直流稳压电源的设计与制作

主要讨论直流稳压电源的基本组成及工作原理，然后介绍串联反馈式稳压电路和开关式直流稳压电路，最后按要求完成直流稳压电源的设计与制作内容提要在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流电源可分为两大类，一类是化学电源，如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源；其优点是体积小、重量轻、携带方便等，缺点是成本高，易污染。另一类是稳压电源，它是把交流电网220V的电压降为所需要的数值，然后通过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压，这是现实生活中应用比较广泛的一类。引言第一节第三节第四节第五节第二节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3、回答问题：变压器初级输出电压幅值约为V变压器次级输出电压幅值约为V初级绕组输入电压与次级绕组输出电压之比约为：。注：理想变压器满足：I1/I2=U2/U1=N2/N1（P1=P2）电源变压器问题变压器是否可以进行直流变压？是否可以用电位器来变压？变压器的输出功率与输入功率关系是怎样？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3、观察并回答问题：二极管输入电压是（双极性/单极性）电路输出电压是（双极性/单极性）输出电压的波形是（全波/半波）输出电压与输入电压的幅值相比（基本相等/相差很大）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3、观察并回答问题：全波整流电路的输出电压波形并记录。输出电压是（双极性/单极性）输出电压是（全波/半波）输出电压与输入电压的幅值相比是（基本相等/相差很大）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3、观察并回答问题：桥式整流电路的输出电压波形并记录。输出电压是（双极性/单极性）输出电压是（全波/半波）输出电压与输入电压的幅值相比是（基本相等/相差很大）如何用次级带中心抽头变压器输出正、负两种极性的电压？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3、观察并回答问题：观察电容滤波电路的输出电压波形并记录。输出电压直流分量为V，纹波分量峰峰值（用AC输入档测量）为mV。滤波电路输出电压纹波（已消失/仍存在），滤波后的纹波要比滤波前（大得多/小得多）滤波后的输出电压的直流分量（大于/等于/小于）滤波前的输出电压的直流分量。电容是不是越大滤波效果越好？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