电子技术基础--第九章--直流稳压电源

10.0引言•电子电路都需要稳定的直流电源供电。虽然在有些情况下（如便携设备）可用化学电池作为直流电源，但大多数情况是利用电网提供的交流电源经过转换而得到直流电源的。•本章将介绍单相小功率直流电压源的组成和工作原理。•电源变压器:将交流电网电压v1变为合适的交流电压v2。•整流电路:将交流电压v2变为脉动的直流电压v3。•滤波电路:将脉动直流电压v3转变为平滑的直流电压v4。•稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压Vo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v1v2v3v4Vo单相小功率直流电压源一般由四部分组成:•电源变压器•整流•滤波•稳压主要内容：(1)小功率整流滤波电路(2)串联反馈式稳压电路基本要求:(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。(2)掌握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。(3)掌握三端集成稳压模块的使用10.1单相小功率整流滤波电路10.1.2滤波电路10.1.1单相小功率整流电路10.1.1单相小功率整流电路单相小功率整流电路的分类:一、单相半波整流电路二、单相全波整流电路三、单相桥式整流电路四、倍压整流电路整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路对整流电路要研究清楚以下问题：•1.电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析•2.输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压•3.整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压整流二极管的伏安特性：正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路实际特性理想化特性~220Vv2iDvLv2V2m+-iDvL整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。~220Vv2iDvL+-一、单相半波整流电路tVvsin222为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。1、电路结构、工作原理2、主要参数计算：IL=VL/RL=0.45V2/RLvL20t（2）输出电流平均值(直流分量)IL：）（tdvVLL2021（1）输出电压平均值(直流分量)VL：）（ttdVsin22102245.0V注意:V2是副边电压的有效值（3）流过二极管的平均电流：vD20tVRMVRM=22V（4）二极管承受的最高反向电压：ID=IL=VL/RL=0.45V2/RL选管时应满足：IFID，VBRVRM并留有安全裕量注意:V2是副边电压的有效值•已知变压器副边电压有效值V2=30V,负载电阻RL=100Ω,试问:(1)负载电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少?(2)电网电压波动范围是±10%,二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少?3、思考•解:VL=0.45V2=0.45×30=13.5VIL=VL/RL=0.45V2/RL=13.5/100=0.135AVRM=1.122V=46.7VID=1.1IL=1.1×0.135=0.15A~220Vv2iDvL•已知变压器副边电压有效值V2=30V,负载电阻RL=100Ω,试问:(1)负载电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少?(2)电网电压波动范围是±10%,二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少?4、总结优点：电路中所使用的整流二极管数量少缺点：（1）输出电压小；（2）输出电压、电流的脉动较大；（3）电源变压器只在正半周内有电流供给负载，变压器不能充分利用；而且二次绕组中通过含有直流成分的电流，造成铁芯直流磁化。~220Vv2iDvL~220VvLiLRLv2v2’+--+~220VvLiLRLv2’v2-+-+二、单相全波整流电路变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压v2当v2正半周时，D1导通，D2截止。当v2负半周时，D2导通，D1截止。tVvsin2221、电路结构、工作原理）（tdvVLL2021）（ttdVsin210229.0VtVvsin222（1）输出电压平均值(直流分量)VL：（2）输出电流平均值(直流分量)IL：LLLRVIL29.0RV2、主要参数计算：（3）流过二极管的平均电流：ID=IL/2=VL/2RL=0.45V2/RL（4）二极管承受的最高反向电压：2RM22VV整流电路如图所示，变压器副边电压有效值V2＝20V。画出输出电压的波形和平均值、整流二极管的最大整流电流和最高反向工作电压。~220VvLiLRLv2’v23、思考4、总结优点：（1）输出电压高；（2）输出电压脉动较小；缺点：二极管承受的反向电压高三、单相桥式整流电路+-1、电路结构、工作原理+-L224442(cos2cos4cos6)31535vVttt纹波直流分量(恒定分量)对输出电压vL的分析（1）输出电压平均值(直流分量)VL：tdtVVsin212π0L222V29.0V2、主要参数计算：（2）输出电流平均值(直流分量)IL：LLLRVIL29.0RV（3）纹波系数483.0L2L22γVVVKLLγγVVK谐波电压总的有效值2L222L42L2LγVVVVVL224442(cos2cos4cos6)31535vVttt483.0L2L22γVVVK直流分量（4）流过二极管的平均电流：D3D1IID4D2IIL2L45.021RVI（5）二极管承受的最高反向电压：2RM2VV(6)脉动系数S1用傅氏级数对桥式整流的输出vL分解后可得:224442(cos2cos4cos6)31535LvVtttvL20t基波基波峰值输出电压平均值LLAC1LLAC1VVVVS67.0322232422L1LAC1VVVVS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。•曲线的斜率代表了整流电路的内阻。•若二极管D1接反会如何?D1接反3、思考v２正半周时，D1D４和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，vL=0。v２则负半周时，二极管D2、D1导通，造成电源短路，电流很大，因此变压器及D2、D1将被烧坏。•若二极管D1开路会如何?D1开路•v２正半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，vL=0。•v２负半周时，D２和D４导通，负载中有电流通过，负载电压vL=v２。•电路为单相半波整流电路。•若二极管D1击穿短路会如何?D1短路v２负半周时，情况与D１接反类似，电源及D1或D２也将因电流过大而烧坏。4、桥式整流电路的优点和缺点优点：•输出电压高，纹波电压小•管子所承受的反向电压低•电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的应用，效率较高。缺点：•二极管用得较多。整流桥堆集成的桥式整流电路称为整流桥堆。QL51A~GQL62A~L（额定电流2A，最大反向电压为25V~1000V）~+~-+–v2vL+–四、倍压整流电路tVvsin222利用倍压整流电路可以得到比输入交流电压高很多倍的输出直流电压。当v2为正半周时，二极管Ｄ１正向偏置导通，v2通过Ｄ2向电容器C1充电，在理想情况下，充电至vC1≈V2，极性为右正左负。2当v2为负半周时，Ｄ１反偏截止，Ｄ2正偏导通，电容C2充电，最高可充到vC2≈，极性为右正左负。222V当v2再次为正半周时，Ｄ１、Ｄ2反偏截止，Ｄ3正偏导通，电容C3充电，最高可充到vC3≈，极性右正左负。依次类推，若在上述倍压整流电路中多增加几级，就可以得到近似几倍压的直流电压。此时只要将负载接至有关电容组的两端，就可以得到相应的多倍压的输出直流电压。222V在倍压整流电路中，每个二极管承受的最高反向电压为；电容C1的耐压应大于，其余电容的耐压应大于。22V222V222V交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能作用达到滤波的目的。10.1.2滤波电路几种滤波电路（a）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（倒L型）（c）型滤波电路＋＋＋＋电抗元件(C、L)在电路中有储能作用，所以它们具有平波作用。一、电容滤波电路其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，该形式电路多用于小功率电源电路中。依靠电容的充放电作用可减小纹波：当变压器副边电压小于电容两端电压时，由电容向负载放电。当变压器副边电压大于电容两端电压时，由电压向电容充电，并向负载提供电压。１．电路结构（1）空载（RL=∞）时：v2tvLtvc=vLv2＞vC时：二极管导通，C充电v2＜vC时：二极管截止，C放电。由于RL=∞，无放电回路，所以vC保持。２．工作原理（2）接入RL（且RLC较大）时v2tiDtv2＞vC时：二极管导通，C充电v2＜vC时：二极管截止，C放电。二极管中的电流vc=vL(2)流过二极管瞬时电流很大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大(1)VL与RLC的关系：RLC愈大C放电愈慢VL(平均值)愈大RLC较大v2tiDtvc=vL当整流电路的内阻不太大（几欧姆）且d(35)T/2时，VL=(1.11.2)V2３．数量关系2OLd2O2OL1.22)53(=0.9=,02=,=VVTCRVVCVVR～纯电阻和电容滤波电路的外特性讨论已知变压器副边电压有效值为10V，电容足够大，判断下列情况下输出电压平均值VL≈？1.正常工作；2.C开路；3.RL开路；4.D1和C同时开路。４．电容滤波电路的优缺点：优点：电路结构简单，输出直流电压VL较高，可达（1.1-1.2）V2，纹波较小。缺点：输出特性较差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。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。适于大电流负载！对直流分量:XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上对谐波分量:f越高，XL越大,电压大部分降在电感上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。VL=0.9V21.当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。2.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°。三、其他形式的滤波电路改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。10.2串联反馈式稳压电路10.2.1稳压电源指标10.2.3串联反馈式稳压电路工作原理10.2.4三端集成稳压器10.2.5三端集成稳压器的应用10.2.2并联型稳压电路稳压电路的作用:使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。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。稳压二极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。•特性指标–允许的输入电压–允许的输出电压–输出电流–输出电压调节范围•质量指标:衡量输出直流电压的稳定程度–稳压系数–输出电阻–温度系数–纹波电压:稳压电路输出端交流分量的有效值,毫伏数量级,表示输出电压的微小波动。10.2.1稳压电源的技术指标输出电压10.2.1稳压电源质量指标),,(OIOTIVfV输出电压变化量TSIRVKVTOoIVO输入调整因数00IOVOTIV