直流电源模电课程.pptx

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1、(8-1)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。10.1 直流电源的组成及各部分的作用第1页/共73页(8-2)整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。10.2 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

2、为无穷大。第2页/共73页(8-3)10.2.1 整流电路的分析方法及其基本参数u2 0 时，二极管导通。iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：uo=u2一、工作原理第3页/共73页(8-4)u1u2aTbDRLuoiL=0u20 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3Bu20 时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB桥式整流仿真第11页/共73页(8-12)图10.2.5 单相桥式整流电路的习惯画法第12页/共73页(8

3、-13)几种常见的硅整流桥外形：+A C -+-+-第13页/共73页(8-14)1.整流输出电压平均值Uo（AV）3.二极管电流的平均值ID（AV）三、主要参数2.输出电流平均值Io（AV）第14页/共73页(8-15)4.反向峰值电压 二极管截止时两端承受的最大反向电压：用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得:5.脉动系数S第15页/共73页(8-16)四、二极管的选择第16页/共73页(8-17)10.2.3 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：uo(3)二极管上的平

4、均电流：第17页/共73页(8-18)10.3 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。第18页/共73页(8-19)10.3.1 电容滤波电路以单相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+第19页/共73页(8-20)au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+1.RL未接入时(忽略整流电路内

5、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仿真第20页/共73页(8-21)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+仿真第21页/共73页(8-22)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+第22页/共73页(8-23)二、输出电压平均值图10

6、.3.3 电容滤波电路输出电压 平均值的分析第23页/共73页(8-24)根据相似三角形可得第24页/共73页(8-25)当当三、脉动系数第25页/共73页(8-26)u2t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。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角较小。四、整流二极管的导通角uot整流电路的输出电流iD第26页/共73页(8-27)五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性结论：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。输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变,Uo 和S 也随

7、之改变。如:RL 愈小(IL 越大),Uo下降多,S 增大。第27页/共73页(8-28)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：u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：负载上的电压：+u1u2+D1C2C1D2uoRL10.3.2 倍压整流电路图10.3.6 二倍压整流电路第28页/共73页(8-29)+二、多倍压整流电路+u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：u2的第一个负半周：u2、C2、D2、C1构成回路，C2充电到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6第29页/共73页(

8、8-30)+C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2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：u2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：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30页/共73页(8-31)10.3.3 其它形式的滤波电路一、电感滤波电路图10.3.8 单相桥式整流电感滤波电路电路结构: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。第31页/共73页(8-32)1、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

9、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：2、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。第32页/共73页(8-33)电感滤波后的输出电压平均值为输出电压的交流分量为第33页/共73页(8-34)二、复式滤波电路图10.3.9 复式滤波电路三、各种滤波电路的比较（见表10.3.1）第34页/共73页(8-35)10.4 稳压二极管稳压电路稳压管稳压电路开关型稳压电路串联型稳压电路常用稳压电路(小功

10、率设备)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。第35页/共73页(8-36)10.4.1 稳压管稳压电路的组成图10.4.1 稳压二极管组成的稳压电路第36页/共73页(8-37)图10.4.2 稳压管的伏安特性第37页/共73页(8-38)10.4.2 稳压原理UIUO(UZ)IDZIR电网电压变化时的稳压过程：电网电压URUOUO(UZ)IDZIR电网电压UIURUO第38页/共73页(8-39)UO(UZ)IDZIR负载变化RLILIRIR基本不变第39页/共73页(8-40)10.4.3

11、稳压管稳压电路的性能指标一、稳压系数 Sr 稳压系数Sr反映电网电压波动时对稳压电路的影响。定义为当负载固定时，输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。二、输出电阻Ro 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响。定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比。它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻。第40页/共73页(8-41)图10.4.3 稳压管稳压电路的交流等效电路第41页/共73页(8-42)第42页/共73页(8-43)10.4.4 电路参数的选择选择元件要求知道：输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax(或RLmax和RLmin),输入电压UI

12、的波动范围（一般为10）。1.稳压电路输入电压UI的选择2.稳压管的选择第43页/共73页(8-44)3.限流电阻R的选择第44页/共73页(8-45)10.5串联型稳压电路10.5.1串联型稳压电路的工作原理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。一、基本调整管电路第45页/共73页(8-46)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

13、。第46页/共73页(8-47)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+二、具有放大环节的串联型稳压电路1.电路的构成第47页/共73页(8-48)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。第48页/共73页(8-49)T+_UIUO比较放大基 准取

14、样URFUO+_C2RL调整元件+因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度电压串联负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路。第49页/共73页(8-50)一种实际的串联型稳压电源2.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+_+_UIUB2UCE1第50页/共73页(8-51)3.输出电压的可调范围R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2第51页/共73页(8-52)4.调整管的选择R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2第52页/共73页

15、(8-53)三、影响稳压特性的主要因素 2.流过稳压管的电流随 UI 波动，使UZ 不稳定，降低了稳压精度。1.电路对电网电压的波动抑制能力较差。例：UIUC2 Uo 3.温度变化时，T2组成的放大电路产生零点漂移，时输出电压的稳定度变差。第53页/共73页(8-54)四、改进措施在运放理想条件下:1.选用差动放大器或运放构成的放大器代替T2管构成的放大器，可以解决零点漂移的问题。串联反馈式稳压电路UITR1R2UFRLUoAV+-RWRUZ第54页/共73页(8-55)2.采用辅助电源(比较放大部分的电源)。3.用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益。4.调整管采用复合三极管以扩大输出电流的范

16、围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2第55页/共73页(8-56)图10.5.5 稳压管基准电压电路10.5.2集成稳压器中的基准电压电路和保护电路一、基准电压电路1.稳压管基准电压电路第56页/共73页(8-57)2.能隙基准电压电路图10.5.7 能隙基准电压电路第57页/共73页(8-58)1.限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至于过大。二、保护电路为避免使用中因某种原因输出短路或过载致使调整管流过很大的电流，使之烧坏故需有快速保护措施。常见保护电路有两类1.过流保护电路第58页/共73页(8-59)图10.

17、5.8 限流型过流保护电路及其输出特性ILR0为一小电阻，用于检测负载电流。第59页/共73页(8-60)当IL不超过额定值时，T1截止；当IL超过额定值时，T1导通，其集电极从T1的基极分流。第60页/共73页(8-61)2.截流型:过流时使调整管截止或接近截止。T1T2RLUO+_+UI+_R2R1R3R4输出电流在额定值以内时：三极管T2截止，这时，电压负反馈保证电路正常工作。UO U+UO UB1 第61页/共73页(8-62)输出电流超出额定值时：因输出电压降低，三极管T2逐渐导通，U+，稳压管截止，电压负反馈被切断。这样U+UB1 UC1(=UO)UB2 IC2 U+T1T2RLU

18、O+_+UI+_R2R1R3R4最终UO降低到零。第62页/共73页(8-63)七、串联反馈式稳压电路缺点损耗(P=UCE IL)大电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低为了提高效率，可采用开关型稳压电源。调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:第63页/共73页(8-64)9.6 集成稳压电源随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的

19、硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。第64页/共73页(8-65)1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形123第65页/共73页(8-66)注：型号后XX两位数字代表输出电压值输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。三端集成稳压器固定式可调式正稳压W78XX负稳压W79XX9.6.1 集成稳压电源的分类第66页/共73页(8-67)一、输出为固定电压的电路9.6.2 应用电路输出为固定正压时的接法如图所示。注意：输入与输出端之间的电压不得低于3V！+_W7800

20、系列稳压器 基本接线图CoW7800CIUI+_Uo1320.11F1F第67页/共73页(8-68)二、输出正负电压的电路正负电压同时输出电路W78XXCIUI+_UO132+_CIW79XX13COCO2UO第68页/共73页(8-69)COW78XXCIUI+_+_UO132UXXUZRDZUXX:为W78XX固定输出电压 UO=UXX+UZ三、提高输出电压的电路第69页/共73页(8-70)四、输出电压可调式电路用三端稳压器也可以实现输出电压可调，下图是用W7805组成的730V可调式稳压电源。W7805132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1第70页/共73页(8-71)(UXX=5V)运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低，可以克服稳压器受输出电流变化的影响。132R1CICoUI76234UoR2F0070.3333V10k0.1W7805Uo1第71页/共73页(8-72)第十章 结束模拟电子技术基础第72页/共73页(8-73)感谢您的观看！第73页/共73页