1 第10章直流穩(wěn)壓電源 電子設(shè)備一般都需要直流電源供電 獲得直流電源的方法很多 如干電池 蓄電池 直流電機(jī)等 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法是 把交流電源變換成直流電源 變換的方法步驟 交流電網(wǎng) 變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 直流 負(fù)載 電子設(shè)備 2 電源變壓器 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2 整流電路 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3 濾波電路 將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4 穩(wěn)壓電路 清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響 保持輸出電壓uo的穩(wěn)定 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 交流電網(wǎng) 變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 直流 負(fù)載 電子設(shè)備 3 10 1整流電路1 單相半波整流電路2 單相橋式整流電路10 2濾波電路1 電容濾波電路2 其它形式的濾波電路10 3穩(wěn)壓電路1 硅二極管穩(wěn)壓電路2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路3 集成穩(wěn)壓電路 4 整流電路的任務(wù) 利用二極管的單向?qū)щ娞匦?將正負(fù)交替的交流電壓變換成單方向的直流脈動電壓 10 1整流電路 常見的小功率整流電路有 單相半波 全波 橋式和倍壓等方式 單相橋式整流電路用得最為普遍 為分析簡單起見 把二極管當(dāng)作理想元件處理 正向?qū)?導(dǎo)通電阻為零 導(dǎo)通壓降為零反向截止 電阻為無窮大 電路斷開 5 1 單相半波整流電路的工作原理 u2 0時(shí) 二極管導(dǎo)通 忽略二極管正向壓降 uo u2 u2 0時(shí) 二極管截止 uo 0 輸出電流為0 6 單相半波整流電壓波形 7 輸出電壓平均值 Uo 是uo在一個(gè)周期內(nèi)的平均值 流過負(fù)載的電流平均值 Io 二極管承受的最高反向電壓 8 半波整流的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 使用元件少缺點(diǎn) 只利用了電源的半個(gè)周期 電源利用率低 半波整流只用在要求不高 輸出電流較小的場合 為了提高電源的利用率 改善整流的性能 通常使用單相橋式全波整流 9 2 單相橋式全波整流電路 組成 由四個(gè)二極管組成橋路 10 輸入正半周 工作原理 uo 當(dāng)u2正半周時(shí)二極管D1 D4導(dǎo)通 D2 D3截止 在負(fù)載電阻上得到上 下 的輸出電壓 11 uo 當(dāng)u2負(fù)半周時(shí) 二極管D2 D3導(dǎo)通 D1 D4截止 在負(fù)載電阻上得到上 下 的輸出電壓 輸入負(fù)半周 12 u2 0時(shí) D1 D4導(dǎo)通D2 D3截止電流通路 a D1 RL D4 b u2 0時(shí) D2 D3導(dǎo)通D1 D4截止電流通路 b D2 RL D3 a 全波輸入 可見 在輸入交流時(shí) 負(fù)載電阻上得到的是同一個(gè)方向的單向脈動電壓 直流 13 參數(shù)估算 1 整流輸出電壓平均值 3 二極管平均電流 4 二極管最大反向壓 橋式整流動畫 2 整流輸出的平均電流 14 集成硅整流橋 把四只二極管封裝在一起稱為整流橋 15 平均電流 ID 與反向峰值電壓 UDRM 是選擇整流管的主要依據(jù) 例如 在橋式整流電路中 每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)通 因此 流過每只整流二極管的平均電流ID是負(fù)載平均電流的一半 二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓 選購時(shí) 二極管額定電流 2ID 選購時(shí) 最大反向電壓 2URM 3 整流二極管的選擇 16 10 2濾波電路 無論那種整流電路 它們的輸出都含有較大的脈動成分 這遠(yuǎn)不能滿足我們的要求 因此需要采取措施 盡量降低輸出電壓中的脈動成分 同時(shí)還要盡量地保留其中的直流成分 使輸出電壓更加平滑 接近于直流電壓 濾波電路即能完成此工作 交流電壓 脈動直流電壓 直流電壓 17 1 濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對交 直流阻抗的不同 實(shí)現(xiàn)濾波 電容器C對直流開路 對交流阻抗小 電感器L對直流阻抗小 對交流阻抗大 經(jīng)過濾波電路后 既可保留直流分量 又可濾掉一部分交流分量 改變了交直流成分的比例 減小了電路的脈動系數(shù) 改善了直流電壓的質(zhì)量 18 原理 利用儲能元件電容兩端的電壓 或通過電感中的電流 不能突變的特性 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份 保留其直流成份 達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的 濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 電容與負(fù)載RL并聯(lián)電感與負(fù)載RL串聯(lián) 19 以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析 其電路如圖所示 2 電容濾波原理 20 RL未接入時(shí) 忽略整流電路內(nèi)阻 充電結(jié)束 沒有電容時(shí)的輸出波形 a uc 充電結(jié)束后 電容兩端的電壓uC達(dá)到u2的最大振幅值 在u2的信號周期內(nèi) D1 D4均反偏截止 21 RL接入且RLC較大 放電時(shí)常數(shù)大 時(shí) 忽略整流電路內(nèi)阻 無濾波電容時(shí)的波形 加入濾波電容時(shí)的波形 D1 D4均反偏截止 22 U2再次上升 uc下降當(dāng)u2大于uc時(shí) 電容再次充電 整流橋的整流輸出電壓u相當(dāng)于u2 方向均為正 uo u2上升 u2大于電容上的電壓uc 整流二極管導(dǎo)通 u2對電容充電uo uc u2 u2下降 u2小于電容上的電壓 二極管承受反向電壓而截止 電容C通過RL放電 uc按指數(shù)規(guī)律下降 時(shí)間常數(shù) RLC 電容上的電壓uc 也是負(fù)載兩端的電壓uo 23 大電容C的濾波作用可以這樣來理解 根據(jù)電路課程中所學(xué)的知識 電容之容抗XC 1 C 它與信號頻率 及電容C成反比 對于輸出電壓中的直流分量 電容C的容抗無窮大 相當(dāng)于開路 輸出電壓的直流分量流經(jīng)負(fù)載 對輸出電壓中的交流分量 只要C的容量取得足夠大 XC可做得很小 C就相當(dāng)于短路 交流分量流經(jīng)電容到地 這樣 輸出電壓中的直流分量流過RL 而交流分量則由電容旁路 即 進(jìn)行了濾波 24 只有整流電路輸出電壓u2大于uc時(shí) 才有充電電流 因此二極管中的電流是脈沖波 脈動電流 二極管中的電流 二極管中的電流 25 當(dāng)RL 時(shí) 當(dāng)RL為有限值時(shí) 通常取 RC越大UO越大 RL 為獲得良好濾波效果 一般取 T為輸入交流電壓的周期 UO 1 2U2 3 電容濾波電路的特點(diǎn) 1 輸出電壓平均值Uo與時(shí)間常數(shù)RLC有關(guān) RLC愈大 電容器放電愈慢 Uo 平均值 愈大 26 2 流過二極管瞬時(shí)電流很大 RLC越大 Uo越高 負(fù)載電流的平均值越大整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD的峰值電流越大 3 二極管承受的最高反向電壓 由于二極管兩兩導(dǎo)通時(shí)間短 導(dǎo)通角小于 故流過管子的瞬時(shí)電流很大 且電容越大 瞬時(shí)電流就越大 所以選用二極管時(shí) 取ID為實(shí)際流過二極管平均電流的兩倍左右 27 例 單相橋式電容濾波整流 交流電源頻率f 50Hz 負(fù)載電阻RL 40 要求直流輸出電壓UO 20V 選擇整流二極管及濾波電容 解 1 選取二極管 電流平均值 承受最高反壓 UO 1 2U2 28 選二極管應(yīng)滿足 IF 2 3 ID 可選 IF 1A URM 100V的整流二極管 或1A 100V整流橋 2 選濾波電容 故可選 1000 F 耐壓50V的電解電容 29 2 電感濾波 整流后的輸出電壓 直流分量被電感L短路 通過電感流經(jīng)負(fù)載交流分量主要降在L上 不會流過負(fù)載 電感越大 濾波效果越好 電路結(jié)構(gòu) 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路 利用儲能元件電感器 的電流不能突變的性質(zhì) 來起到濾波的作用 30 3 其他形式的濾波電路 改善濾波特性的方法 采取多級濾波 如 L C型濾波電路 在電感濾波后面再接一電容 RC 型濾波電路 在電容濾波后再接一級RC濾波電路 LC 型濾波電路 在電容濾波后面再接L C型濾波電路 31 1 RC 型濾波電路 設(shè)uo1的直流分量為U O 則 uo的直流分量 32 2 L C型濾波電路 設(shè)uo1的直流分量為U O 33 3 LC 型濾波電路 LC 型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比LC濾波時(shí)更小 波形更加平滑 由于在輸入端接入了電容 因而較只有LC濾波時(shí) 提高了輸出電壓 34 10 3穩(wěn)壓電路一 穩(wěn)壓電路概述二 硅二極管穩(wěn)壓電路三 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路四 集成穩(wěn)壓電路 35 穩(wěn)壓電源方框圖 引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因是負(fù)載電流的變化和輸入電壓的變化 負(fù)載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降從而使輸出電壓發(fā)生變化 一 穩(wěn)壓電路概述 在整流 濾波環(huán)節(jié)后面加接穩(wěn)壓電路 能使直流電源的輸出電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化而變化 需要對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定處理 36 穩(wěn)壓電源的類型 電路最簡單 但是帶負(fù)載能力差 一般只提供基準(zhǔn)電壓 不作為電源使用 效率較高 目前用的也比較多 輸出電壓穩(wěn)定 可調(diào) 電路簡單 工作可靠 目前用的比較多 37 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖所示 穩(wěn)壓原理利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性來穩(wěn)壓 由于反向特性陡直 較大的電流變化 只會引起較小的電壓變化 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 二 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 38 1 當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓 輸入電壓VI的增加 必然引起VO的增加 即VZ增加 從而使IZ增加 IR增加 使VR增加 從而使輸出電壓VO減小 這一穩(wěn)壓過程可概括如下 VI VO VZ IZ IR VR VO 根據(jù)電路圖可知 39 2 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓 負(fù)載電流IL的增加 必然引起IR的增加 即VR增加 從而使VZ VO減小 IZ減小 IZ的減小必然使IR減小 VR減小 從而使輸出電壓VO增加 這一穩(wěn)壓過程可概括如下 IL IR VR VZ VO IZ IR VR VO 40 三 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成 VO VI VR手動調(diào)節(jié)原理當(dāng)VI R VR 在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響 若負(fù)載電流IL R VR 在一定程度上抵消了因IL增加 使VI減小 對輸出電壓減小的影響 穩(wěn)壓二極管的缺點(diǎn)是工作電流較小 穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié) 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作電流較大 輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié) 穩(wěn)壓性能優(yōu)越 41 在實(shí)際電路中 可變電阻R是用一個(gè)三極管來替代的 控制基極電位 從而就控制了三極管的管壓降VCE VCE相當(dāng)于VR 要想輸出電壓穩(wěn)定 必須按電壓負(fù)反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖所示 它由取樣電路 調(diào)整管 比較放大環(huán)節(jié) 基準(zhǔn)電壓源幾個(gè)部分組成 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖 42 2 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓過程 1 輸入電壓變化時(shí) VI VO Vf VO1 VCE VO IL VI VO Vf VO1 VCE VO 穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì) UCE的自動調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定 實(shí)質(zhì) 電壓負(fù)反饋 2 負(fù)載電流變化時(shí) 輸出VI的電壓源有內(nèi)阻 43 3 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算 可見 調(diào)節(jié)R2可以改變輸出電壓 根據(jù) 虛短 Vf VREF 穩(wěn)壓工作原理動畫 實(shí)際穩(wěn)壓電路動畫 44 四 三端固定式集成穩(wěn)壓器 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展 現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源 具有體積小 可靠性高 使用靈活 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入 輸出和公共引出端 故稱之為三端集成穩(wěn)壓器 45 例如 CW7805輸出5V 最大電流1 5A CW79M05輸出 5V 最大電流0 5A CW78L05輸出5V 最大電流0 1A 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 輸出電流 78L 79L 輸出電流100mA 78M 9M 輸出電流500mA 78 79 輸出電流1 5A 輸出電壓 CW78XX系列 正電源 CW79XX系列 負(fù)電源 1 78 79系列的型號命名 型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值 46 2 封裝 CW7805 123 UI UO GND UI UO GND 符號 塑料封裝 金屬封裝 47 3 CW7800的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本電路 內(nèi)部結(jié)構(gòu) UI 取樣電路 調(diào)整電路 保護(hù)電路 基準(zhǔn)電壓 比較放大 啟動電路 UO 48 基本電路 防止輸入端短路時(shí)C3反向放電損壞穩(wěn)壓器 49 1端 輸入端2端 公共端3端 輸出端 W7800系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖 10V 5V 注意 輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V 1 輸出為固定電壓的電路 4 應(yīng)用電路 50 1端 公共端2端 輸入端3端 輸出端 W7900系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖 10V 5V 51 24V 24V 220V 1 2 3 3 2 1 1000 F 220 F 0 33 F 0 33 F 0 1 F 15V 15V 1000 F 0 1 F 220 F 2 輸出正負(fù)電壓的電路 W7815 W7915 52 靜態(tài)電流5 8mA 要求 輸出電壓UO U 3 提高輸出電壓的電路 53 4 輸出電壓可調(diào)式電路 用三端穩(wěn)壓器也可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào) 下圖是用W7805組成的7 30V可調(diào)式穩(wěn)壓電源 54 UXX 5V 運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器使用 U 55 5 作恒流源使用 56 例 選用下列元器件設(shè)計(jì)一個(gè)合理的輸出電壓為 6V的直流穩(wěn)壓電源 3 57 例 設(shè)計(jì)一個(gè)橋式整流 電容濾波 集成穩(wěn)壓器7820穩(wěn)壓的直流穩(wěn)壓電源 要求 1 畫出完整的穩(wěn)壓電源電路圖 2 確定濾波電容器的耐壓值和電源變壓器次級電壓的有效值 設(shè)7820的最小壓差為4V 解 1 2 由題意知VI 20 4 24V V2 VI 1 2 20V 濾波電容器C的耐壓應(yīng)大于1 4V2 28V 58 小結(jié) 59 一 整流濾波電路的參數(shù)關(guān)系 1 整流 2 電容濾波 當(dāng) UO 1 2U2 60 二 分立元件穩(wěn)壓電路 1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓 適合于負(fù)載電流小 輸出電壓固定的場合 61 2 三極管作調(diào)整管的穩(wěn)壓電路 62 三 三端集成穩(wěn)壓電路 63 本章小結(jié) 1 在電子系統(tǒng)中 一般都要有直流電源供電 獲得直流電源的最常用的方法是由交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為直流電壓 這要通過整流 濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn) 對直流電源的要求是 輸出電壓盡量不受電網(wǎng)電壓波動 輸出負(fù)載變化和溫度變化的影響 2 利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詷?gòu)成整流電路 將交流電變?yōu)?