稳压电源8

1第5章半导体器件第10章直流稳压电源基本要求：1．掌握单相半波整流电路、单相桥式整流电路；2．掌握电容滤波电路的分析计算与元件选择；3．掌握稳压管稳压电路及其应用。2第5章半导体器件第10章直流稳压电源电源是生产和实验中的重要能源，许多大功率场合下需要交流电，但电解、电镀及直流电动机需要直流电。而在电子线路和自动控制装置中还需要电压非常稳定的直流电。为了得到直流电，除直流发电机外，更广泛采用的就是半导体直流源。3第5章半导体器件第10章直流稳压电源直流稳压电源可分为开关电源和线性电源。开关电源优点：效率高，体积小。缺点：精度低，稳定性差，噪声大。线性电源优点：稳定性好，精度高，噪声小。缺点：效率低，体积大对于电源稳定性要求不高的一般情况供电和输出大功率电源，可选用开关电源。对于电源精度、噪声要求高的场合，如电压基准源，高精度测量仪器等等，必须选用线性电源。4第5章半导体器件第10章直流稳压电源直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。交流电源负载变压整流滤波稳压ututututut电源变压器：将220V交流电降压变为所需要的电压值；整流电路：通过整流二极管将交流电压转换为直流电压；滤波电路：用滤波电路滤出交流分量，使输出电压平滑；稳压电路：使输出电压不受电网电压的波动、负载和温度变化的影响，提高输出电压的稳定性。5第5章半导体器件补充A变压器变压器是一种利用电磁感应传递电能和信号的电气设备。它具有变换电压、电流和阻抗匹配的功能。在电力系统和电子技术中有着极其广泛的应用。变压器的种类繁多，用途各异，但其基本结构和工作原理是相同的。6第5章半导体器件A.1变压器的基本结构变压器主要由铁心和绕组(或称线圈)构成。按铁心和绕组的配置情况，变压器可分为心式和壳式，如图所示。心式的特点是绕组包围铁心，多用于容量较大的单相变压器。壳式的特点是铁心包围绕组，多用于小型单相变压器中(a)心式(b)壳式变压器的基本结构1—铁心；2—线圈7第5章半导体器件A.1变压器的基本结构绕组是变压器的电路部分，其中，与电源相连的绕组称为原绕组，与负载相连的绕组称为副绕组。绕组常用绝缘铜线或铝线绕制而成。为了加强绕组之间的磁耦合，绕组多采用同心式结构，即将高、低压绕组绕在同一铁心柱上，为了便于与铁心绝缘，低压绕组靠近铁心放置，而高压绕组则套在低压绕组的外侧。铁心是变压器的磁路部分，为了减小铁心损耗，变压器的铁心都是用表面涂有绝缘漆的厚度为0.35~0.5mm的硅钢片叠成的。8第5章半导体器件B.2变压器的原理和作用一般规定，当原绕组接于额定电压U1N时，副绕组的空载电压U20就是副绕组的额定电压U2N。变压器铭牌上所标额定电压U1N/U2N，实际也等于给出了变比K。变压器必须按额定电压使用。电源+u1--e1++u2-+e2´-+e2-ZZ1234i2i2'i1φ原绕组副绕组原副绕组的电压(电流)之比为：N—绕组匝数；k—变压器变比KNNEEUU2121201KNNII11221+u1-变压器符号+u2-NNNNNIUIUS1122单相变压器视在功率9第5章半导体器件B.2变压器的原理和作用即变压器副边接一阻抗为︱ZL︱的负载时，对原边电源而言，相当于接上K2︱ZL︱的负载.这就是变压器的阻抗变换作用。在电子线路中，常用阻抗变换实现阻抗匹配。负载阻抗的等效变换22IUZLLLZKIUKKIKUIUZ22222211/副边接上负载ZL时，有对电源而言，如图所示，它所接的负载等效阻抗为变压器电路等效电路+u1-+u2-N1N2︱ZL︱i2i1︱ZL’︱+u1-i110第5章半导体器件B.2变压器的原理和作用电流从两个绕组的同极性端流入或流出时，产生的磁通相同，或当磁通变化时，在同极性端感应电动势的极性也相同。电源+u1--e1++u2-+e2´-+e2-ZZ1234i2i2'i1φ+e2´-+e2-1234i2i2'i1原绕组副绕组i2'-e2´++u1-绕组的同极性端与它们的绕向有关。若已知线圈的绕向，则用右手螺旋法则可以判断出同名端；而实际的变压器线圈，经过浸漆或其他工艺处理，无法从外表来辨认其绕向，因此，只能用实验的方法测定同名端。标有“●”的两端称为同极性端。1，3是同极性端，此时同为“+”。1，4是同极性端，此时同为“+”。11第5章半导体器件10.1整流电路单相整流电路利用二极管的单向导电性，将单相交流电变换为直流电。在小功率电源电路中，有单相半波、单相全波、单相桥式等形式。其中，单相桥式整流电路应用最为广泛。12第5章半导体器件10.1.1单相半波整流电路iD电路如图：设变压器副边电压为整流电路:将交流电压变换为单向脉动电压的电路。整流元件是具有单向导电能力的二极管。TrDuo+ab~uRL2sinuUtttuuoio根据二极管的单向导电性，在加正向电压时二极管导通，负载两端有输出电压；而在加反向电压时二极管截止，负载得不到输出电压。负载的电压波形及电流波形见右下曲线图。13第5章半导体器件二极管只在半个周期能够导电，而负载上得到的电压是单一方向，大小随时间而变的(单向脉动电压)。对这种整流的输出电压，常用一个周期的平均值来表示大小。其平均值为整流电压的平均值U2t0uTUoUUtdtUUo45.02)(sin2210如果电路负载已知，则整流输出电流的平均值为LLoRURUI45.0010.1.1单相半波整流电路二极管所承受的最大反向电压：UUUmDRM214第5章半导体器件iDTruoab~uRLD有一单相整流电路,负载电阻为900,变压器副边电压为20V，试求Uo，Io及UDRM,并选用二极管。解VUUo92045.045.0DLooImARUI109009VUUDRM2.282022查二极管参数，选用2AP4(16mA,50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。例15第5章半导体器件单相半波整流电路只利用了电源的半个周期，并且整流电压的脉动较大。为此常采用全波整流电路，最常见的就是单相桥式整流电路。~RLuuoa~TrRLbuuo10.1.2单相桥式整流电路~RLuuo~RLuo16第5章半导体器件10.1.2单相桥式整流电路在变压器副边电压u为正半周时，二极管D1、D3导通，而二极管D2、D4截止；uoa~TrRLbuD1D2D3D4t0uU2TUUtdtUUo9.022)(sin210当副边电压u为负半周时，二极管D2、D4导通，而二极管D1、D3截止。Uo桥式整流电路的工作情况-+17第5章半导体器件10.1.2单相桥式整流电路UUo9.0负载电阻中通过的输出电流：LLoRURUI9.00每只二极管中通过的电流仅为输出电流一半：LDRUII45.0210每只二极管承受的最高反向电压：UUDRM2单相桥式整流电路的输出电压：变压器副边在正负半周均有电流流过，其电流仍为正弦量，电流有效值为OOLIIRUI11.19.018第5章半导体器件有一桥式整流电路,负载电阻为160,要求输出电压的平均值为20V，试选择合适的二极管并确定变压器副边电流的有效值。解例mA8.13812511.111.1OIIV4.312.2222UUDRM因U0=20V，所以Io=Uo/Ro=20/160=125mA流过二极管的平均电流为ID=0.5Io=0.5×125=62.5mA变压器副边电压有效值为U=Uo/0.9=20/0.9=22.2V查附录可知，应选用2CZ52B(100mA，50V)二极管。变压器副边电流有效值为二极管承受的最高反向电压为19第5章半导体器件常见的几种整流电路UUoIoUUoIoUUoUIo整流电压平均值t0uot0uot0uo电路整流电压波形UUo45.0UUo9.0UUo9.0二极管平均电流oI2oI2oI二极管反向电压UU41.12UU41.12UU83.222副边电流有效值oI57.1oI79.0oI11.1半波全波桥式20第5章半导体器件10.2滤波电路整流电路仅将交流电转换成单向脉动的直流电压。这种电压对许多电子设备远达不到要求，往往再加接滤波器以改善电压的脉动程度。21第5章半导体器件10.2.1电容滤波电路DRLTrab~uC=uoCt0ut0uD截止D导通D导通D截止D导通电容滤波器的作用ucu2二极管UDRM=2√2U+U--++-无滤波有滤波单相半波电容滤波22第5章半导体器件10.2.1电容滤波电路单相桥式电容滤波t0u电容滤波器的作用二极管UDRM=√2U-+有滤波a~TrbuRLuoD1D2D3D4C23第5章半导体器件电容滤波器输出电压的脉动程度有所改善，但带负载能力较差。在负载不同的情况下，取用输出电流Io愈大输出平均电压Uo愈小。其外特性曲线如右图：IoUo01.4U电容滤波0.45U无电容滤波采用电容滤波时，输出电压的脉动程与电容器的放电时间常数RLC有关，其值愈大则脉动程度就愈小。一般认为2)5~3(TCRL或CRL1)15~10(即可达到要求，此时输出电压Uo由下式估算：UUoUUo2.1(半波)(全波)10.2.1电容滤波电路24第5章半导体器件电容滤波电路中元件的选择：由于二极管的导通时间较短，因此通过二极管的的电流峰值较大，应避免电流冲击损坏二极管；由于滤波电容保持有电压输出，应注意二极管截止时所承受的最高反向电压UDRM有所不同，带电容滤波的半波整流电路UUDRM22带电容滤波的桥式整流电路UDRM不变；常用电容器一般在101-103微法，视负载电流大小而定。其耐压值应大于输出电压的最大值，一般大容量电容具有极性。10.2.1电容滤波电路25第5章半导体器件有一单相桥式整流带电容滤波的电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200Ω，要求输出直流电压Uo=20V，选择整流二极管和滤波电容。解例A05.01.02121ODIIV6.2367.1622UUDRM流过负载的平均电流为变压器副边电压有效值，按Uo=1.2U计算查附录可知，应选用2CZ52B(100mA，50V)。流过二极管的电流为二极管承受的最高反向电压为ARUILOO1.020020V67.162.1202.1OUULRTC25取应选用C=250μF，耐压为50V的电解电容。0.02s5011TsfF10250F20020.025256LRTC26第5章半导体器件要进一步减小输出电压的脉动程度，可在滤波电容之前串入铁心电感线圈L——即LC滤波器。～TrRLuCL电感电容滤波电路直流分量全部加到负载RL上，频愈高，交流分量在XL上的压降愈大。加到RL上的交流分量压降愈小，从而负载RL上输出的电压脉动减小，波形变平滑。一般需要线圈的电感量较大，但其直流电阻也较大，因而会造成输出电压的下降。LC滤波器适于电流较大、输出电压脉动很小场合，更适合高频滤波。10.2.2电感滤波电路经桥式整流后输出的单向脉动电压可分解为直流分量和谐波分量。27第5章半导体器件如果需要输出电压的脉动更小，可以再加一个滤波电容。形LC滤波器的效果更好，但整流二极管的冲击电流较大。形LC滤波电路RL+u-C2LC1由于线圈体大且重，有时可用电阻代替电感线圈以构成形RC滤波器。R愈大滤波效果愈好，但将使输出电压下降，所以适用于负载电流较小、电压脉动很小场合。形RC滤波电路RL+u-C2RC110.2.3复合滤波器28第5章半导体器件实际电源举例-24VN2C1N3N13A2000F50VFU2C21A.047FFU12CZ124直流交流24V~220V如图电源输出电压为24V，电流为1.8A。变压器副绕组N3的电压约为20V，C2起抑制高频干扰作用；副绕组N2的电压为5.5V，供照明指示灯用。直流24V电池的极性可任意接入。10.2.3复合滤波器29第5章半导体器件