直流电源.ppt

模拟电子技术基础,主讲：物理与电子工程学院周 功 明,(8-2),(1-2),第10章 直流电源,第十章 直流电源,10.1 直流电源的组成及各部分的作用 10.2 整流电路 10.3 滤波电路 10.4 稳压二极管稳压电路 10.5 串联型稳压电路 10.6 集成稳压电源,教学要求,一.重点掌握的内容：1.单相桥式整流电路的工作原理,直流输出电压Uo(AV)与变压器次级电压U2的关系；2.串联型直流稳压路的工作原理，输出电压Uo调整范围的估算方法。,二、一般掌握的内容 1.电容滤波的特点，电容C的选择原则，以及滤波电路输出电压与变压器次级电压U2的关系；2.硅稳压管稳压电路的工作原理，限流电阻的估算；3.集成三端稳压器的使用方法。,(8-4),(1-4),第10章 直流电源,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,滤 波 电 路,稳 压 电 路,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。,10.1 直流电源的组成及各部分的作用,(8-5),(1-5),第10章 直流电源,整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。,10.2 整流电路,常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。,为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,(8-6),(1-6),第10章 直流电源,10.2.1 整流电路的分析方法及其基本参数,u2 0 时，二极管导通。,忽略二极管正向压降：uo=u2,一、工作原理,(8-7),(1-7),第10章 直流电源,u20时，二极管截止,输出电流为0。,uo=0,(8-8),(1-8),第10章 直流电源,图10.2.2 半波整流电路的波形图,输出电压波形：,半波整流仿真,(8-9),(1-9),第10章 直流电源,(1)输出电压平均值Uo（AV）：,二、主要参数,图10.2.3 单相半波整流电路 输出电压平均值,(8-10),(1-10),第10章 直流电源,(4)二极管上承受的反向最高电压：,(2)负载电流的平均值：,(3)二极管电流的平均值：,(5)脉动系数S：,S定义：整流输出电压的基波峰值UO1M与平均值UO(AV)之比。,(8-11),(1-11),第10章 直流电源,三、二极管的选择,(8-12),(1-12),第10章 直流电源,10.2.2 单相桥式整流电路,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,一、单相桥式整流电路的组成,二、工作原理,(8-13),(1-13),第10章 直流电源,10.2.2 单相桥式整流电路,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,一、单相桥式整流电路的组成,二、工作原理,(8-14),(1-14),第10章 直流电源,u20 时,D1,D3导通 D2,D4截止 电流通路:A D1 RLD3B,u20 时,D2,D4导通 D1,D3截止 电流通路:B D2 RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形,桥式整流仿真,(8-15),(1-15),第10章 直流电源,图10.2.5 单相桥式整流电路的习惯画法,(8-16),(1-16),第10章 直流电源,几种常见的硅整流桥外形：,(8-17),(1-17),第10章 直流电源,1.整流输出电压平均值Uo（AV）,3.二极管电流的平均值ID（AV）,三、主要参数,2.输出电流平均值Io（AV）,(8-18),(1-18),第10章 直流电源,4.反向峰值电压,二极管截止时两端承受的最大反向电压：,用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:,5.脉动系数S,(8-19),(1-19),第10章 直流电源,四、二极管的选择,(8-20),(1-20),第10章 直流电源,10.2.3 单相全波整流电路的工作原理,(4)uo平均值Uo：,Uo=0.9U2,(1)输出电压波形：,(2)二极管上承受的最高电压：,(3)二极管上的平均电流：,(8-21),(1-21),第10章 直流电源,10.3 滤波电路,滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。,交流 电压,脉动 直流电压,直流 电压,原理：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,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。,(8-22),(1-22),第10章 直流电源,10.3.1 电容滤波电路,以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,一、滤波原理,(8-23),(1-23),第10章 直流电源,10.3.1 电容滤波电路,以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,一、滤波原理,(8-24),(1-24),第10章 直流电源,2.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻),电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。,仿真,(8-25),(1-25),第10章 直流电源,电容充电时，电容电压滞后于u2。,RLC越小，输出电压越低。,3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻),(8-26),(1-26),第10章 直流电源,二、输出电压平均值,图10.3.3 电容滤波电路输出电压 平均值的分析,(8-27),(1-27),第10章 直流电源,根据相似三角形可得,(8-28),(1-28),第10章 直流电源,当,当,三、脉动系数,(8-29),(1-29),第10章 直流电源,只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。,可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。,四、整流二极管的导通角,(8-30),(1-30),第10章 直流电源,五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性,结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。,输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变,Uo 和 S 也随之改变。,如:RL 愈小(IL 越大),Uo下降多,S 增大。,(8-31),(1-31),第10章 直流电源,一、二倍压整流电路,u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：,u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：,负载上的电压：,10.3.2 倍压整流电路,图10.3.6 二倍压整流电路,(8-32),(1-32),第10章 直流电源,二、多倍压整流电路,u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：,u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：,(8-33),(1-33),第10章 直流电源,u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：,u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：,把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。,(8-34),(1-34),第10章 直流电源,10.3.3 其它形式的滤波电路,一、电感滤波电路,图10.3.8 单相桥式整流电感滤波电路,电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。,(8-35),(1-35),第10章 直流电源,1、滤波原理,对直流分量: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。,Uo=0.9U2,当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：,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。,(8-36),(1-36),第10章 直流电源,电感滤波后的输出电压平均值为,输出电压的交流分量为,(8-37),(1-37),第10章 直流电源,二、复式滤波电路,图10.3.9 复式滤波电路,三、各种滤波电路的比较（见表10.3.1）,(8-38),(1-38),第10章 直流电源,10.4 稳压二极管稳压电路,稳压管,稳压电路,开关型,稳压电路,串联型,稳压电路,常用稳压电路,(小功率设备),线性稳压电路。,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。,(8-39),(1-39),第10章 直流电源,10.4.1 稳压管稳压电路的组成,图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路,(8-40),(1-40),第10章 直流电源,图10.4.2 稳压管的伏安特性,(8-41),(1-41),第10章 直流电源,10.4.2 稳压原理,电网电压变化时的稳压过程：,电网电压,UO,电网电压,UI,(8-42),(1-42),第10章 直流电源,负载变化,RL,IL,IR,IR基本不变,(8-43),(1-43),第10章 直流电源,10.4.3 稳压管稳压电路的性能指标,一、稳压系数 Sr,稳压系数Sr反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。,二、输出电阻Ro,输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。,(8-44),(1-44),第10章 直流电源,图10.4.3 稳压管稳压电路的交流等效电路,(8-45),(1-45),第10章 直流电源,(8-46),(1-46),第10章 直流电源,10.4.4 电路参数的选择,选择元件要求知道：输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax(或RLmax和RLmin),输入电压UI的波动范围（一般为10）。,1.稳压电路输入电压UI的选择,2.稳压管的选择,(8-47),(1-47),第10章 直流电源,3.限流电阻R的选择,(8-48),(1-48),第10章 直流电源,10.5串联型稳压电路,10.5.1串联型稳压电路的工作原理,负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。,实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE。但带负载的能力比稳压管强。,一、基本调整管电路,(8-49),(1-49),第10章 直流电源,两个主要缺点：,(1)稳压效果不好。,Uo=UZ UBE,(2)输出电压不可调。,改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。,(8-50),(1-50),第10章 直流电源,串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。,二、具有放大环节的串联型稳压电路,1.电路的构成,(8-51),(1-51),第10章 直流电源,调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。,比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。,基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。,(8-52),(1-52),第10章 直流电源,因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度电压串联负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。,(8-53),(1-53),第10章 直流电源,一种实际的串联型稳压电源,2.稳压原理,当 UI 增加或输出电流减小使 Uo升高时,(8-54),(1-54),第10章 直流电源,3.输出电压的可调范围,(8-55),(1-55),第10章 直流电源,4.调整管的选择,(8-56),(1-56),第10章 直流电源,三、影响稳压特性的主要因素,2.流过稳压管的电流随 UI 波动，使UZ 不稳定，降低了稳压精度。,1.电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：UIUC2 Uo,3.温度变化时，T2组成的放大电路产生零点漂移，时输出电压的稳定度变差。,(8-57),(1-57),第10章 直流电源,四、改进措施,在运放理想条件下:,1.选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。,(8-58),(1-58),第10章 直流电源,采用辅助电源(比较放大部分的电源)。用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。,(8-59),(1-59),第10章 直流电源,采用辅助电源(比较放大部分的电源)。用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范围。,(8-60),(1-60),第10章 直流电源,2.能隙基准电压电路,图10.5.7 能隙基准电压电路,(8-61),(1-61),第10章 直流电源,1.限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至于过大。,二、保护电路,为避免使用中因某种原因输出短路或过载致使调整管流过很大的电流，使之烧坏故需有快速保护措施。常见保护电路有两类,1.过流保护电路,(8-62),(1-62),第10章 直流电源,图10.5.8 限流型过流保护电路及其输出特性,R0为一小电阻，用于检测负载电流。,(8-63),(1-63),第10章 直流电源,当IL不超过额定值时，T1截止；当IL超过额定值时，T1导通，其集电极从T1的基极分流。,(8-64),(1-64),第10章 直流电源,2.截流型:过流时使调整管截止或接近截止。,输出电流在额定值以内时：,三极管T2截止，这时，电压负反馈保证电路正常工作。,UO,U+,UO,UB1,(8-65),(1-65),第10章 直流电源,输出电流超出额定值时：,因输出电压降低，三极管T2逐渐导通，U+，稳压管截止，电压负反馈被切断。这样,U+,UB1,UC1(=UO),UB2,IC2,U+,最终UO降低到零。,(8-66),(1-66),第10章 直流电源,七、串联反馈式稳压电路缺点,损耗(P=UCE IL)大 电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低,为了提高效率，可采用开关型稳压电源。,调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:,(8-67),(1-67),第10章 直流电源,9.6 集成稳压电源,随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,(8-68),(1-68),第10章 直流电源,1端:输入端 2端:公共端 3端:输出端,W7800系列稳压器外形,1端:公共端 2端:输入端 3端:输出端,W7900系列稳压器外形,常用的集成三端稳压器的外形及类型,类型：W7800系列 稳定正电压 W7805 输出+5V W7809 输出+9V W7812 输出+12V W7815 输出+15V W7900系列 稳定负电压 W7905 输出-5V W7909 输出-9V W7912 输出-12V W7915 输出-15V,1端:输入端2端:公共端3端:输出端,三端固定式集成稳压器,调整管,过压保护,过热保护,启动电路,取样电路,基准电压源,过流保护,放大比较环节,电路组成及工作原理：,1.启动电路,由R 4、D Z1、T 12、T 13、R 5、R 6、R 7和R 18组成。上电后，R 4、D Z1先导通，使得T12和T13导通，随后T8和T9也导通，整个电路进入正常工作状态。这时R 1上压降增加，使T13截止状态，切断了输入回路与基准源之间的联系。,2.基准电压源,由T1T7管和电阻R1R3组成的带隙基准电压源。,根据前面对带隙基准电压源的分析可知：,T7管的集电极电位：,因此，有：,整理可得：,3.放大比较环节：,由T3和T4管组成的复合管构成，电流源T9作它的有源负载。T3和T4管既是基准电压电路的一部分，又是比较放大器的放大管。取样电压UF叠加在基准电压上。输出电压：,4.调整环节：,由T16和T17组成的复合管，是整个电路的调整管。其集电极接整流滤波电路的输出，其发射极通过R 11接负载电阻R L，可以输出较大的电流。,5.保护电路：,过流保护电路由R11和T15组成。调整管安全区保护电路由R13，DZ2和T15组成。过热保护电路由DZ1、R7和T14组成。当芯片内部的温度超过允许的最大值时，R7的压降也增大，而U BE14却减小，使得T14管导通。其集电极电流IC14使得T16管的基极电流分流，从而限制了T16和T17管的电流，芯片功耗也会随之降低，起到过热保护的作用。,(8-73),(1-73),第10章 直流电源,注：型号后XX两位数字代表输出电压值,输出电压额定电压值有:,5V、9V、12V、18V、24V等。,三端集成 稳压器,9.6.1 集成稳压电源的分类,(8-74),(1-74),第10章 直流电源,一、输出为固定电压的电路,9.6.2 应用电路,输出为固定正压时的接法如图所示。,注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！,(8-75),(1-75),第10章 直流电源,二、输出正负电压的电路,(8-76),(1-76),第10章 直流电源,UXX:为W78XX固定输出电压 UO=UXX+UZ,三、提高输出电压的电路,(8-77),(1-77),第10章 直流电源,四、输出电压可调式电路,用三端稳压器也可以实现输出电压可调，下图是用W7805组成的730V可调式稳压电源。,W7805,(8-78),(1-78),第10章 直流电源,(UXX=5V),运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低，可以克服稳压器受输出电流变化的影响。,Uo1,1.三端可调式稳压器W117的内部结构：,三端可调式集成稳压器,电阻R 1和R 2为外接电阻，忽略基准源电流，则有：,（2）基本应用,消除高频噪声,使Co不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。,（3）输出电流扩展电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。,很小,三端稳压器的输出电压,若UBE=UD，则,二极管的作用：消除UBE对UO的影响。,（4）输出电压扩展电路,IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。,隔离作用,基准电压,电路复杂,2.基准电压源三端稳压器 W117,输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。,减小纹波电压,电容C 1：防止自激。电容C 2：减小电阻R 2上的电压波动。D1、D2：保护二极管。,W117的基本应用电路,五、开关型稳压电路 1.开关型稳压电源的特点,线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（2049）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达7095。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。,构成开关型稳压电源的基本思路,将交流电经变压器、整流滤波 得到直流电压 控制调整管按一定频率开关，得到矩形波 滤波，得到直流电压,引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。,2.串联开关型稳压电路（1）基本电路 电路组成及工作原理,T截止，D导通，uE UD；L 释放能量，C 放电。,T、D 均工作在开关状态。,T饱和导通，D截止，uE UI；L 储能，C 充电。,uBUH时,uBUL时,波形分析及输出电压平均值,关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。,稳压原理,脉冲宽度调制式：PWM电路作用：UO Ton UO,其它控制方式：脉冲频率调制式：UO T（脉宽不变）UO 混合调制式：UO T Ton UO,在串联开关型稳压电路中 UO UI，故为降压型电路。,脉宽调制电路的基本原理,比较放大电路,电压比较器,调整管,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比 UO,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比UO,uP2与uB1占空比的关系,UP2,稳压原理：,3.并联开关型稳压电路（升压型）（1）工作原理,T截止，L产生感生电动势，D导通；UI与L所产生的感生电动势相加对C 充电。,T饱和导通，L 储能，D截止，C 对负载放电。,uBUH时,uBUL时,要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况。,（2）输出电压,只有L足够大，才能升压；只有C足够大，输出电压交流分量才足够小!,在周期不变的情况下，uB占空比越大，输出电压平均值越高。,清华大学 华成英,（3）稳压原理,脉宽调制式：UO Ton（频率不变）UO,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2040；输出电压总是小于输入电压，两者极性也只能是相同的。,9.4 集成开关式稳压电路,为了提高效率，让调整管工作在开关（饱和、截止）状态开关式稳压电路,T开关管；LC滤波环节；D续流二极管，R1、R 2取样电阻；误差放大器、电压比较器、三角波发生器和基准电源组成开关管的脉宽调制控制环节。,1.脉宽调制式开关稳压电路结构,当S为高电平时，T饱和。uEU I。电感L储存能量。二极管D反向截止。,2.工作原理,当S为低电平时，T截止。iE0。L产生反电势，并通过RL、D构成的回路释放能量。由于反电势的存在，D处于导通状态。uE0。,BJT的工作周期T为：,占空比为：,则输出电压的平均值为：,即：,稳压原理：,EWB演示开关式稳压电源,1整流电路（利用二极管的单向导电性）半波整流：UL=0.45U2 全波整流：UL=0.9U2 桥式整流：UL=0.9U22滤波电路 电容滤波（桥式整流）：UL=1.2U2 电感滤波：UL=0.9U23稳压电路 稳压管稳压电路：UO=UZ 串联式稳压电路：（1）电路结构及工作原理（四个组成部分、稳压过程）（2）输出电压调节范围4集成稳压器 三端固定式集成稳压器（W7800、W7900）及其使用 三端可调式集成稳压器5 开关式稳压器,本章小结,第十章,结束,教学参考书：1.模拟电子技术基础简明教程，杨素行主编，高等教育出版社2.康华光主编，电子技术基础-模拟部分（第四版），高等教育出版社，2000.83.陈大钦主编，电子技术基础，模拟部分(第四版)教师手册，高等教育出版社，1999.10 4.宋学君，邬鸿彦 主编，模拟电子技术，科学出版社，19995.江晓安，董秀峰 主编，模拟电子技术，西安电子科技大学出版社，2002 6.张英全主编，模拟电子技术，机械工业出版社，2000.97.王远主编，模拟电子技术，机械工业出版社，2000.8 8.孙肖子，张企民 主编，模拟电子技术，西安电子科技大学出版社，20019.陈大钦，彭容修 主编，赵曾贻；模拟电子技术，武汉工业大学出版社，2001 10.汪忠仁等编，电子线路实验，重庆，科学技术文献出版社11.模拟电子技术基础教师手册 华成英主编高等教育出版 2002年8月,