整流器和直流稳压电源课件.ppt

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1、10.2 整流滤波电路,桥式整流,全波整流电路管子流过的电流及输入输出电压波形,常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容型滤波；(c)电阻电容型滤波,设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当ui为正半周时，V1导通，V截止，ui给C充电。由于二极管内阻较小，,充电时常数较小，uC上升快。,当uC上升到等于ui(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。,全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百几千F),2.主要性能 1,当接入滤波电容(C0)，且负载RL=时，输出电压可充电至输入电压峰值：,一般情况下(RL,C

2、0)，Uo的估算值为,)输出直流电压Uo,不接滤波电容(C=0)时:,式中Ui为变压器次级单边交流电压有效值，Uim为交流振幅。根据式(928)，可以由Uo算出Ui，从而算出变压比,2)滤波电容估算值,此时，波纹电压峰峰值Urpp约为,(930),式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。,滤波电容的选择要满足下式，即,(931),3)整流管的选择,(1)整流管最大允许电流,(2)整流管反向击穿电压UBR2Uim。,半波整流只有一个整流管，所以IMIL，且波纹大，所以一般用得不多。,图 用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路,10.2 串联反馈型线性稳压电源的工作原理,常用稳压电路有

3、串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。,一、电路,串联型稳压电源的框图如图10.4.2 所示。图中“调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。,二、主要参数,(932),1)稳压系数S S表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即,1.主要指标,2)输出电阻Ro,(933),一般稳压器的Ro为m数量级。,3)温度系数ST,(934),Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即,ST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为,2.调整管参数,(1)调整管最大允

4、许电流ICM必须大于负载最大电流ILM。,(2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的。,(3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于34V。,(4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。,(5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。,集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系列(输出正电压)和79系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。

5、,三、集成三端稳压器,图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。,三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图,三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图,LM317,U,o,U,i,C,1,R,2,1,3,2,C,2,R,1,三端稳压电源的功能可以扩展。图917给出几个功能扩展电路。图917(a)是一个扩流电路。图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=Io+IC

6、。,(936),图917(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压。式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压Uo。所以,三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,图 三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%60%)，且需要庞大的散热装置。,10.4.4 开关型稳压电源,串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以

7、下两个问题：,(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。,开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。,开关稳压电源的一般框图。,开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明。,为,1.为了减小调整管功耗,让调整管工作在”开关”状态,为了减小变压器体积及重量.提高工作频率.从50HZ变为几十KHZ.或几百KHZ.,开关稳压电源框图,电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会

8、使其输出电压(UG)的占空比减小，如图919虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。,经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图920给出一个实际的开关稳压电源的电原理图。,图919 脉宽调制器的各点波形,一个实际的开关稳压电源电路,图920中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD1VD3采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流

9、的需要。,该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图918所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。,脉宽调制器UC3842框图,图922散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算),图923功率管的二次击穿现象(a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线,图924 双极型功率管的安全工作区,图925 VMOS管的结构剖面图,933绝缘栅双极型功率管(IGBT)及功率模块,一、IGBT的等效电路及符号,IGBT的等效电路和符号如图926所示。,图926绝缘栅双极型功率管(IGBT)(a)等效电路；(b)符号,图927(a)给出一种高速大功率CMOS器

10、件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL1000pF)。,二、功率模块,功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等。,图927(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反向转动。,图927 高速大功率CMOS器件(a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路,目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大输出电流为2A，电源电压范围10V35V 压摆率为8V/s 其封装和引

11、脚图如图928所示：,而OPA3583的电源电压高达70V150V，输出电流为75mA 压摆率达30V/s OPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。,图928功率运算放大器OPA2544的外形图及 管脚图(a)外形图；(b)管脚图,为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流。又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等。,934 功率管的保护,94 高精度基准电压源,在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UR

12、EF)。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(0.210-62010-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安十几毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下。,如图929所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF：,又知，结电压U随温度上升而下降，即有,(940),941能隙基准电压源,一、能隙基准电压源的工作原理,(941a),(941b),(942),图929 能隙基准电压源的工作原理,式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(BandGap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为

13、1.205V，锗材料的Ug0为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。如式(942)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则,(943),图930给出一个能隙基准电压源的电路例子。设运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有,(944),二、能隙基准电压源电路,(945),图930 能隙基准电压源电路,运放输出电压即基准电压UREF为,(946),(947),若R4固定，则改变R3,即可得到不同的基准电压值。美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图930相同。例如，AD581的基准电压UREF=10V0.005V，温度系数ST为510-6/，长期稳定度为2510-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40V。,能隙基准电压源的ST310-6/，噪声电压UNpp20V。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高。,942 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源,普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图931(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。,图931 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位(a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管,