直流稳压电源的组成和功能

•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。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u1u2u3u4uo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：15.2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=u2u1u2aTbDRLuo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+–u20时:u20时:单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouDt2340输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：()=2021tduUoo=()021tdsint22U2245.02UU=u1u2aTbDRLuouDioIo=Uo/RL=0.45U2/RLuo20t二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2TDRLuouDiouD20tUDRM二极管上的平均电流：ID=IOUDRM=22U承受的最高反向电压:(2)单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+–+–原理：+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形u2uouD1t2340uD2+–+–0~：uD2=2u2+忽略二极管正向压降U2m2U2m输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（Io)：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo20t()=01tduUoo=()01tdsint22UIo=Uo/RL=0.9U2/RL229.02UU=2二极管上的平均电流及承受的最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io二极管上的平均电流：oDII21=uD20tDRM22UU=2二极管承受的最高反向电压：(3)单相桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo+–u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路D1、D4导通，D2、D3截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路D2、D3导通，D1、D4截止u20时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:aD1RLD4bu20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u2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL二极管平均电流：ID=Io/2u2ttuD2,uD3tuotuD1,uD4二极管最大反向电压：DRM22UU=集成硅整流桥：u2uo+–~+~-+–(4)整流电路的主要参数负载电压Uo的平均值为:()=πootduπU2021负载上的(平均)电流:LoRUIo=(a)整流输出电压的平均值uo20tS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。(b)脉动系数Ｓ6703222324221.πUπUUUSoMo===用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuo=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。oDII21=22UURM=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：(c)二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流ID)（选购时：反向峰值电压2URM)15.3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RLLRLC(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。(a)电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL未接入时(忽略整流电路内阻)u2tuot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au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻ro)u1u2u1bD4D2D1D3RLuOSCu2tuOt无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形uotu2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=ucu2u2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=RLCu2tuot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u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。RLC越小，输出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻ro)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL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(b)电容滤波电路的特点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二极管承受的最高反向电压2RM2UU=一般取(T:电源电压的周期)2)5~3(LTCR=电容滤波原理的低通滤波器解释用傅氏级数对全波整流的输出uo分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUui=u20tRLCuuo++频率越高，电容的容抗越小ro整流电路(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。u2u1RLLuo电感滤波原理(低通滤波器解释）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：u2u1RLLuo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uoRu2u1C1C2uo1´RLRC–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15.4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。(1)稳压电路的主要性能指标(a)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。IIooUUUUS=(b)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(a)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UOT1+_UI比较放大基准电压Uo取样URFUORL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.UOT1+_UI比较放大基准电压Uo取样URFUORL调整元件+–+–UB1+UIUoRLR3比较放大R、UZ基准电压T1调整管R3、T2比较放大R1、RW、R2采样电阻(b)一种实际的串联式稳压电源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2稳压原理UoUB2UC2（UB1）Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时UC2（UB1）R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(c)输出电压的确定和调节范围()22221BEZWWOUURRRRRU++++=所以：2221ZWWURRRRR+++=忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2因为：OU2BEZUU+22WRR+21WRRR++=UB2=例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k，求输出电压的调节范围。221ZWWOminURRRRRU+++=4=6V4.74.7++=4.74.7+4.7221ZWOmaxURRRRU++=4=12V4.74.7++=4.74.7R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB22221ZWWOURRRRRU+++=(d)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R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2集成化集成稳压电源用运放作为比较放大器的串联型稳压电路++UZDZUOUIT1T2R1R2RWRZ1RL+-+UZ1DZ1RZZ2W21OmaxURRRRU++=最大输出电压ZW2W21OminURRRRRU+++=最小输出电压15.5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+5VW7809输出+9VW7812输出+12VW7815输出+15VW7900系列——稳定负电压W7905输出-5VW7909输出-9VW7912输出-12VW7915输出-15V1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123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1FCo1µF+10V+5V注意：输入与输出端之间的电压不得低于2V！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123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1FCo1µF-10V-5V集成稳压电源应用电路u2u1C1300µFU1=220VU2=8VUC1=1.2U2=9.6VUo=5V+_CoW7805+_Uo1321µFRLCI1F集成稳压电源应用电路u2u1W78051321µF1FW7905300F1µF1µF300F123+5V-5V（产生正负对称电源）开关电源原理uBuOUITRLPWM控制++电路原理输出电压波形TOtt1t2uOUIUCES平均值UOuB的波形tTOt1t2uBTonToffPWM:PulseWidthModulation脉宽调制tOuBUthtOt1t2uA调整管TPWM电路原理三角波发生器+VUthuB+-+A1uA开关电源原理图15.23具有LC低通滤波和负反馈控制的串联型开关电源原理框图RLCLUOTD++R2UFR1+-+uB调整管uAUI三角波发生器UthUI+-+A1续流二极管反馈放大器反馈电压LC滤波电路PWM控制基准电压采样电路A2比较器小测验推导输出电压UO与输入电压UI1、UI2的关系式+-∞++-∞+UOR2UI2R4R3UI1R1R1R2