电路和电子技术(下)李燕民主编第4章电源技术

第4章电源技术4.1电源技术的基本内容4.2直流稳压电源4.3开关型稳压电源4.4交流稳压电源《电工和电子技术》电源可分为三种类型：(1)一次性电源，即供电电源。(2)二次性电源，即在供电电源与负载之间对电能进行转换以满足电气设备需要的电源。(3)蓄电池电源，将其它形式的能量转换成电能储存起来，然后再提供给负载。第4章电源技术4.1电源技术的基本内容(1)将交流电变为直流电，实现这一功能的电路称为整流电路。(2)将直流电变为交流电，实现这一功能的电路称为逆变电路。(3)将一种直流电变为另一种直流电，这种变换能实现直流电的幅值或极性的改变。(4)将一种交流电变为另一种交流电，这种变换能实现交流电的大小和频率的变化。功率变换电路可分为4类：(1)体积小、重量轻、造价低。(2)电源输出不间断。(3)效率高、节能。(4)输出电压或输出电流要稳定1.直流稳压电源直流稳压电源有两种控制方式，即连续线性控制和断续开关控制方式。连续线性控制方式电源的特点是功率器件工作在放大状态。如串联型稳压电源就属于这种控制方式。断续开关控制方式电源的主要特点是功率器件工作在开关状态。电子设备对电源的要求是：2.交流稳压电源交流稳压电源包含稳压电源和不间断电源。4.2直流稳压电源4.2.1直流稳压电源的主要指标及种类1.直流稳压电源的主要技术指标2.直流稳压电源的种类:(1)按电源中调整元件与负载的连接方式分，有并联式稳压电源和串联式稳压电源。(2)按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。4.2.2串联式线性稳压电源变压整流滤波稳压负载交流电交流电变为直流电的过程示意图串联式线性稳压电源由采样、基准、比较放大和调整四个环节组成串联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R2RPRPUZRPR3+UiUo++UB2+UfUCE2IC2UCE1UBE1+4.2.2串联式线性稳压电源串联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R2RPRPUZRPR3+UiUo++UB2+UfUCE2IC2UCE1UBE1+(1)采样环节：由R1、R2、RP组成。)(P2P21oRRRRRUUf)(P21P21BEoRRRRRUUUZ反馈电压输出电压4.2.2串联式线性稳压电源串联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R2RPRPUZRPR3+UiUo++UB2+UfUCE2IC2UCE1+(2)基准电压环节：由DZ和R3组成。(3)比较放大环节：由T1构成。UBE14.2.2串联式线性稳压电源T2DZR4T1RLR1R2RPRPUZRPR3+UiUo++UB2+UfUCE2IC2UCE1+(4)调整环节：由工作在线性区的功率管（调整管）T2组成。若某种原因使输出电压升高，其稳压过程为：UoUfUBE1UCE1UB2ICUCE2UoUBE1采用运算放大器，其稳压过程为：UoUfUBICUCEUoUo由运算放大器组成的串联型稳压电路TDZR3RLR1RPRP+UZRPR2+Ui++UB+Uf++UCEIC常用的集成稳压器有下列几种：(1)多端可调式集成稳压器。(2)三端可调式集成稳压器。(3)三端固定式集成稳压器。W7800系列、W7900系列。三端集成稳压器基本应用电路W7805Ci+UiCoUo+123W7800系列输出正电压，如W7805，表示输出电压为5V。W7900系列输出负电压，如W7915，表示输出电压为–15V。Ci：改善纹波。Co：改善负载的瞬态响应。4.2.3集成稳压器三端固定式集成稳压器的几种应用电路(1)正负电压同时输出的稳压电路。~220VC+5V5VCi+CoCi+CoW7805W7905C12V12V123123(2)提高输出电压的稳压电路。12W78XXCi+UiCoR1+3R2+UXXUoIRIQ若IR5IQ，则)(QR2XXoIIRUUXX12XX12XXR2XXo)1(URRURRUIRUUW78XXCi+UiCoUo+123++R1R2+U××(3)输出电压可调的稳压电路。)1()(12XX211XXoRRURRRUU（4）扩大输出电流的稳压电路W78XXCi+UiCOUo+123RIBI3IRI1ICI2RLIoTUBE通常I3较小，所以I2I1。当IR电流不足以使T导通时，IC＝0，Io＝I2I1，若IR电流增大到一定值时，使T导通，则Io＝I2＋IC，调整R的大小使功率管在输出电流较大时导通。I2I1=IR+IB=CBEIRUC1BE1IIUR(１)一次整流滤波电路：将交流电经整流滤波为直流电压。(２)开关调整管：调整管将整流滤波后的电压变换成矩形波电压。4.3开关型稳压电源4.3.1开关型稳压电源的组成一次整流开关调整管二次滤波开关控制比较放大取样电路基准电路+ui+Uo滤波电路开关型稳压电源结构框(３)二次滤波：是为了得到平滑的直流输出电压U0。(４)开关控制电路：是利用反馈信号去控制调整管的通断时间。(５)取样电路，比较放大，基准电路作用同串联型稳压电源。一次整流开关调整管二次滤波开关控制比较放大取样电路基准电路+ui+Uo滤波电路开关型稳压电源结构框开关型稳压电源的分类方法很多，按电路结构分，有串联开关稳压电源和并联开关稳压电源：按调制方式分，有脉宽调制型、脉频调制型和混合调制型。目前脉宽调制型应用比较普遍。LT电压比较器RLR1R2+UiUo++uBUR++基准电压电路++三角波发生器+UR2CD误差放大器u–IouAuC8.3.2脉宽调制式串联型开关稳压电源的基本工作原理(1)开关调整管T，它工作在开关状态，其开关时间由电压比较器输出的脉冲信号控制。(2)控制电路，由基准电压电路、取样电路、误差放大器、三角波发生器和电压比较器组成。脉宽调制式开关型稳压电源的原理图LT电压比较器RLR1R2+UiUo++uBUR++基准电压电路++三角波发生器+UR2CD误差放大器IouAuCu–(3)滤波电路，由L、C和二极管D组成。脉宽调制式开关型稳压电源的原理图LT电压比较器RLR1R2+UiUo++uBUR++基准电压电路++三角波发生器+UR2CD误差放大器IouAuCK=ton/T称为脉冲波形的占空比，ton又称为脉冲宽度。iiKUUTtUono输出电压平均值可见对于一定的Ui，改变了ton即改变了K，也就改变了输出电压UOu–LT电压比较器RLR1R2+UiUo++uBUR++基准电压电路++三角波发生器+UR2CD误差放大器u–IouAuC工作原理：利用ub控制调整管T的导通与截止。当uB为高电平时，T饱和导通，忽略T的饱和压降，uA=Ui，D截止，负载中有IO流过，L及C储存能量。当uB为低电平时，T由导通变截止，忽略T的饱和压降，L中的感应电动势使D导通，L及C储存的能量通过D向RL释放，使负载中继续有IO流过，此时uA=0。电路输出为额定电压时，UR2=UR，uc=0，电压比较器输出电压uＢ为占空比K=50%的脉冲信号。若输入电压增加，其调压过程为:UiU0UR2UR2＞URuc=“”,与固定频率三角波电压u–相比较，得到uＢ输出，T截止，其占空比K50%，使输出电压下降到预定的稳定值。若输入电压减小，UiU0UR2UR2URuC=“＋”，其占空比K＞50％，使输出电压上升到预定的稳压值。LT电压比较器RLR1R2+UiUo++uBUR++基准电压电路++三角波发生器+UR2CD误差放大器u–IouAuCtuCu-uBuAUotUouA00uBu-uC脉宽调制式开关型稳压电源的各点波形tuCu-uBuAUotUouA00uBu-uC电路输出为额定电压时，UR2=UR，uc=0，电压比较器输出电压uＢ为占空比K=50%的脉冲信号。若输入电压增加，其调压过程为:UiU0UR2UR2＞URuc=“”,与固定频率三角波电压u–相比较，得到uＢ输出，T截止，其占空比K50%，使输出电压下降到预定的稳定值。若输入电压减小，UiU0UR2UR2URuC=“＋”，其占空比K＞50％，使输出电压上升到预定的稳压值。(1)参数调整型，以LC串联谐振原理为基础实现稳压。(2)自耦调整型，以自耦变压器为基础实现稳压功能。(3)大功率补偿型，当输入电压高于或低于突定值时，由补偿环节来实现稳压。(4)开关型，用开关电源技术实现稳压。4.4交流稳压电源按其工作原理可分为4类：4.4交流稳压电源交流稳压电源的电路结构图输出电压辅助电源比较控制基准电源保护电路取样电路uoui调整电路电路F1交流稳压电源的电路原理图C6L2+C3+C4W1W2C1IIIuoacSJbuiL1+++C2C5+EEDZ++++++++F2F3F4MJR2R4R7R8R5R6RP1RP3R9R10RP2R3T1T2T3R11R12R13R14R13+E-ED+ETR14.基准电源电路，由W1输出的稳定直流电压经R1和DZ组成的稳压路进行二次稳压，再经C3滤波后作为基准电源。5.取样电路，由变压器T的二次侧绕组II(其电压与输出电压同步变化)及L2组成整流电路，经C6滤波后提供给由RP!和R5R6组成的分压电路。6.保护电路，F3是过压保护比较放大电路，F4是欠压保护比较放大电路，T3与继电器J是它们共同驱动与执行电路。1.输出电压调整电路，变压器T是可调式自耦变压器。2.比较控制电路，F1F2组成电压比较器。3.辅助工作电源电路，L1与T的二次侧绕组I组成整流电路经C1、C2滤波后，提供正负两种电源，再经三端固定集成稳压器W1与W2稳压后输出＋Ｅ及－Ｅ供控制电路使用。工作原理将交流电变成直流电称为整流，将直流电变成交流电称为逆变。实现直流电变成交流电的电路称为逆变电路，完成逆变功能的设备称为逆变器。应用于各种领域，例如：采用逆变技术将普通交流电网电压变成电压可调、频率可调的交流电，提供给交流电动机，以调节电动机的转速；在不间断电源(UPS)中有充电器和逆变器；又如中频炉、高频炉、电磁灶等调备，利用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁场，使金属在磁场中产生涡流而发热等等。当前主要采用普通晶闸管，可关断晶闸管(GTO)，大功率晶体管(GTR)，功率场效应晶闸管(VMOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)等器件组成逆变主电路。4.5逆变电路4.5.1逆变的概念(1)按逆变器输出交流频率，可分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频逆变是指50~60Hz的逆变器；中频逆变的频率为400Hz~几十kHz；高频逆变器的频率则为十几kHz~MHz。(2)按逆变器能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。(3)按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。(4)按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。(5)按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。(6)按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。逆变器的种类很多，其主要分类方式如下：图中S1~S4是桥式电路的4个臂。Ud为直流电源。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，电流io从A流向B。Uo极性为A正B负；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，电流io从B流向A。Uo极性为B正A负；这样就把直流电变为交流电，改变两组开关的切换频率，即改变了交流电的频率。单相桥式逆变电路的基本原理UdioS1S2S3S4BAuo负载基本逆变电路原理图及波形uoiotiouo0-+当负载为纯电阻时，负载电流io和uo的波形形状相同，相位也相同。当负载为感性时，io相位滞后于uo时，而且两者形状也不相同。设t1时刻以前S1、S4导通，uo与io方向均为正。在t1时刻S1、S4断开，