模电功率电路及系统.pptx
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。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo直流电源的一般组成如下图所示。第1页/共84页1.整流工作原理利用二极管的单向导电性电路图整流分类：半波、全波、桥式、倍压整流电路 921整流滤波电路一、整流滤波电路第2页/共84页 图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流第3页/共84页 图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流第4页/共84页 图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流第5页/共84页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整流滤波滤波直流电压RLLRLC滤波电路滤波原理：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。第6页/共84页几种滤波电路 滤波电路（a）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（倒L型）（c）型滤波电路第7页/共84页二二 整流与滤波电路工作原理整流与滤波电路工作原理1.半波整流电路二极管导通，uL=u2二极管截止,uL=0+io+u2 0 时:u20时:u2uLuD t 2 3 4 0第8页/共84页1、工作原理iDu2tuot设变压器输出电压：u2=U2sint u1 u2uoRL+则输出电压：uo=2、电路特点 优点：结构简单，元件少。缺点：输出波形脉动大，利用率低+第9页/共84页uo=3、电路分析（1）输出直流电压：（2）负载平均电流（3）二极管所承受的最大反向电压（4）整流管平均整流电流=负载平均电流4、整流输出电压的脉动系数 u1 u2uoRL第10页/共84页2.全波整流电路+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。第11页/共84页全波整流电压波形u2uLuD1 t 2 3 4 0uD2第12页/共84页全波整流电路u1u2u2D1RLD2u2tuot电路分析：u0=第13页/共84页3.桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路）组成：由四个二极管组成桥路u2正半周时正半周时:D1、D3导通导通，D2、D4截止截止+（2）工作原理：）工作原理：u2uL第14页/共84页-+u2负半周时：负半周时：D2、D4 导通导通，D1、D3截止截止u2uL第15页/共84页桥式整流电路u2tuot正确利用二极管的引导作用 u1u2RLu0=第16页/共84页如何实现正、负电源？将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。图利用桥式整流电路实现正、负电源uO1 1 为正；uO2 2为负第17页/共84页思考1：一个二极管接反时的情况。！整流桥中一个二极管接反，可能烧毁变压器线圈或整流管。第18页/共84页思考2：一个二极管短路时的情况。！整流桥中一个二极管短路，可能烧毁变压器线圈或整流管。第19页/共84页思考3：一个二极管虚焊（断路）时的情况。！整流桥中一个二极管断路，变成半波整流。第20页/共84页 实际应用实际应用1 1：利用桥式整流电路实现正、负电源：利用桥式整流电路实现正、负电源第21页/共84页 实际应用实际应用1 1：利用桥式整流电路实现正、负电源：利用桥式整流电路实现正、负电源（）（）变压器副边抽头不在中间时，输出的正、负电源是否还对称？第22页/共84页图914 用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路第23页/共84页集成硅整流桥：u2uL+-+第24页/共84页全波整流电路桥式整流电路半波整流电路主要参数电路形式表表 1整流电路的主要参数整流电路的主要参数第25页/共84页多倍压整流电路多倍压整流电路+-+-+u2+-+-+-+-+-适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。图图 多倍压整流电路多倍压整流电路第26页/共84页+u2的第一个正半周：的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，构成回路，C1充充电到：电到：u2的第一个负半周：的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，构成回路，C2充电到：充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6倍压整流电路的工作原理第27页/共84页+C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：的第二个正半周：u2、C1、C3、D3、C2构成回构成回路，路，C1补充电荷，补充电荷，C3充电到：充电到：u2的第二个负半周：的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构构成回路，成回路，C2补充电荷，补充电荷，C4充电到：充电到：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。第28页/共84页 由于整流输出电压存在一定的纹波,故需用滤波电路来滤除纹波电压。滤波电路利用电抗性元件的储能作用实现滤波。一般通过将电容C C与负载并联或将电感L L跟负载串联来实现。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。二、整流滤波电路的工作原理及主要性能第29页/共84页假设电路刚好在 由负到零的时刻接通,则 通过VDVD1 1和VDVD3 3向C C充电。电容电压 紧随输入电压 按正弦规律上升至 的最大值。电容滤波电路(1)空载(RL=)时:设电容器两端初始电压为零。u2tuLt第30页/共84页电容滤波电路(1)空载(RL=)时:设电容器两端初始电压为零。u2tuLtuc=uL故然后 继续按正弦规律下降,当 时,二极管截止,C,C放电,由于无放电回路,所以 保持。第31页/共84页电源 在向负载R RL L供电的同时又对电容C C充电。电容电压 紧随输入电压 按正弦规律上升至 的最大值。电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t第32页/共84页电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t而后 继续按正弦规律下降,当 时，二极管又导通，电容C C再次充电。第34页/共84页电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t二极管中二极管中的电流的电流uc=uLiDt t这样循环下去，周期性变化，电容C C周而复始地进行充电和放电,使输出电压脉动减小。只有整流电路输出只有整流电路输出电压大于电压大于uc时，才时，才有充电电流。因此有充电电流。因此二极管中的电流是二极管中的电流是脉冲波。脉冲波。第35页/共84页电容C C放电的快慢取决于时间常数(=R(=RL LC C）的大小，时间常数越大，电容C C放电越慢，输出电压 就越平坦，平均值也越高。电容滤波电路(2)接入RL(且RLC较大)时:u2t二极管中二极管中的电流的电流uc=uLiDt t第36页/共84页电容滤波电路的特点：RLC 较大u2tiDtuc=uL(2)UL与RLC的关系：RLC愈大C放电愈慢UL(平均值)愈大一般取：(T T:电源电压的周期)近似估算:UL=1.2U2(1)整流管导电时间越短 的峰值电流越大第37页/共84页电容滤波电路的特点：(3)(3)图为输出直流电压U UL L随负载电流I IL L的变化关系曲线。OC型滤波纯电阻负载负载直流电压随负载电流增加而减小。电容滤波电路的输出电压在负载变化时波动较大，说明它的带负载能力较差，只适用于负载较轻且变化不大的场合。C值一定,RL=即空载时,C=0,即无电容时,第38页/共84页（1）滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。（2）普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。要注意的几点：（3）加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流()，为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。第39页/共84页*使用条件：各种电路参数比较：第40页/共84页一、电容滤波电路例1、某电子设备需要直流电压U0=30v，I0=400mA的直流电流，若采用桥式直流，电容滤波电路，试选择直流元件和滤波电容。（1）选择二极管考虑到电容充电电流的冲击，选用最大直流电流为500mA、耐压为50v的整流二极管。（2）选电容选C=500F，耐压为50v的电解电容。例2、一个全波整流、电容滤波电路中，U2=10v，C=1000F，当RL=20时，试求 和S的值，整流管的压降和整流内阻可忽略。第41页/共84页 例例3 如图所示，要求输出电压如图所示，要求输出电压U O（AV)=15V，负，负载电流平均值载电流平均值I L（AV)=100mA,U O（AV)=1.2U2。试。试问：问：（1）滤波电容的大小。滤波电容的大小。（2）考虑到电网电压的波动范围为）考虑到电网电压的波动范围为10%,滤波电滤波电容的耐压值。容的耐压值。解：（1）由U O（AV)=1.2U2 可知，C的取值应满足RLC=（35）T/2的条件。第42页/共84页第43页/共84页（2）电容的耐压值为实际可选取容量为300F、耐压为25V的电容。第44页/共84页例例4 如图所示，如图所示，RL=50欧姆，欧姆，C=1000uF，U2=20V U O（AV)有以下几种情况有以下几种情况:（1）28V （2）18V （3）9V 分析电路产生了什么故障分析电路产生了什么故障?解：（1）RL开路 （2）电容开路 （3）一个二极管开路且电容开路第45页/共84页稳压管稳压电路的缺点：（1 1）带负载能力差（2 2）输出电压不可调改进1 1：（1 1）提高带负载能力在输出端加一射极输出器UO=UZ-0.7V基本调整管稳压电路922串联反馈型线性稳压电源的工作原理第46页/共84页1、稳压原理、稳压原理UB不变不变基本调整管电路基本调整管电路第47页/共84页改进2 2：（2 2）使输出电压可调在射极输出器前加一带有负反馈的放大器具有放大环节的串联型稳压电路。具有放大环节的串联型稳压电路第48页/共84页具有放大环节的串联型稳压电路具有放大环节的串联型稳压电路1.1.电路构成电路构成基准电压电路基准电压电路采样电路采样电路比较放大电路比较放大电路调整管调整管电路电路第49页/共84页3.3.输出电压的调节范围输出电压的调节范围2.稳压原理稳压原理UOU-UB UO UO U-UB UO引入了负反馈引入了负反馈第50页/共84页4.调整管的选择调整管的选择参数确定：参数确定：调整管一般为大功率管，选择时主要调整管一般为大功率管，选择时主要考虑三个极限参数：考虑三个极限参数：第51页/共84页例:设如图所示串联型直流稳压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为UZ7V，采样电阻R1=3K，R2=2K,R3=3K,试估算输出电压的调节范围。解：第52页/共84页解：因此,稳压电路输出电压的调节范围是(11.218.7V)。例:设如图所示串联型直流稳压电路中,稳压管为2CW14,其稳定电压为UZ7V，采样电阻R1=3K，R2=2K,R3=3K,试估算输出电压的调节范围。第53页/共84页调整管的选择调整管的选择 例：如图,要求输出电压UO=(1015V),负载电流IL=(0100)mA,已选定基准电压的稳压管为2CW1,其稳定电压UZ=7V,IZmin=5mA,IZmax33mA。若选用3DD2C,其主要参数:ICM=0.5A,U(BR)CEO=45V,PCM=3W。假设采样电阻总的阻值选定为2k左右,则R1、R2、R3三个电阻分别为多大？第54页/共84页解：因故取故则取(电位器)则取第55页/共84页 在确定了采样电阻R1R2R3的阻值以后再来验算输出电压的变化范围是否符合要求,此时 输出电压的实际变化范围为 ,所以符合给定的要求。估算电源变压器副边电压的有效值U2；解：稳压电路的直流输入电压的有效值为第56页/共84页取 ，则变压器副边电压的有效值为 估算基准稳压管的限流电阻R的阻值；解：基准电压支路中的电阻R的作用是保证稳压管VDZ的工作电流比较合适,通常使稳压管中的电流略大于其最小参考电流值IZmin。可认为故基准稳压管的限流电阻应为第57页/共84页 验算稳压电路中的调整管是否安全。解：根据稳压电路的各项参数,可知调整管的主要技术指标应为 已知低频大功率三极管3DD2C的ICM0.5A，U(BR)CEO=45V,PCM=3W,可见调整管的参数符合安全的要求,而且留有一定的余地。第58页/共84页 三、集成三端稳压器 集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系列(输出正电压)和79系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。第59页/共84页1.调整管 当电网电压或负载电流波动时,调整自身的集射压降使输出电压基本保持不变。集成三端稳压器(集成的稳压电源)框图第60页/共84页2.放大电路 将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较,然后再放大并送到调整管的基极。第61页/共84页集成三端稳压器的组成集成三端稳压器的组成3.基准电源 采用能带间隙式基准源,具有低噪声、低温漂的特点,在单片式大电流集成稳压器中广泛应用。第62页/共84页集成三端稳压器的组成集成三端稳压器的组成4.采样电路 由两个分压组成,它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端。第63页/共84页集成三端稳压器的组成集成三端稳压器的组成5.启动电路 在刚接通直流输入时使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流,当稳压电路正常工作时断开启动定路,以免影响稳压电路的性能。第64页/共84页集成三端稳压器的组成集成三端稳压器的组成6.保护电路 在W7800系列三端集成稳压器中,已将三种保护电路集成在芯片内部,它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。第65页/共84页集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器的应用电路注意：输入电压UI一般应比输出电压端UO高2-3V以上。C1、C2的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的瞬态响应。(1)基本电路第66页/共84页 集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器的应用电路 若输出电压比较高，应在输入端与输出端之间跨接一个保护二极管VD，在输入端短路时，使CO通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部的调整管。(1)基本电路第67页/共84页 集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器的应用电路 负载所需的大电流由大功率三极管提供。(2)扩大输出电流 二极管VD补偿了温度对三极管UBE的影响,使输出电压稳定。电容C2的作用是滤调二极管VD两端的脉动电压，以减小输出电压的脉动成分。第68页/共84页 集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器的应用电路(3)提高输出电压 利用电阻来提升输出电压。假设流过电阻R1、R2的电流比三端集成稳压器的静态电流I大很多,则可认为即输出电压为第69页/共84页 集成三端稳压器的应用电路集成三端稳压器的应用电路(4)使输出电压可调 集成运放接成电压跟随形式，它的输出电压UA等于某输入电压，即即由图可得第70页/共84页 923开关型稳压电源 1.串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%60%)，且需要庞大的散热装置。(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。第71页/共84页(1)、能否让调整管工作在开关状态？导通时，电流大而管压降小；截止时，管压降高而电流趋于零。因此，总功耗很小，大大提高了效率(一般可达8090)。(2)、能否省去低频工作的电源变压器?改用高频变压器(工作频率提高到几十kHz)，从而大大减小电源的体积和重量。开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。2 2 改进思路改进思路第72页/共84页开关调整管脉冲调制比较放大滤波电路采样电路基准电压+-UIUO+-图图 开关型稳压电路框图开关型稳压电路框图第73页/共84页电路结构1与串联反馈式稳压电路相比，增加了LC滤波电路、三角波发生器和比较器C组成的控制电路。第74页/共84页脉冲宽度调制式开关型稳压电路1二、工作原理当 ut uA 时，uB=+UOPP，调整管饱和导通，iE 向负载提供电流，并将能量储存在电感的磁场中；当 ut uA 时，uB=-UOPP，调整管截止，iE=0，电感释放能量，产生的电流流过负载和二极管。图图 1第75页/共84页结论：调整管处于开关状态，发射极电位是高低交替的脉冲波形，经 LC 滤波电路后，负载上得到较平滑的输出电压互感器 uO。图图1 电路的波形图电路的波形图第76页/共84页1 1、首首先先，将将电电网网电电压压(220V(220V、50Hz)50Hz)不不经经电电源源变变压压器器降降压压而而直直接接整整流流成成直直流流高压高压(一次整流，一次整流，ACDCACDC，输出一般为，输出一般为300300多伏多伏),),作为开关管的电源电压。作为开关管的电源电压。2 2、开开关关管管在在控控制制电电路路作作用用下下，时时而而导导通通时时而而截截止止，这这样样又又将将直直流流高高压压“斩斩波波”成成交交流流方方波波(这这就就是是DCACDCAC，即即所所谓谓的的逆逆变变器器)。斩斩波波电电压压经经一一个个高高频频小小变压器隔离、降压，并经二次整流后即可得到所需的直流电压。变压器隔离、降压，并经二次整流后即可得到所需的直流电压。脉冲宽度调制式开关型稳压电路2第77页/共84页4 4、例如，电网电压不稳使、例如，电网电压不稳使输出直流输出直流电压电压U Uo o增大，经光耦合器隔离，误差增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压减小。该电压(Uc+)(Uc+)与与Uc-Uc-的三角波比的三角波比较结果，会使其输出电压较结果，会使其输出电压(U(UG G)的的占空占空比减小，比减小，如图虚线所示，从而使如图虚线所示，从而使VMOSVMOS导通时间减小，经二次整流后取出方导通时间减小，经二次整流后取出方波的平均值波的平均值(U(Uo o)将随之减小。将随之减小。3 3、输输出出电电压压U Uo o分分压压后后，经经光光耦耦合合(隔隔离离)到到误误差差放放大大器器反反相相端端，与与同同相相端端基基准准电电压压比比较较放放大大后后，输输出出至至比比较较器器C C的的输输入入端端。比比较较器器C C另另一一输输入入端端接接三三角角波波振振荡荡器器的的输输出出，二二者者比比较较后后得得到到频频率率相相同同而而占占空空比比可可调调的的脉脉冲冲波波(这这一一过过程程称称脉脉宽宽调调制制)。该该脉脉冲冲波波加加至至功功率率VMOSVMOS管管栅栅极极，控控制制导导通通和和截截止止的的时时间间比比，从从而而控控制制变变压压器器输输出出交交流流波波形形的的平平均均值，最终达到稳压的目的。值，最终达到稳压的目的。第78页/共84页由以上分析可以得出如下结论：由以上分析可以得出如下结论：1 1调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高。调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高。2 2为得到直流输出，必须在输出端加二次整流滤波器。为得到直流输出，必须在输出端加二次整流滤波器。3 3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值。可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值。4 4可以省去电源变压器。可以省去电源变压器。5 5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。第79页/共84页一个实际的开关稳压电源一个实际的开关稳压电源的电原理图的电原理图第80页/共84页 该电路的一次整流电路包括电源噪声滤波器PNF(用来滤除射频干扰)、桥式整流和RC滤波电路，输出+300V直流电压(ACDC)。该电压一方面加到高频变压器Nl到功率管VMOS(IRFPG407)漏极，另一方面经电阻R2(120k)降压成+16V，给脉宽调制器UC3842提供启动电压。脉宽调制器的输出经电阻R7、R8分压送至VMOS管栅极，控制VMOS的导通或截止，完成斩波功能(DCAC，逆变)。图中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9，构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD4为输出整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。第81页/共84页 高频方波经变压器耦合到N3，再经二次整流滤波(VD4、C10)得到稳定的5V直流电压。该稳压电源的输出电流最大为7A，功率为35W。该电路的负反馈与稳压过程如下：变压器绕组N2为逆变后的输出交流电压的采样绕组，其作用有两个：一是N2绕组电压经二极管VDl整流和电容C2、C3滤波后，作为脉宽调制器UC3842的正常供电电压；二是该电压经R3、R4分压，反馈到UC3842的2端作为比较信号。2端即脉宽调制器中误差放大器的反相端，该端电压与内部基准电压比较后以控制脉宽调制的占空比，从而达到稳压的目的。该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。第82页/共84页第9章结 束第83页/共84页84感谢您的观看。第84页/共84页
