、R2组成的分压电路构成，它将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。（2）基准电压。由稳压二极管DZ和电阻R3构成的稳压电路组成，它为电路提供一个稳定的基准电压UZ，作为调整、比较的标准。（3）比较放大环节。由V2和R4构成的直流放大器组成，其作用是将取样电压UF与基准电压UZ之差放大后去控制调整管V1。（4）调整环节。由工作在线性放大区的功率管Vl组成，Vl的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可使集电极电流IC1和集、射电压UCEl改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。1、电路的组成及各部分的作用2、电路工作原理当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增加时，取样电压UF相应增大，使V2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增加，V2管的集电极电位UC2下降，因此Vl管的基极电流IB1下降，使得IC1下降，UCE1增加，Uo下降，使Uo保持基本稳定。Uo↑→UF↑→IB2↑→IC2↑→UC2↓→IB1↓→UCE1↑Uo↓同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。3、电路的输出电压设V2发射结电压UBE2可忽略，则：obabZFURRRUU或：ZURRRUbbao用电位器RP即可调节输出电压Uo的大小，但Uo必定大于或等于UZ。如UZ=6V，R1=R2=RP=100Ω，则Ra+Rb=R1+R2+RP=300Ω，Rb最大为200Ω，最小为100Ω。由此可知输出电压Uo在9~18V范围内连续可调。+Ui－IoR1RLR2R3RPV+Uo－UZ+－+UF－∞－++4、采用集成运算放大器的串联型稳压电路其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。5.3.3集成稳压器集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压器。3端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端3个接线端子。如W78××和W79××系列稳压器。W78××系列输出正电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，若要获得负输出电压选W79××系列即可。例如W7805输出+5V电压，W7905则输出－5V电压。这类３端稳压器在加装散热器的情况下，输出电流可达1.5～2.2A，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2～3V，输出电压变化率为0.1％～0.2％。1