第七章直流稳压电源

第七章直流稳压电源电子设备中所需要的直流电源，通常都是由电网所提供的交流电经过变压、整流、滤波和稳压以后得到的。各部分电路及其输出波形如图7-1所示。电源变压器的作用是将220V电网电压变换为整流电路所要求的交流电压值。整流电路的作用是将交流电压变换为脉动直流电压。滤波电路的作用是将脉动的直流电变换为平滑的直流电。稳压电路的作用是使直流电源的输出电压稳定，基本不受电网电压或负载变动的影响。本章主要介绍小功率直流稳压电源。§7-1整流电路整流电路的作用是将交流电变换成脉动直流电。利用二极管的单相导电性可实现单相整流或三相整流。为了讨论方便，在以下分析中，除特别说明外，一般均假定负载为纯电阻，二极管、变压器均为理想器件。一、单相桥式整流电路图7-2所示为单相桥式整流电路的三种常见画法。1.整流原理当u2为负半周，即A端为负，B端为正时，二极管V2、V4导通，V1、V3截止，电流过RL上电流方向和电压极性与正半周时相同。由此可见，在u2的正负半周，都有同一方向的电流流过RL，四只二极管中两只为一组，两组轮流导通，在负载上即可得到全波脉动的直流电压和电流，所以这种整流电路属于全波整流类型。图7-4所示为单相桥式整流电路电压的波形。2.负载上的直流电压单相桥式整流电路和变压器中心抽头式单相全波整流电路在负载RL上得到的波形相同，都是全波脉动直流电，所以输出直流电压的计算公式也相同，即UO=0.9U23.整流二极管的选择整流二极管的最大整流电流IFM和最高反向工作电压URM分别应满足IFM0.5ILURM√2U2考虑到电网电压有±10%的波动，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量。例1一桥式整流电路，要求它输出12V直流电压和100mA电流。现有二极管2CP10（IFM=100mA,URM=25V）和2CP11(IFM=100mA,URM=50V)，应选哪种型号？解U2=UL/0.9=12/0.9=13.32(V)IFM0.5IL=0.5×100=50（mA）URM√2U2=1.414×13.32=18.84(V)可选用四只2CP10二极管。4.利用桥式整流获得正、负电源将桥式整流电路变压器二次侧中点接地，并将两个负载电阻的相互连接点接地，如图7-5所示。这样，两个负载上即可分别获得正、负电源。二、三相桥式整流电路单相整流电流的输出功率一般较小，在实际应用中当输出功率超过几千瓦且又要求脉动较小时，就要采用三相整流电路。三相整流电路输出功率大，电压脉动小，变压器利用率高，并有利于三相电网的负载平衡。三相桥式整流电路如图7-6所示，组成方法与单相桥式整流电路相似，二极管V1、V3、V5共阴极连接，接于A；二极管V2、V4、V6共阳极连接，接于B；负载RL接于A、B之间。变压器二次侧绕组电压波形如图7-7a所示。为了便于分析，将一个周期时间从t1~t7分为6等分。在每个1/6周期时间内，相电压u2U、u2V、u2W中总有一个是最高的，一个是最低的。对于共阴极连接的二极管，哪一只的正极电位最高，这只二极管就处于导通状态；对于共阳极连接的二极管，哪一只的负极电位最低，这只二极管就处于导通状态。在t1~t2时间内，U相电压最高，所以共阳极组中V1优先导通；V相电压最低，所以共阴极组中V4优先导通；其余二极管都处于截止状态。输出电压uo=uUW。在t2~t3时间内，U相电压任然最高，而W相电压变得最低，因此V1与V6串联导通，其余二极管反向截止。输出电压uo=uUW。依此类推，在任一瞬间，共阴极组和共阳极组的二极管中各有一只导通，每二只二极管在一个周期内的导通角都为120°，导通顺序如图7-7b所示。负载RL上获得的脉动直流电压波形如图7-7c所示。与单相整流电流的输出电压波形相比，显然三相桥式整流电路的输出波形要平滑得多。三、倍压整流电路二倍压整流电路如图7-8所示，它由两只整流二极管和两只电容器组成。其工作原理分析如下：当u2为正半周，即A端为负，B端为正时，C1上电压与变压器二次侧电压相加，使V2导通，V1截止；电容C2充电，C2上电压极性为右正左负，最大值可达2√2U2。利用同样原理，可构成多倍压整流电路，如图7-9所示。以上在分析电路时，为了简便起见，总是假设设电路空载，且已处于稳态。实际上只要电路接上负载即存在放电回路，电容上的电压不可能达到最大值。尤其当负载电流较大时，输出电压更会明显降低，而且脉动加大，所以倍压整流电路只适用于负载电流很小的场合。四、整流堆的应用将若干只整流二极管按某种方式用绝缘瓷、环氧树脂等封装成一体就制成整流堆，通常称硅堆。低压小电流硅整流堆是将整流二极管按半桥或全桥方式组合，称半桥或全桥整流堆，如图7-10a所示。大电流硅整流堆则是采用特殊工艺，将若干个硅片按一定整流方式连同外壳一起制造，称整流模块或整流组，如图7-10b所示。高压小电流硅整流堆由多只二极管串联封装而成，如图7-10c所示。全桥整流堆内部电气原理如图7-11所示。硅整流堆的主要参数是最高反向电压和最大整流电流。同整流二极管一样，对硅整流堆也主要用检查正向向和反向电阻来判断其好坏。由图7-11可知，整流桥堆的两个输出端之间是两只二极管同向串联，两个输入端之间是两只二极管反向串联，因此可用万用表测量引出脚间正反向电阻来判断整流桥堆的好坏。对于有些电流较大，反向电压又高达上万伏的高压整流堆，由于串联的二极管较多，一般用万能表难以测试，要用特殊的方法或专门的设备才行。§7-2滤波电路整流电路虽然能把交流电转换为直流电，但是输出的都是脉动直流电，其中仍含有很大的交流成分。为了得到平滑的直流电，必须把脉动直流电中的交流成分滤除掉，这一过程称为滤波。一、电容滤波电路图7-12所示为桥式整流电容滤波电路。它是利用电容器两端电压不能突变的特性来进行滤波的。滤波电容与负载并联。1.电容滤波原理假设在接通电源前，电容C两端电压为零。当接通电源后，二极管V1、V3导通，电容C迅速充电（同时也向负载供电），电容C两端电压随u2同步上升，并达到u2的峰值。当输入电压u2下降到低于电容两端电压时，V1、V3截止（V2、V4仍截止），电容C通过RL放电，uo下降。由于RL阻值远远大于二极管的正向内阻，所以电容C充电快而放电慢，uo下降缓慢。当下一个半周到来，输入电压上升到超过电容端电压时，V2、V4导通，电容又重复上述充电、放电过程。图7-13中虚线所示为未接滤波电容时的输出电压波形，实线所示为经过电容滤波后的输出电压波形。由于滤波电容的充放电作用，输出电压的脉动程度大为减弱，波形相对平滑，输出电压平均值也得到提高。2.电容滤波的特点RLC越大，电容C放电越慢，输出的直流电压就越大，滤波效果也越好；反之，则输出电压低且滤波效果差，如图7-14所示。当滤波电容较大时，在接通电源瞬间会有很大的充电电流，称浪涌电流。电容滤波适用于负载电流较小且不大的场合。桥式整流和半波整流电路经电容滤波后，有关电压和电流的估算可参考表7-1选择滤波电容一般应满足RLC≥(3~5)T(T为脉动电压的周期)；或按表7-2，根据负载电流的大小来选择。例2在桥式整流电容滤波电路中，要求输出直流电压为6V，负载电流为60mA。试选择合适的整流二极管。解电源变压器二次侧电压为U2=UO/1.2=6/1.2=5(V)流过每只二极管的直流电压为IF=0.5IL=0.5×60=30（mA)每只二极管承受的反向电压为URM=√2U2=1.414×5=7(V)经查手册，可选用整流二极管2CZ82A(IFM=100mA,URM=25V)。二、电感滤波电路图7-15a所示为桥式整流电感滤波电路。它是利用通过电感的电流不能突变的特性来进行滤波的。滤波电感与负载串联。电感也是一种储能元件。当电流增加时，电感线圈产生自感电动势阻止电流的增加，同时将一部分电能转化为磁场能量存储起来；当电流减少时，感应电动势将阻止电流减小，同时将储存的能量释放出来。所以，通过电感的电流的脉动程度大为减弱，其输出电压（电流）波形的平滑性比电容滤波要好。一般情况下，电感越大，滤波效果越好。但电感太大，体积变大，成本上升，且输出电压会下降，所以滤波电感常取几亨到几十亨。电感滤波主要用于大电流负载或负载经常变化的场合。有些整流电流是感性负载，负载本身就起到平滑脉动电流的作用，这时可以不必另加滤波电感。三、复式滤波电器为了进一步提高滤波效果，可以将电容器和电感器（或电阻器）组合成复式滤波电路。1.LC型滤波电路在电感滤波电路的基础上，再在RL上并联一个电容，便构成如图7-16所示的LC型滤波电路。脉动直流电经过电感L，交流成分被削弱，再经过电容滤波，将交流成分进一步滤除，就可在负载上获得更加平滑的直流电压。LC型滤波电路带负载能力较强，在负载变换时，输出电压比较稳定。又由于滤波电容接于电感之后，因此可使整流二极管免受浪涌电流的冲击。2.LC—∏型滤波电路在LC想滤波电路的输入端再并联一个电容，便构成LC—∏型滤波电路，如图7-17所示。LC—∏型滤波电路的输出电压比LC型滤波电路的高，波形也更加平滑。但带负载能力较差，对整流二极管仍存在浪涌电流。为了减小浪涌电流，一般取C1C2。3.RC-∏型滤波电路当负载电流较小时，常选用电阻R代替LC—∏型滤波电路中的电感L，构成RC—∏型滤波电路，如图7-18所示。脉动电压中交流分量在电阻R上产生较大压降，使电容上的交流分量减少，但由于R的存在，同时也会产生直流压降和功率损耗，使输出直流电压降低。一般R取几十欧到几百欧，且应满足RRL。4.电子滤波电路在前面所讲RC—∏型滤波电路中，电容R上的降压损失和滤波效果是一对矛盾，为了解决这一矛盾，可以采用三极管构成电子滤波电路，如图7-19所示。图中，电位器RP与电容C1构成滤波电路，由于基极电流很小，RP可以取得很大，因此可提高滤波效果，得到一个脉动极小的基极电流。当RP调定后，尽管输入的是脉动的直流电压ui,三极管的集电极-发射集间电压会随之波动，但由于集电极电流基本不变，负载两端电压也就基本不变，相当于脉动电压中的交流分量被降落在三极管内部。输出电压经电容C2进一步滤波，就获得了一个电压损失很小、波形又很平滑的直流输出电压。该电路常用在整流电流不很大但滤波要求高的场合。RP取几千欧，C1取几微法到100微法。§7-3稳压管并联型稳压电路经整流滤波后的直流电压已变得较为平滑，但不能确保它是稳定的，当电网电压波动或负载电流变化时，都会引起输出电压变动。为了保证输出电压稳定，通常在整流滤波电路之后再加上稳压电路。本节介绍最简单的由稳压管所组成的并联型稳压电路。一、电路组成图7-20所示为稳压管稳压电路。图中，稳压管VZ反向并联在负载RL两端，所以称并联型稳压电路。稳压电路的输入电压Ui可来自整流电路的输出电压。二、稳压原理并联稳压电路压管工作在反向击穿区，当流过稳压管的电流IZ在相当大的范围内变化时，稳压管两端的电压UZ基本不变；而当UZ出现微小的变化，IZ便会有很大的变化。稳压管并联型稳压电路正是利用稳压管的以上特点来实现稳压的。当电网电压升高或负载阻值变大时，输出电压UO(即UZ)随之升高，从而引起IZ急剧增大，流过R的电流也增大，导致R上的压降上升，从而抵消了UO的波动。其稳压过程可用简式表示如下：Ui↑(或RL↑)→UO↑→IZ↑→IR↑UO↓←UR↑］同理，当电网电压降低或负载阻值变小时，也可分析得出UO基本保持稳定。电阻R起着限流和调压的双重作用。如果R=0，则UO=Ui，电路根本没有稳压作用，同时由于Ui直接加到稳压管两端，有可能引起过大的反向电流而使稳压管烧坏。R大则电压调节性好，但R太大，电流过小，稳压管可能会失去稳压作用。可见，要使电路正常稳压，电阻必须选择适当。稳压管并联型稳压电路结构简单，设计制作容易。但由于受到稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调节，因此只适用于电压固定的小功率负载且电流变化范围不大的场合。当负载电流较大且要求稳压性能较好时，可采用串联型直流稳压电路。§7-4串联型直流稳压电路一、电路组