直流稳压电源原理与设计

直流稳压电源的原理与设计直流电源的组成及各部分的作用电源变压器：把220V电网电压降至所需电压。整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。纯电阻负载半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340u20二极管导通uo=u2u20二极管截止uo=0整流与滤波电路-----半波整流u1u2aTbDRLuouDiouo20t纯电阻负载半波整流参数2220200045.02sin22121UUttdUtduULLRURUI/45.0/200002022257.122sin21IIItdtIImm2IID00IID22UUDRM直流电压反向电压直流电流有效值电流二极管电流u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+整流与滤波电路-----全波整流单相全波整流主要参数u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t22200009.022)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9.0/2000021IID0257.1DDIII222UUDRMu1u2TD3D2D1D4RLuo桥式整流电路波形整流与滤波电路-----桥式整流uo20t正半周D1、D4导通，D2、D3截止负半周D2、D3导通，D1、D4截止桥式整流电路参数u1u2TD3D2D1D4RLuouo20t22200009.022)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9.0/2000021IID22UUDRM057.1DDII0257.12DIIS定义：整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。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uo20t基波基波峰值输出电压平均值全波整流电路桥式整流电路半波整流电路290U.LRU.29022U571.670.22ULRU.24502450U.290U.LRU.290670.222U)AV(OU)AV(OIS2maxRULRU.2450LRU.2450LRU.2450)AV(DI整流电路性能的简单对比二、滤波电路滤波电路的结构特点:交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压RLLRLCRLLu2tuot只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1.电容滤波电路uot当u2上升到大于电容上的电压uc，u2对电容充电，充电时间常数=rdC很小,每次都能充满uo=uc当u2下降到小于电容上的电压时。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLC比较大,放电慢.22Uu2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)一般取)105(TCRτL(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)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(2)电容滤波电路的特点(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压22UURM串联式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电源类型:以下主要讨论线性稳压电路。稳压二极管稳压电源开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)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。一.硅稳压二极管稳压电路利用稳压二极管的反向击穿特性。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。硅稳压二极管稳压电路1.稳压原理(1)当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO==输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓硅稳压二极管稳压电路这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。2.稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。显然R的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。但R的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压电阻的计算如下当输入电压最小，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，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即LmaxZminZIminmax=IIVVR(1)稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR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(2)三.串联型稳压电源1.串联型稳压电源的构成VO=VI-VR，当VI↑→R↑→VR↑→在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL↑→R↓→VR↓→在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源2.工作原理1．输入电压变化时VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓实质：电压负反馈2．负载电流变化时IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑QvCE/ViC/mAQ`3.输出电压调节范围的计算REF2321O)'+(1=VRRRRV可见，调节R2可以改变输出电压。根据“虚短”Vf≈VREFoVo32132f=VFVRRRRRVVREFVfoFVFVV稳压原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2（UB1）Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2（UB1）(3)输出电压的确定和调节范围因为：OU2BEZUU22WRR21WRRR22221BEZWWOUURRRRRU所以：2221ZWWURRRRR忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求输出电压的调节范围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU4=6V4.74.74.74.74.7221ZWOmaxURRRRU4=12V4.74.74.74.710.3三端集成稳压器一.输出电压固定的三端集成稳压器（正电压78、负电压79）恒流源基准电压电路调整电路比较放大减流保护过热保护启动电路取样电路R4T1T4T2T3T5DZ1DZ2R3R2R1VREFT14T13D2D1R5R7R6T6T7T8T9T12T10T11R8R9R10R11R12R13R14R15DZ3DZ4VFVOVI123IO1端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1FCo1µF-10V-5V1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1FCo1µF+10V+5V注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！10.2.4三端集成稳压器的应用1.固定式应用举例10.2.4三端集成稳压器的应用2.可调式应用举例10.2.4三端集成稳压器的应用2.可调式应用举例四.稳压电路的主要性能指标输出电压变化量TSIRVKVTOoIVO稳压系数00IIOOO//TIVVVV输出电阻00OOoITVIVR温度系数00OITVTTVS直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计的依据是技术指标设计的内容包括：电路结构选择、参数计算、器件选择、具体电路设计步骤包括：根据市场、技术潮流、主要指标选择电源类型和电路结构根据电压关系计算各部分的电压根据电流关系计算各部分的电流根据功率关系计算各部分的功率根据电压、电流、功率选择器件设计结果包括：具体电路图，设计到电路、器件型号、管脚电路结构的选择稳压类型:线性串联直流稳压电源和开关式稳压电源;稳压器件:三端稳压器,晶体管稳压,其他集成稳压器;滤波电路:电容滤波,电感滤波,电感电容滤波;整流电路:桥式整流,全波整流,半波整流;工频变压器降压.得到如下电路:T1220/??D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1??UF/??VC4??UF/??VC20.1UFC30.1UFR1??12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805电路参数的计算—电压的计算T1220/??D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1??UF/??VC4??UF/??VC20.1UFC30.1UFR1??12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805U2Ui△UU0电路参数的计算—电流的计算T1220/??D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1??UF/??VC4??UF/??VC20.1UFC30.1UFR1??12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805I0IiI2IDID0电路元件参数的选取1、稳压器件:三端稳压器,正稳压系列78LXX：100mA78MXX：500mA78XX：1A78HXX：5AXX=05，06，08，09，12，15，24负稳压系列：79LXX；79MXX；79XX；正可调稳压系列：LM117；LM217；LM317Uo=1.25-25VIomax=1.5A负可调稳压系列：LM137；LM237；LM337Uo=-（1.25-25）VIomax=1.5A2、输出滤波电容3、稳压器前后小滤波电容作用：是输出电压波形更平滑，减少负载对电源的影响，提高动态响应。取值范围：取值太小时，起不到应有的作用；太大时会造成冲击太大；反馈相移大，甚至自激。参考输出电流取值：耐压：〉=50%的裕量100mA500mA1A1.5A3A5A47μF100μF220μF470μF1000μF2200μF主要目的是滤除高频干扰，电解电容的高频特性较差，小容量的无极性电容高频特性好，起到互补作用。也有利于改善动态特性。取值在0.01μF~0.3