第十章直流稳压电源

第十章直流稳压电源（6学时）主要内容:10.1小功率整流滤波电路10.2串联反馈式稳压电路基本要求:10.1掌握单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算10.2了解带放大器的串联反馈式稳压电路的稳压原理及输出电压的计算，三端集成稳压电源的使用方法及应用教学要点：重点介绍单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算，介绍串联反馈式稳压电路及三端集成稳压电路的稳压原理讲义摘要：10.1单相整流电路一、引言整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。直流电源的方框图如图10.1.1所示。如图10.1.1二、单相桥式整流电路1.工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.1.2所示。图10.1.2单相桥式整流电路（a）整流电路(b)波形图在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.1.2(a)的电路图可知：当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.1.2(b)。2.参数计算根据图10.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。3.单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线该曲线如图10.1.3所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。流过负载的平均电流为L2L2L9.0π22RVRVI流过二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压22π02LO9.0π22dsin2π1VVttVVVL2L2LD45.0π22RVRVII)4cosπ1542cosπ34π2(22OttVv67.032π22π32422VVS)(OOIfV图10.1.3负载特性曲线三、单相半波整流电路单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.1.4(a)所示，波形图如图10.1.4(b)所示。图10.1.4单相半波整流电路(a)电路图(b)波形图根据图10.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为四、单相全波整流电路单相全波整流电路如图10.1.5(a)所示，波形图如图10.1.5(b)所示。图10.1.5单相全波整流电路(a)电路图(b)波形图根据图10.1.5（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压22π02LO45.0π2)d(sin2π21VVttVVVL2L2LD45.0π2RVRVII同。输出平均电压为单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。注意：整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:输入（交流）—用有效值或最大值；输出（交直流）—用平均值；整流管正向电流—用平均值；整流管反向电压—用最大值。10.2滤波电路一、电容滤波电路1.电容滤波电路1)滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。2）电容滤波电路现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图10.2.1单相桥式电容滤波整流电路L2L2Lo9.0π22RVRVII流过负载的平均电流为二极管所承受的最大反向电压22π02LO9.0π22)d(sin2π1VVttVVV2Rmax22VV67.032π22π32422VVS3)滤波原理若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。图10.2.1桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形当v2到达90°时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见上图10.2.1。图10.2.2RLC不同时VO的波形需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.2.2滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。4)电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）5）外特性整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线如图10.2.3所示。图10.2.3纯电阻和电容滤波电路的输出特性二、电感滤波电路利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。电感滤波电路如图10.2.3所示。电感滤波的波形图如图10.2.4所示。图10.2.3电感滤波电路图10.2.4电感滤波的波形图当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180°。)41(2L2OLCRTVVV2OLd2O2OL1.22)53(=0.9=,02=,=VVTCRVVCVVR～名称VL(空载)VL(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流22V245.0V22VIL全波整流电容滤波22V1.2V2*222V0.5IL桥式整流电容滤波22V1.2V2*22V0.5IL桥式整流电感滤波22V0.9V222V0.5IL10.3稳压电路一、稳压电路概述1.引起输出电压不稳定的原因引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图10.3.1。即。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。图10.3.1输出电压变化原因示意图2.稳压电路的技术指标用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。VI和IO引起的VO可用下式表示有时稳压系数也用下式定义2)电压调整率SV（一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr）3)输出电阻Ro4）电流调整率SI当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。5）纹波抑制比Srip输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。),(=OIOIVfVOoIrOOOIIOOIRVSIIVVVVV1)稳压系数Sr0=IOIOrO=IVVVVS0=IIOOrO//=IVVVVS%1001=0=IOOVOIVVVS0=OOoI=VIVR%100=0=OOIIVVVSp-opp-iprip20lg=VVS（6）输出电压的温度系数ST如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数二、硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路的电路图如图10.3.2所示。图10.3.2硅稳压二极管稳压电路它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。1.当输入电压变化时如何稳压根据电路图10.3.3可知输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。图10.3.3输入电压变化的稳压过程分析2.当负载电流变化时如何稳压负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增%1001=0=0,=OOTIOVITVVS),,(=OIOTIVfVRIVVVVVRIRIZO==ZLR+=III加。这一稳压过程可概括如下：IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑图10.3.4负载电流变化的稳压过程分析三、线性串联型稳压电源1.线性串联型稳压电路的工作原理稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。1)线性串联型稳压电源的构成线性串联稳压电源的工作原理可用图10.3.4来说明。图10.3.4线性串联稳压电源的工作原理显然，VO=VI-VR，当VI增加时，R受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压图10.3.5串联型稳压电路负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图10.3.5所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。2)线性串联型稳压电源的工作原理根据图10.3.5分两种情况来加以讨论。(1)输入电压变化，负载电流保持不变输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓(2)负载电流变化，输入电压保持不变负载电流IL的增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。IL↑→VI↓→