模电第十章-直流电源.ppt

华成英 第十章 直流电源清华大学华成英 第十章 直流电源10.1 直流电源的组成直流电源的组成10.2 单相整流电路单相整流电路10.4 稳压管稳压电路稳压管稳压电路10.5 串联型稳压电路串联型稳压电路10.6 开关型稳压电路开关型稳压电路10.3 滤波电路滤波电路华成英 10.110.1 直流电源的组成直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用华成英 直流电源的组成及各部分的作用改变电压值改变电压值通常为降压通常为降压交流变脉交流变脉动的直流动的直流减小脉动减小脉动1)负载变化输出电压负载变化输出电压基本不变；基本不变；2)电网电压变化输出电网电压变化输出电压基本不变。电压基本不变。直流电源是能量转换电路，将直流电源是能量转换电路，将220V（或或380V）50Hz的的交流电转换为直流电。交流电转换为直流电。半波整流半波整流全波整流全波整流 在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动压波动10，且负载有一定的变化范围。，且负载有一定的变化范围。华成英 10.210.2 单相整流电路一、一、对整流电路要研究的问题对整流电路要研究的问题二、单相半波整流电路二、单相半波整流电路三、单相桥式整流电路三、单相桥式整流电路华成英 一、对整流电路要研究的问题1.电路的工作原理：即二极管工作状态、电路波形的分析：即二极管工作状态、电路波形的分析2.输出电压和输出电流平均值：即输出脉动直流电压和：即输出脉动直流电压和电流平均值的求解方法电流平均值的求解方法3.整流二极管的选择：即二极管承受的最大整流平均电流：即二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压的分析和最高反向工作电压的分析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。整流二极管的伏安特性：整流二极管的伏安特性：实际特性实际特性理想化特性理想化特性 理想二极管的正向导通理想二极管的正向导通电压为电压为0，即正向电阻为，即正向电阻为0；反向电流为；反向电流为0，即反，即反向电阻为无穷大。向电阻为无穷大。华成英 二、单相半波整流电路1.工作原理u2的正半周，的正半周，D导通，导通，ADRLB，uO=u2。u2的负半周，的负半周，D截止，承受反向电压，为截止，承受反向电压，为u2；uO=0。华成英 2.2.UO（AV）和 IL（AV）的估算 已知变压器副边电压有效值为已知变压器副边电压有效值为U2 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：，二极管的极限参数应满足：（3）二极管的选择）二极管的选择华成英 三、单相桥式整流电路u2的正半周的正半周 AD1RLD3B，uO=u2u2的负半周的负半周 B D2RLD4 A，uO=-u2四只管子如何接？四只管子如何接？集成的桥式整流电集成的桥式整流电路称为整流堆。路称为整流堆。1.工作原理若接反了呢？若接反了呢？华成英 2.输出电压和电流平均值的估算华成英 3.二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：，二极管的极限参数应满足：与半波整与半波整流电路对流电路对二极管的二极管的要求相同要求相同华成英 10.3 滤波电路一、电容滤波电路一、电容滤波电路二、电感滤波电路二、电感滤波电路三、倍压整流电路三、倍压整流电路华成英 一、电容滤波电路1.工作原理充电充电放电速度与正弦放电速度与正弦波下降速度相似波下降速度相似按指数规律下降按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。C 越大，越大，RL越大，越大，越大，越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。越小。考虑整流电路的内阻考虑整流电路的内阻华成英 2.二极管的导通角导通角导通角 无滤波电容时无滤波电容时。有滤波电容时有滤波电容时 ILmax ILmin（3）限流电阻的选择限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。保证稳压管既稳压又不损坏。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。为减小为减小Sr,取取值矛盾值矛盾!若求得若求得RminRmax，怎么办？，怎么办？若求得若求得R=200300，则该则该取接近取接近200还还是接近是接近300？为为什么？什么？华成英 讨论：稳压管稳压电路的设计：稳压管稳压电路的设计依次选择稳压管、依次选择稳压管、UI、R、C、U2、二极管二极管1.输出电压、负载电流输出电压、负载电流稳压管稳压管2.输出电压输出电压UI3.输出电压、负载电流、稳压管电流、输出电压、负载电流、稳压管电流、UI R4.UI、R 滤波电路的等效负载电阻滤波电路的等效负载电阻C5.UI U26.U2、R中电流中电流整流二极管整流二极管 已知输出电压为已知输出电压为6V，负载电流为，负载电流为030mA。试求图示电试求图示电路的参数。路的参数。华成英 10.3 串联型稳压电路一、一、基本调整管稳压电路基本调整管稳压电路二、二、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三、集成稳压器（三端稳压器）三、集成稳压器（三端稳压器）华成英 为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。稳压原理：电路引入稳压原理：电路引入电压负反馈电压负反馈电压负反馈电压负反馈，稳定输出电压。，稳定输出电压。一、基本调整管稳压电路 不管什么原因引起不管什么原因引起UO变化，都将变化，都将通过通过UCE的调节使的调节使UO稳定，故称晶体稳定，故称晶体管为调整管。管为调整管。若要提高电路的稳压性能，若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即提则应加深电路的负反馈，即提高放大电路的放大倍数。高放大电路的放大倍数。华成英 1.稳压原理：若由于某种原因使：若由于某种原因使UO增大增大2.输出电压的调节范围同相比例同相比例运算电路运算电路则则 UO UN UB UO二、具有放大环节的串联型稳压电路华成英 3.串联型稳压电路的基本组成及其作用调整管调整管取样电阻取样电阻调整管调整管调整管调整管：是电路的核：是电路的核心，心，UCE随随UI和负载和负载产生变化以稳定产生变化以稳定UO。比较放大比较放大基准电压基准电压基准电压基准电压基准电压基准电压：是：是UO的的参考电压。参考电压。取样电阻取样电阻取样电阻取样电阻：对对UO 的取样，与基准电压共同决定的取样，与基准电压共同决定UO。比较放大比较放大比较放大比较放大：将：将UO 的取样电压与基准电压比较后放大，决定的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。电路的稳压性能。华成英 4.串联型稳压电源中调整管的选择IEmaxIR1ILmax ILmax ICMUCEmaxUImax UOmin U(BR)CEO PTmax IEmax UCEmax UOmax+UCES 应取几个极限值求出的负载电流最大值中最小的那个应取几个极限值求出的负载电流最大值中最小的那个作为电源的性能指标作为电源的性能指标最大负载电流最大负载电流华成英 讨论二：关于实用串联型稳压电源的讨论：关于实用串联型稳压电源的讨论1.标出集成运放的同相输入端和反相输入端；标出集成运放的同相输入端和反相输入端；2.电路由哪些部分组成？电路由哪些部分组成？3.UI21V，R1 R2 R3300，UZ6V，UCES3V，UO？4.如何选取如何选取R和和R？限流型过流限流型过流保护电路保护电路输出电流输出电流取样电阻取样电阻华成英 讨论三：关于实用串联型稳压电源的讨论：关于实用串联型稳压电源的讨论5.取取样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？6.若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？7.根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。其电流应大于调整管的穿透电流其电流应大于调整管的穿透电流电路可能产生了自激振荡电路可能产生了自激振荡华成英 三、集成稳压器（三端稳压器）输出电压：输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：输出电流：1.5A（W7800）、）、0.5A（W78M00）、）、0.1A（W78L00）1.W7800系列（1）简介）简介华成英（2）基本应用消除高频噪声消除高频噪声使使Co不通过不通过稳压器放电稳压器放电抵销长线电感效应，抵销长线电感效应，消除自激振荡消除自激振荡 将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。载电阻，构成串类型稳压电路。华成英（3）输出电流扩展电路 为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。用射极输出器进行电流放大。很小很小三端稳压器的输出电压三端稳压器的输出电压若若UBE=UD，则，则二极管的作用：消除二极管的作用：消除UBE对对UO的影响。的影响。华成英（4）输出电压扩展电路IW为几为几mA，UO与三端与三端稳压器参数有关。稳压器参数有关。隔离作用隔离作用基准电压基准电压华成英 2.基准电压源三端稳压器 W117 输出电压输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。，调整端电流只有几微安。减小纹波电压减小纹波电压保护保护稳压器稳压器华成英 讨论三：W117的应用的应用1.R1的上限值为多少？的上限值为多少？2.UO可能的最大值为多少？可能的最大值为多少？3.输出电压最小值为多少？输出电压最小值为多少？4.UOmax30V，选取，选取R1、R2；5.已知电网电压波动已知电网电压波动10，输出电压最大值为，输出电压最大值为30V，UI至少取多少伏？至少取多少伏？决定于决定于IOmin两种情况：两种情况：1.已知已知UI 2.自己选取自己选取UI决定于决定于W117的输出的输出输入电压最低、输出电压最高时，输入电压最低、输出电压最高时，UIminUOmax3V。根据输出电压表达式根据输出电压表达式华成英 10.4 开关型稳压电路一、一、开关型稳压电路的特点和基本原理开关型稳压电路的特点和基本原理二、二、串联开关型稳压电路串联开关型稳压电路三、三、并联开关型稳压电路并联开关型稳压电路华成英 一、开关型稳压电源的特点及基本原理 线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（因而功耗大，效率低（2049）；需加散热器，因而）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。设备体积大，笨重，成本高。若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达效率，开关型稳压电源的效率可达7095。体积小，。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。场合。华成英 构成开关型稳压电源的基本思路:将交流电经变压器、整流滤波得到直流电压将交流电经变压器、整流滤波得到直流电压 控制调整管按一定频率开关，得到矩形波控制调整管按一定频率开关，得到矩形波 滤波，得到直流电压滤波，得到直流电压引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。ACDCACDC华成英 二、串联开关型稳压电路 T截止，截止，D导通，导通，uE UD；L 释放能释放能量，量，C 放电。放电。T、D 均工作在开关状态。均工作在开关状态。T饱和导通，饱和导通，D截止，截止，uE UI；L 储能，储能，C 充电。充电。uBUH时时uBUL时时1.电路组成及工作原理华成英 2.波形分析及输出电压平均值关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。华成英 3.稳压原理脉冲宽度调制式：脉冲宽度调制式：PWM电路作用：电路作用：UO Ton UO 其它控制方式：其它控制方式：脉冲频率调制式：脉冲频率调制式：UO T（脉宽不变）（脉宽不变）UO 混合调制式：混合调制式：UO T Ton UO 在串联开关型稳压电路中在串联开关型稳压电路中 UO UI，故为降压型电路。故为降压型电路。华成英 三、并联开关型稳压电路（升压型）T截止，截止，L产生感生电产生感生电动势，动势，D导通；导通；UI与与L所所产生的感生电动势相加对产生的感生电动势相加对C 充电。充电。T饱和导通，饱和导通，L 储能，储能，D截止，截止，C 对负载放电。对负载放电。uBUH时时uBUL时时 要研究调整管在饱和导通和要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况。截止状态下电路的工作情况。1.工作原理华成英 2.输出电压 只有只有L足够大，才能升足够大，才能升压；只有压；只有C足够大，输出电足够大，输出电压交流分量才足够小压交流分量才足够小!在周期不变的情况下，在周期不变的情况下，uB占空比越大，输出电压平均占空比越大，输出电压平均值越高。值越高。华成英 讨论1.1.什么样的电子设备适于用开关型稳压电源作什么样的电子设备适于用开关型稳压电源作能源？能源？2.2.在开关型稳压电源中，调整管的开关信号频在开关型稳压电源中，调整管的开关信号频率高些好还是低些好？为什么？率高些好还是低些好？为什么？3.3.在开关型稳压电源中是否可不用电源变压器在开关型稳压电源中是否可不用电源变压器而直接进行整流？为什么？而直接进行整流？为什么？4.4.如何使开关型稳压电路输出电压有较小的调如何使开关型稳压电路输出电压有较小的调节范围？节范围？