直流稳压电源

(9-1)电子技术第九章直流稳压电源模拟电路部分(9-2)第九章直流稳压电源§9.1直流稳压电源的组成和功能§9.2单相整流电路§9.3滤波电路§9.4倍压整流电路的工作原理§9.5稳压电路§9.6集成稳压电源*(9-3)•电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路•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。§9.1直流稳压电源的组成和功能(9-4)整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。§9.2单相整流电路常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。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。(9-5)§9.2.1单相半波整流电路的工作原理u20时，二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u20时，二极管截止,输出电流为0。uo=0(9-6)tuo(4)输出电压平均值（Uo）：(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL202245.0221UUtduUoo(3)二极管上承受的最高电压：22UURM(2)二极管上的平均电流：ID=IL(9-7)§9.2.2单相全波整流电路的工作原理u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)输出电压波形：(2)二极管上承受的最高电压：222UURMtuo(3)二极管上的平均电流：LDII21(9-8)§9.2.3单相桥式整流电路的工作原理桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo(9-9)桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路(9-10)u20时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:AD1RLD3Bu20时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2tt桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1tuou2D4D2D1D3RLuoAB(9-11)几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~(9-12)§9.2.4整流电路的主要参数1.整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压Uo的平均值为:πooU.tduπU2029021负载上的(平均)电流:LLRU.I290一、整流输出电压的平均值与脉动系数整流输出电压的平均值Uo和输出电压的脉动系数S是衡量整流电路性能的两个主要指标。(9-13)S定义：整流输出电压的基波峰值Uo1m与平均值Uo之比。2.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(9-14)平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。LoDRU.II245021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：二、平均电流与反向峰值电压(9-15)§9.3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原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。(9-16)§9.3.1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。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-17)1.RL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au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-18)2.RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)u2tuot电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-19)u2tuot只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。(9-20)u2tuot电容充电时，电容电压滞后于u2。整流电路的输出电流RLC越小，输出电压越低。3.RL接入（且RLC较大）时(考虑整流电路内阻)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–(9-21)一般取2)53(TCRτLd(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)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的峰值电流越大故一般选管时，取LoLDFRU~I~I21)32(2)32(二、电容滤波电路的特点(1)输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(9-22)输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变。如:RL愈小(IL越大),Uo下降多,S增大。结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。(3)输出特性(外特性)uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL(9-23)§9.3.2电感滤波电路结构: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。电感滤波电路u2u1RLLuo(9-24)一、滤波原理对直流分量: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(9-25)二、电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。u2u1RLLuo(9-26)*§9.3.3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。(9-27)uoRu2u1C1C2uo1´RL一、RC–型滤波电路设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，则：uo的直流分量：oLLoU'RRRU(9-28)uoRu2u1C1C2uo1´RLuo的交流分量的基波的幅值：moCLCLmo'UjXRRjXRU1221)//()//(moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(1(9-29)通常选择滤波元件的参数使得：)//(12LRRCmoLLLmoU'RRCRRRU121)//(1moLLLmoU'CRRCRRRU122221)1()//(1uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'RRCU'U'RRCUUSLomoLomo)//(1)//(12121(9-30)二、L-C型滤波电路u2u1LuoCRLuo1设uo1的直流分量为U´O，交流分量的基波的幅值为U´O1m，：29.0UU'Uoo67.0S'moCLLCLmo'UjXRjXjXRU11)//()//((9-31)moCLLCLmo'UjXRjXjXRU11)//()//(通常选择滤波元件的参数使得：LRC1momoCLCmoU'LCU'jXjXjXU121111uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：S'LCU'U'LCUUSomoomo21211111(9-32)三、LC–型滤波电路u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑；由于在输入端接入了电容，因而较只有LC滤波时，提高了输出电压。请自行分析LC–型滤波电路的输出电压和脉动系数等基本参数。(9-33)*§9.4倍压整流电路的工作原理一、二倍压整流电路u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：22Uu2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：22U负载上的电压：222Uuo+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL(9-34)+–22U二、多倍压整流电路+–222Uu2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：22Uu2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6(9-35)+–22U+–222U+–222U+–222U+–222U+–222UC1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回路，C1补充电荷，C3充电到：222Uu2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到：222U把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。(9-36)§9.5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)以下主要讨论线性稳压电路。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。(9-37)§9.5.1串联反馈式稳压电路一、电路结构的一般形式1.串联式直流稳压电路的基本形式负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+）倍。TUORL+–+–UZUIiRiZiL实际上是射极输出器，Uo=UZ-UBE。但带负载的能力比稳压管强。BZRiii,0BELiii)1((9-38)TUORL+–+–UZUIiRiZiL串联式直流稳压电路的基本形式两个主要缺点：(1)稳压效果不好。Uo=UZ–UBE(2)输出电压不可调。改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。(9-39)串联式稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–2.具有放大环节的串联型稳压电路(9-40)T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL调整元件+–+–调整元件T：与负载串联，通过全部负载电流。可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器：可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。基准电压：可由稳压管稳压电路组成。取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较。(9-41)T+_UIUO比较放大基准取样URFUO+_C2RL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。(9-42)一种实际的串联式稳压电源二、稳压原理UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo当UI增加或输出电流减小使Uo升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2(9-43)三、输出电压的确定和调节范围22221BEZWWOUURRRRRUR3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB22221minBEZWWOUURRRRRU2221maxBEZWOUURRRRU(9-44)四、影响稳压特性的主要因素2.流过稳压管的电压随UI