电子技术基础-第五章直流稳压电源电路

几乎所有的电子电路工作时都需要直流电源提供能量.便携式低功率系统可以使用电池,但对于大功率电子设备,使用电池的费用太高,所以都采用直流电源供电.第五章直流稳压电源•电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。•整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。•滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。•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。整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo5.1直流稳压电源的基本组成++++12L+uR-L1u2u220VD5.1整流电路半波整流电路组成：电源变压器、整流二极管、负载二极管导通，uL=u2二极管截止,uL=0+–iL+–u20时:u20时:u2uLuDt2340可见，交流电变化一周，有半周二极管导通，而另外半周截止，负载RL上输出的电压波形为方向不随时间变化，大小随时间变化的脉动直流电。因为输入电压变化一周而负载上仅有半周输出，故称为半波整流主要参数：IL=UL/RL=0.45u2/RLuL20t（2）输出电流平均值Io：++++12L+uR-L1u2u220VDILLU（1）输出电压平均值UL：245.0u（3）流过二极管的平均电流：uD20tURMIF=ILURM≧URm=22u（4）二极管承受的最高反向电压：++++12L+uR-L1u2u220VDIL整流二极管的选择：实际选择二极管时，IFM≥IFURM≥URm220V1212R2+Luuu·2L··－1DD2全波整流电路+–+–+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。电路组成：电源变压器次级、两只整流二极管、负载全波整流电压波形u2uLuD1t2340uD2V22012122·uuDD22·1·+u－LLRuL20tIL=UL/RL=0.8u2/RL主要参数：（2）输出电流平均值IL：LU（1）输出电压平均值UL：29.0uV22012122·uuDD22·1·+u－LLRILuD20t（3）流过二极管的平均电流：ID=IL/2（4）二极管承受的最高反向电压：V22012122·uuDD22·1·+u－LLR222uURM桥式全波整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路++++41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4u2正半周时:D1、D3导通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2ttuL++++41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4-+u2负半周时：D2、D4导通，D1、D3截止u2ttuL输出电压平均值：UL=0.8u2输出电流平均值:IL=UL/RL=0.8u2/RL流过二极管的平均电流：ID=IL/2u2ttuL（3）主要参数：二极管承受的最大反向电压：URM=22u++++41232+43DuuDDL21LDR-例：某电阻性负载，它需要一个直流电压为110V，直流电流为3A的供电电源，现采用桥式整流电路，试求变压器次级电压的有效值U2，并根据计算结果选择整流二极管型号。解：由公式可知，变压器次级电压的有效值为流过每一只整流二极管的平均电流为：每一只整流二极管承受的最高反向电压为：VVUU1229.01109.002AAIILD5.132121VVUURM5.172122222例：一个纯电阻负载单相桥式整流电路接好以后，通电进行实验，一接通电源，二极管马上冒烟了，试分析产生这种现象的原因。分析：二极管冒烟说明流过二极端管电流太大。从电源变压器次级与二极管负载构成的回路看，出现大电流的主要原因有两方面：1、首先看负载有没有短路。如果负载短路，变压器次级电压U2经过二极管构成通路，二极管因过流烧坏。2、如果负载确实没有短路，那就要看四臂桥路中整流管是否接反。集成硅整流桥：u2uL+–~+~-+–5.2滤波电路滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路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,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，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。电容滤波5.2滤波电路++++412321R220V+Lu-uL2uD4D3DD1C（1）空载（RL=∞）时：u2tuLtuc=uL++++41232u2DCL31DD-220VD+14uuucu2＞uC时：二极管导通，C充电u2＜uC时：二极管截止，C放电。由于RL=∞，无放电回路，所以uC保持。22uuuCL（2）接入RL（且RLC较大）时u2tiDtu2＞uC时：二极管导通，C充电u2＜uC时：二极管截止，C放电。二极管中的电流uc=uL++++412321R220V+Lu-uL2uD4D3DD1Cuc近似估算:UL=1.2U2(b)流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大电容滤波电路的特点：(a)UL与RLC的关系：RLC愈大C放电愈慢UL(平均值)愈大RLC较大一般取：(T:电源电压的周期)2)53(TCRLu2tiDtuc=uL纯电阻负载时，I2=1.52IL例：单相桥式整流电容滤波电路如图所示，已知输出电压U0=15V，RL=100，电源频率f=50HZ.试计算：1、变压器次级电压的有效值U2；2、滤波电容C的耐压值和电容量。解：（1）桥式整流电容滤波电路的输出电压为U0=1.2U2则U2=12.5V（2）当负载空载时，电容器承受最大电压，所以电容器的耐压值为FRTCfT，，CR，TCRVVUULLLcm4002,1225~37.175.12222因此取电容器的电容量应满足可选取470/25V的电解电容。F（1）滤波原理:对直流分量(f=0):XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。U0=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLu0有电感滤波的整流电路（2）电感滤波的特点:整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。u2u1RLLu0为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。1.LC滤波电路++++uo+-LCu-i+++++u++u-iC-oRC122.RCπ型滤波电路其他滤波电路5.2稳压电路稳压电路的作用:交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压稳压管稳压电路1.稳压原理——利用稳压管的反向击穿特性。由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。++++UDziLRz-oU-++RUIZILIiuUZ△I△UIzminIzmax稳压原理：ZL+=IIIRiZO==UUUU++++UDziLRz-oU-++RUIZILI(1)当输入电压变化时UiUZUoUoURIIZIRUi由图知：(2)当负载电流变化时稳压过程：ILUoURUoIZIR++++UDziLRz-oU-++RUIZILI2、限流电阻的计算（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值。即LmaxZminZIminmax=IIUUR++++UDziLRz-oU-++RUIZILI（2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即LminZmaxZImaxmin=IIUUR++++UDziLRz-oU-++RUIZILImaxminRRR所以：5.3晶体管串联型稳压电路稳压管稳压电路的缺点：（1）带负载能力差（2）输出电压不可调改进：（1）提高带负载能力——在输出端加一射极输出器UO=UZ-0.7V++++TU+-+UzDz-LiRURo改进：（2）使输出电压可调——在射极输出器前加一带有负反馈的放大器。调节反馈系数即可调节放大倍数UO=AUFUZ-0.7V为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端。++++DzT++-A+U-ioU-+UfUzR1R2LRRUo+UIRLT1+UCE并联型稳压电路—调整管与负载并联串联型稳压电路—调整管与负载串联串联型稳压电路的工作原理+UI取样电路调整管比较放大电路基准电压UZUF一、结构和稳压原理稳压的实质：UCE的自动调节使输出电压恒定二、输出电压的调节范围+Uo+UIR2RLR1R1UFUZR2RPZp212OFURRRRUUZ2p21O'URRRRUZp2p21minOURRRRRUZ2p21maxOURRRRU串联式稳压电路的优点：结构简单，稳压性能好，技术成熟，应用广泛。缺点：它的调整管工作在线性放大状态，功耗大，输出效率低，只有20％～40％；输出电压总是小于输入电压，两者极性也只能是相同的。晶体管开关型稳压电路为了提高效率，让调整管工作在开关（饱和、截止）状态——开关型稳压电路开关稳压电路的特点和分类开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达70%~95%。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从110V--260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关型稳压电源的分类方式很多。按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制（即脉宽-频率调制）型。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按使用开关管的类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸管型。串联开关型稳压电路调整管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故称为降压型稳压电路。1.换能电路的基本原理输入电压UI是未经稳压的直流电压；晶体管T为调整管，即开关管；电感uB为矩形波，控制开关管的工作状态；L和电容C组成滤波电路，D为续流二极管。串联开关型稳压电路当uB为高电平时，T饱和导通，D因承受反偏电压而截止，电感L存储能量，电容C充电；发射极电位uE=UI-UCES≈UI。当uB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L释放能量，其感生电动势使D导通，与此同时C放电，负载电流方向不变，uE=-UD≈0。构成串联开关型稳压电源的结构框图如图所示。它包括调整管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻R1和R2）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路（电感L、电容C和续流二极管D）等几个部分。经分析推导可得输入电压与输入电压的关系为：IIonoqUUTTU改变占空比q，即可改变输出电压的大小。2.串联开关型稳压电路的组成如图所示基准电压电路输出稳定的电压，取样电压UN1与基准电压UREF之差，经A1放大后，作为由A2组成的电压比较器的阈值电压UP2，三角波发生电路的输出电压与之相比较，得到控制信号UB，控制调整管的工作状态。在换能电路中，如果电感L数值太小，在Ton期间储能不足，那么在Toff还未结束时，能量已经放尽，将导致输出电压为零，出现台阶，这是不允许的。3.工作原理并联式开关电路中T1为调整管,控制电压Ub，T1开关周期为T