第11章直流稳压电源
11.1 直流稳压电源的组成和功能
11.2 单相整流电路
11.3 滤波电路
11.4 稳压电路
11.5 集成稳压电源
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: 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.
11.1直流稳压电源的组成和功能
整 流 电 路
滤 波 电 路
稳 压 电 路
整 流 电 路
滤 波 电 路
稳 压 电 路
u1
u2
u3
u4
uo
单相
三相
二极管
可控硅
桥式
倍压整流
半波
全波
本课主要介绍:
单相半波整流,单相全波整流,单相桥式整流
把交流电压转变为直流脉动的电压.
整流电路分类:
整流电路的任务:
11.2 单相整流电路
1.单相半波整流电路
二极管导通,忽略二极管正向压降,
uo=u2
u1
u2
a
T
b
D
RL
uo
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.
二极管截止, uo=0
+
–
io
+
–
u2 >0 时:
u20 时
D1,D4导通
D2,D3截止
电流通路:
a D1
RL D4 b
u2<0 时
D2,D3导通
D1,D4截止
电流通路:
b D2
RL D4 a
单相桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形
u2
D3
D2
D1
D4
RL
uo
a
b
整流输出电压平均值:
Uo=0.9U2
负载电流平均值:
Io= Uo /RL =0.9 U2 / RL
二极管平均电流:ID=Io/2
二极管最大反向电压:
DRM
2
2
U
U
=
u2
uD2,uD3
uD1,uD4
uo
集成硅整流桥:
u2
uo
+

–

~+~-


+
–
4. 整流电路的主要参数
负载电压 Uo的平均值为:
(
)
ò
=
π
o
o
t
d
u
π
U
2
0
2
1
w
负载上的(平均)电流:
L
o
R
U
I
o
=
(1)整流输出电压的平均值
uo

2
0
t
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.
2. 脉动系数S
用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:
uo

2
0
t
基波
基波峰值
输出电压平均值
平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据.
o
D
I
I
2
1
=
例如: 在桥式整流电路中,每个二极管只有半周导通.因此,流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电流的一半.
二极管截止时两端承受的最大反向电压:
(3)二极管平均电流与反向峰值电压
(选购时:二极管额定电流 2ID)
(选购时:最大反向电压 2URM)
11.3 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
整流
滤波
直流
电压
RL
L
RL
C
1. 电容滤波电路
以单向桥式整流电容滤波为例进行分析,其电路如图所示.
(1)电容滤波原理
a
桥式整流电容滤波电路
u1
u2
u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
RL未接入时(忽略整流电路内阻)
u2
t
uo
t
设t1时刻接通电源
t1
整流电路为电容充电
充电结束
没有电容时的输出波形
a
u1
u2
u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
uc
RL接入(且RLC较大)时 (忽略整流电路内阻)
u1
u2
u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
u2
t
uo
t
无滤波电容
时的波形
加入滤波电容
时的波形
uo
t
u2上升, u2大于电容
上的电压uc,u2对电容充电,
uo= uc u2
u2下降, u2小于电容上的电压.
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 = RL C
u2
t
uo
t
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
u1
u2
u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
u2
t
uo
t
电容充电时,电容电压滞后于u2.
RLC越小,输出电压越低.
u1
u2
u1
b
D4
D2
D1
D3
RL
uo
S
C
RL接入(且RLC较大)时 (考虑整流电路内阻)
一般取
)
10
5
(
T
C
R
τ
L
-

=
(T:电源电压的周期)
近似估算: Uo=1.2U2 Io= 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
2. 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.
u2
u1
RL
L
uo
电感滤波原理
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:
u2
u1
RL
L
uo
对直流分量: XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上
3. RC – 型滤波器
改善滤波特性的方法:采取多级滤波
uo
R
u2
u1
C1
C2
uo1
RL
RC – 型滤波器
将RC – 型滤波器中的电阻换为电感,变为LC – 型滤波器
11.4 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.
稳压管
稳压电路
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.
1. 稳压电路的主要性能指标
(1)稳压系数 S(越小越好)
稳压系数S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.
(2)输出电阻Ro (越小越好)
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.
2. 串联反馈式稳压电路
(1)电路结构的一般形式
串联式稳压电路的组成:
(1)基准电压; (2)比较放大;
(3)输出电压取样电路;(4)调整元件
UO
T
+
_
UI
比较放大
基 准电压
Uo取样
UR
FUO
RL
调整元件
+
–
+
–
因调整管与负载接成射极输出器形式,为深度串联电压负反馈,故称之为:
串联反馈式稳压电路.
若因输入电压变化或负载变化而使UO加大,比较放大电路使UB1变小,从而使UO降低.
UO
T1
+
_
UI
比较放大
基 准电压
Uo取样
UR
FUO
RL
调整元件
+
–
+
–
UB1
+UI
Uo
RL
R3
比较放大
T1调整管
R3 , T2比较放大
R1 , RW ,R2采样电阻
R , UZ基准电压
(2)一种实际的串联式稳压电源
R3
T1
T2
UZ
R
RW1
RW2
R1
RW
R2
RL
UO
+
_
+
_
UI
UB2
稳压原理
Uo
UB2
UBE2=(UB2-UZ)
UC2 (UB1 )
Uo
当 UI 增加或输出电流减小使 Uo升高时
R3
T1
T2
UZ
R
RW1
RW2
R1
RW
R2
RL
UO
+
_
+
_
UI
UB2
UC2
(UB1 )
(3) 输出电压的确定和调节范围
因为:
O
U
2
BE
Z
U
U
+
2
2
W
R
R
+
2
1
W
R
R
R
+
+
=
(
)
2
2
2
2
1
BE
Z
W
W
O
U
U
R
R
R
R
R
U
+
+
+
+
=
所以:
2
2
2
1
Z
W
W
U
R
R
R
R
R
+
+
+
=
忽略UBE2
R3
T1
T2
UZ
R
RW1
RW2
R1
RW
R2
RL
UO
+
_
+
_
UI
UB2
例:UI=18V,UZ=4V,R1=R2=RW=4.7k ,求输出电压的调节范围.
R3
T1
T2
UZ
R
RW1
RW2
R1
RW
R2
RL
UO
+
_
+
_
UI
UB2
2
2
1
Z
W
W
Omin
U
R
R
R
R
R
U
+
+
+
=
4=6V
4.7
4.7
+
+
=
4.7
4.7
+
4.7
2
2
1
Z
W
Omax
U
R
R
R
R
U
+
+
=
4=12V
4.7
4.7
+
+
=
4.7
4.7
(4) 实际的稳压电源采取的改进措施
1. 比较放大级采用差动放大器或集成运放
2.调整管采用复合三极管
3. 采用辅助电源(比较放大部分的电源)
4. 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益
5. 内部加短路和过热保护电路
R3
T1
T2
UZ
R
RW1
RW2
R1
RW
R2
RL
UO
+
_
+
_
UI
UB2
集成化 集成稳压电源
11.5 集成稳压电源
特点:体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉
内部电路:串联型晶体管稳压电路
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
W7800系列稳压器外形及接线图
1
2
3
+
_
W7805
UI
+
_
Uo
1
3
2
CI
0.1~1 F
Co
1 F
+10V
+5V
注意:输入与输出端
之间的电压不
得低于3V!
1端: 公共端
2端: 输入端
3端: 输出端
W7900系列稳压器外形及接线图
1
2
3
–
+
W7905
UI
–
+
Uo
2
3
1
CI
0.1~1 F
Co
1 F
-10V
-5V
集成稳压电源应用电路
u2
u1
C1
300 F
U1=220V
U2=8V
UC1=1.2 U2 =9.6V
Uo=5V
+
_
Co
W7805
+
_
Uo
1
3
2
1 F
RL
CI
1 F