电源设计.ppt
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1、直流稳压电路,1.直流电源的组成 小功率直流电源一般由交流电源、变压器、整流、滤波和稳压电路几部分组成,如图1所示。在电路中,变压器将常规的交流电压(220V、380V)变换成所需要的交流电压;整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流电;滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉,得到一个较平滑的直流电;稳压电路用来消除由于电网电压波动、负载改变对其产生的影响,从而使输出电压稳定。,图1 直流电源电路的组成框图,2.直流电源演示 演示电路如图2所示,在图2(a)电路中,变压器的初级接220V交流电源,用示波器观察ab间的波形如图3(a)所示,观察10间的波形如图3(b)所示,合上
2、开关S,再用示波器观察10间的波形如图3(c)所示,如果加上稳压部分,如图2(b)所示,用示波器观察20间的波形如图3(d)所示。通过各点波形的测量,我们看到稳压电源是将交流电逐步改变成一个平滑的直流电。那么,直流电源各部分电路是如何工作的呢?下面将分析其工作原理。,图2直流电源演示(a)简易直流电源;(b)直流电源,图3 各点电压波形,1整流及滤波电路 2 直流稳压电路 3 晶闸管及可控整流电路,1 整流及滤波电路,1.1 电路组成及工作原理 图4是单相半波整流电路,它由整流变压器T、整流二极管V及负载RL组成。单相半波整流电路及电压、电流的波形如图5所示,即,返回目录,图4 单相半波整流电
3、路,图5单相半波整流电路电压与 电流的波形,1.2 整流电路的主要技术指标 1.输出电压平均值 在图5所示波形电路中,负载上得到的整流电压是单方向的,但其大小是变化的,是一个单向脉动的电压,由此可求出其平均电压值为,(2),2.流过二极管的平均电流iV 由于流过负载的电流就等于流过二极管的电 流,所以,3.二极管承受的最高反向电压URM 在二极管不导通期间,承受反压的最大值就是变压器次级电压u2的最大值,即,(3),(4),4.脉动系数S 脉动系数S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指标。由于负载上得到的电压Uo是一个非正弦周期信号,可用付氏级数展开为,脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压
4、 平均值之比,即,(5),(6),单相半波整流电路的特点是结构简单,但输出电压的平均值低、脉动系数大。,1.3 单相桥式整流电路 为了克服半波整流电路电源利用率低,整流电压脉动程度大的缺点,常采用全波整流电路,最常用形式是桥式整流电路。它由四个二极管接成电桥形式,如图6所示。,1.电路组成及工作原理 在图6(a)所示电路中,当变压器次级电压u2为上正下负时,二极管V1和V3导通,V2和V4截止,电流i1的通路为aV1RLV3b,这时负载电阻RL上得到一个正弦半波电压如图7中(0)段所示。当变压器次级电压u2为上负下正时,二极管V1和V3反向截止,V2和V4导通,电流i2的通路为bV2RLV4a
5、,同样,在负载电阻上得到一个正弦半波电压,如图7中(2)段所示。,图6 单相桥式整流电路组成,图6 单相桥式整流电路组成,图6 单相桥式整流电路组成,图6 单相桥式整流电路组成,图7 单相桥式整流电路 电压与电流波形,2.技术指标计算及分析(1)输出电压平均值Uo。由以上分析可知,桥式整流电路的整流电压平均值Uo比半波整流时增加一倍,即,(7),(2)直流电流Io。桥式整流电路通过负载电阻的直 流电流也增加一倍,即,(8),(3)二极管的平均电流iV。因为每两个二极管串联轮换导通半个周期,因此,每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半,即,(9),(4)二极管承受的最高反向电压URM。由图
6、6(a)可以看出,当V1和V3导通时,如果忽略二极管正向压降,此时,V2和V4的阴极接近于a点,阳极接近于b点,二极管由于承受反压而截止,其最高反压为u2的峰值,即,(5)脉动系数S。全波桥式整流输出电压uo的付氏级数展开式为,(10),即,由以上分析可知,单相桥式整流电路,在变压器次级电压相同的情况下,输出电压平均值高、脉动系数小,管子承受的反向电压和半波整流电路一样。虽然二极管用了四只,但小功率二极管体积小,价格低廉,因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。,1.4 滤波电路 整流输出的电压是一个单方向脉动电压,虽然是直流,但脉动较大,在有些设备中不能适应(如电镀和蓄电池充电等设备)。为了改
7、善电压的脉动程度,需在整流后再加入滤波电路。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。,1.电容滤波电路 图8所示为一单相半波整流电容滤波电路,由于电容两端电压不能突变,因而负载两端的电压也不会突变,使输出电压得以平滑,达到滤波目的。滤波过程及波形如图9所示。,图8 单相半波整流电容滤波电路,图9 电容滤波原理及输出波形,在u2的正半周时,二极管V导通,忽略二极管正向压降,则uo=u2,这个电压一方面给电容充电,一方面产生负载电流Io,电容C上的电压与u2同步增长,当u2达到峰值后,开始下降,UCu2,二极管截止,如图9中的A点。之后,电容C以指数规律经RL放电,UC下降。当放电到B点时
8、,u2经负半周后又开始上升,当u2UC时,电容再次被充电到峰值。UC降到C点以后,电容C再次经RL放电,通过这种周期性充放电,以达到滤波效果。,由于电容的不断充放电,使得输出电压的脉动性减小,而且输出电压的平均值有所提高。输出电压平均值Uo的大小,显然与RL、C的大小有关,RL愈大,C愈大,电容放电愈慢,Uo愈高。在极限情况下,当RL=时,Uo=UC=U2,不再放电。当RL很小时,C放电很快,甚至与u2同步下降,则Uo=0.9U2,RL、C对输出电压的影响如图7.9中虚线所示。可见电容滤波电路适用于负载较小的场合。当满足RLC(35)T/2时,则输出电压的平均值为,(12),(11),其中T为
9、交流电源电压的周期。,利用电容滤波时应注意下列问题:(1)滤波电容容量较大,一般用电解电容,应注意电容的正极性接高电位,负极性接低电位。如果接反则容易击穿、爆裂。(2)开始时,电容C上的电压为零,通电后电源经整流二极管给C充电。通电瞬间二极管流过短路电流,称浪涌电流。一般是正常工作电流Io的(57)倍,所以选二极管参数时,正向平均电流的参数应选大一些。同时在整流电路的输出端应串一个阻值约为(0.020.01)R的电阻,以保护整流二极管。,2.电感滤波及复式滤波电路(1)电感滤波电路。由于通过电感的电流不能突变,用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变,电流平滑,输出电压的波形也就平稳
10、了。其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗,频率愈高,感抗越大,则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻,电感对直流没有压降,即直流均落在负载上,达到了滤波目的。电感滤波电路如图10所示。在这种电路中,输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经XL和RL分压的结果,只有LRL时,滤波效果才好。,图10 带电感滤波器的桥式整流电路图,(2)输出电压平均值Uo。一般小于全波整流电路输出电压的平均值,如果忽略电感线圈的铜阻,则Uo0.9U2。虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击,但为了使L值大,多用铁芯电感,但体积大、笨重,且输出电压的平均值Uo较低。(3)复式滤波电路。为了进一步减小
11、输出电压的脉动程度,可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路。电感型LC滤波电路如图11所示。整流输出电压中的交流成分绝大部分降落在电感上,电容C又对交流接近于短路,故输出电压中交流成分很少,几乎是一个平滑,图 11 桥式整流电感型LC滤波电路,的直流电压。由于整流后先经电感L滤波,总特性与电感滤波电路相近,故称为电感型LC滤波电路,若将电容C平移到电感L之前,则为电容型LC滤波电路。,(4)型滤波电路。图12所示为LC型滤波电路。整流输出电压先经电容C1,滤除了交流成分后,再经电感L上滤波电容C2上的交流成分极少,因此输出电路几乎是平直的直流电压。但由于铁芯电感体积大、笨重、成本高、使
12、用不便。因此,在负载电流不太大而要求输出脉动很小的场合,可将铁芯电感换成电阻,即RC型滤波电路。电阻R对交流和直流成分均产生压降,故会使输出电压下降,但只要RL1/(C2),电容C1滤波后的输出电压绝大多数降在电阻RL上。RL愈大,C2愈大,滤波效果愈好。,图12 型滤波电路(a)LC型滤波电路;(b)RC型滤波电路,图12 型滤波电路(a)LC型滤波电路;(b)RC型滤波电路,2 直流稳压电路,通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的,当电网电压波动或负载电流变化时,输出电压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。如果电源电压不稳定,将会引起直流放大器的零点漂移,交流噪声增大,
13、测量仪表的测量精度降低等。因此必须进行稳压,目前中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电路、串联型稳压电路、集成稳压电路及开关型稳压电路。,返回目录,2.1 硅稳压管组成的并联型稳压电路 1.电路组成及工作原理 硅稳压管组成的并联型稳压电路如图13所示,经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压Ui,限流电阻R和稳压管V组成稳压电路,输出电压Uo=UZ。,图13 稳压管稳压的直流电源电路,在这种电路中,不论是电网电压波动还是负载电阻RL的变化,稳压管稳压电路都能起到稳压作用,因为UZ基本恒定,而Uo=UZ。下面从两个方面来分析其稳压原理:(1)设RL不变,电网电压升高使Ui升高,导
14、致Uo升高,而Uo=UZ。根据稳压管的特性,当UZ升高一点时,IZ将会显著增加,这样必然使电阻R上的压降增大,吸收了Ui的增加部分,从而保持Uo不变。,反之亦然。,(2)设电网电压不变,当负载电阻RL阻值增大时,IL减小,限流电阻R上压降UR将会减小。由于Uo=UZ=Ui-UR,所以导致Uo升高,即UZ升高,这样必然使IZ显著增加。由于流过限流电阻R的电流为IR=IZ+IL,这样可以使流过R上的电流基本不变,导致压降UR基本不变,则Uo也就保持不变。,反之亦然。在实际使用中,这两个过程是同时存在的,而两种调整也同样存在。因而无论电网电压波动或负载变化,都能起到稳压作用。,2.稳压电路参数确定(
15、1)限流电阻的计算。稳压电路要输出稳定电压,必须保证稳压管正常工作。因此必须根据电网电压和负载电阻RL的变化范围,正确地选择限流电阻R的大小。从两个极限情况考虑,则有 当Ui为最小值,Io达到最大值时,即 Ui=Uimin,Io=Iomax,这时IR=(Uimin-UZ)/R。则IZ=IR-Iomax为最小值。为了让稳压管进入稳压区,此时IZ值应大于IZmin,即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,则,当Ui达最大值,Io达最小值时,Ui=Uimax,Io=Iomin,这时IR=(Uimax-UZ)/R,则IZ=IR-Iomin为最大值。为了保证稳压管安全工作,此时IZ值应小
16、于IZmax,即IZ=(Uimax-UZ)/R-IominIZmax,则,所以限流电阻R的取值范围为,(13),在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。,(2)确立稳压管参数。一般取,(14),2.2 串联型晶体管稳压电路 并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值不能随意调节,而且输出电流很小,由式14可知,Iomax=(1/32/3)IZmax,而IZmax一般只有2040mA。为了加大输出电流,使输出电压可调节,常用串联型晶体管稳压电路,如图14所示。,图14 串联型稳压电路(a)分立元件的串联型稳压电路;(b)运算放大器的串联型稳压电路,图14 串联型稳压电路(a)分立元件的串联型稳
17、压电路;(b)运算放大器的串联型稳压电路,图14(a)是由分立元件组成的串联型稳压电路,当电网电压波动或负载变化时,可能使输出电压Uo上升或下降。为了使输出电压Uo不变,可以利用负反馈原理使其稳定。假设因某种原因使输出电压Uo上升,其稳压过程为UoUb2Ub1(Uc2)Uo。串联型稳压电路的输出电压可由Rp进行调节。,(15),式中,R=R1+Rp+R2,Rp是RP的下半部分阻值。,如果将图14(a)中的放大元件改成集成运放,不但可以提高放大倍数,而且能提高灵敏度,这样就构成了由运算放大器组成的串联型稳压电路,电路如图14(b)所示。假设因某种原因使输出电压Uo下降,其稳压过程为UoU-Ub1
18、Uo。串联型稳压电路包括四大部分,其组成框图如图15所示。,图15 串联型稳压电路组成框图,2.3集成稳压器及应用 集成稳压器将取样、基准、比较放大、调整及保护环节集成于一个芯片,按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。三端稳压器有输入端、输出端和公共端(接地)三个接线端点,由于它所需外接元件较少,便于安装调试,工作可靠,因此在实际使用中得到广泛应用。其外形如图16所示。,图16三端稳压器外形图(a)三端固定式;(b)三端可调式,图16三端稳压器外形图(a)三端固定式;(b)三端可调式,图16三端稳压器外形图(a)三端固定式;(b)三端可调式,图16三端稳压器外形图(a)三端固
19、定式;(b)三端可调式,1.固定输出的三端稳压器 常用的三端固定稳压器有7800系列、7900系列,其外型如图16(a)所示。型号中78表示输出为正电压值,79表示输出为负电压值,00表示输出电压的稳定值。根据输出电流的大小不同,又分为CW78系列,最大输出电流11.5A;CW78M00系列,最大输出电流0.5A;CW78L00系列,最大输出电流100mA左右,7800系列输出电压等级有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V,7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815,表明输出+15V电压,输出电流可达1.5A,CW79M12,表明输
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