第11章 直流电源模拟电子技术(第三版)教学课件.ppt
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1、模 拟 电 子 技 术第第1111章章 直流电源直流电源11.1概述概述11.2整流电路整流电路小结小结11.3滤波电路滤波电路11.4稳压电路稳压电路11.5三端稳压电路三端稳压电路11.6开关稳压电路开关稳压电路模 拟 电 子 技 术本章学习要求1.掌握直流电源的组成;2.直流电源的技术参数;3.能够根据负载要求,进行小功率直流电源设计;4.能够根据交变信号特征和直流电源的技术指标设计滤波电路;5.深刻理解具有放大环节的串联稳压电路的工作原理,确定电压调节范围;6.能够熟练应用三端集成稳压电源模块设计直流电源;7.深刻理解开关式直流电源工作原理;8.能够正确选择、安全使用稳压电源模块。模
2、拟 电 子 技 术11.1概述概述1 1)传统直流电源)传统直流电源组成组成变压变压交交流流电电源源Otu220 VOtu合适的合适的交流电压交流电压整流整流Otu单向单向脉动电压脉动电压滤波滤波Otu滤滤 波波稳压稳压负负载载Otu稳稳 压压模 拟 电 子 技 术2 2)开关型直流电源)开关型直流电源小型高频小型高频变压变压器器整流整流Otu滤波滤波Otu交交流流电电源源Otu220 V整流整流DC/AC 高频斩波器整流整流传统直流传统直流 电源电源反馈反馈控制控制Otu模 拟 电 子 技 术11.2整流电路整流电路 11.2.1 基本概念基本概念 11.2.2 单相半波整流电路单相半波整流
3、电路11.2.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路11.2.4 倍压整流电路倍压整流电路模 拟 电 子 技 术 11.2.1 基本概念基本概念 整流电路的任务是利用二极管的单向导整流电路的任务是利用二极管的单向导电性电性把正、负交变的把正、负交变的不含直流分量的不含直流分量的电电压压信号信号变成单方向变成单方向含有含有直流直流分量分量的的脉动脉动电压。电压。整流电路有整流电路有单相整流单相整流,属于小功率整流,属于小功率整流(通常指由单相交流电源供电,功率在一千(通常指由单相交流电源供电,功率在一千瓦以内),其中包括瓦以内),其中包括半波整流、全波整流、半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流桥
4、式整流、倍压整流等。另外还有等。另外还有三相整流三相整流(属于大功率整流)及多相整流(属于大功(属于大功率整流)及多相整流(属于大功率整流)。率整流)。模 拟 电 子 技 术周期半波余弦信号周期半波余弦信号的傅里叶级数的傅里叶级数:此信号的频谱只包含直流、基波及偶次谐波分量,谐波的幅度此信号的频谱只包含直流、基波及偶次谐波分量,谐波的幅度以以1/n1/n2 2的规律收敛。的规律收敛。模 拟 电 子 技 术11.2.2 单相半波整流电路单相半波整流电路1)电路原理电路原理 tO 2 3 u2 tO 2 3 uO tO 2 3 iD=iO tO 2 3 uDRL220 V+uu2iD+uD模 拟
5、电 子 技 术2)主要参数主要参数(1)输出电压平均值)输出电压平均值(2)输出电流平均值)输出电流平均值(3)脉动系数)脉动系数(直流分量(直流分量/基波分量)基波分量)模 拟 电 子 技 术3)二极管极限参数选择二极管极限参数选择(1)最大整流平均电流)最大整流平均电流(2)最高反向工作电压)最高反向工作电压 tO 2 3 uDRL220 V+uu2iD+uD模 拟 电 子 技 术【例【例11-1】在单向半波整流电路中,已知变压器副边电压有效值在单向半波整流电路中,已知变压器副边电压有效值=30V,负载,负载电阻电阻=100,试问,试问:(1)负载电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少负载
6、电阻上的电压平均值和电流平均值各为多少?(2)一般工程上允许)一般工程上允许电网电压波动范围是电网电压波动范围是10%,二极管承受的最大反向电,二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少压和流过的最大电流平均值各为多少?解:(1)负载电阻上电压平均值 0.45=0.4530V=13.5V 流过负载电阻的电流平均值(2)二极管承受的最大反向电压 二极管流过的最大平均电流模 拟 电 子 技 术V3RLV4V2V1u1u2ioRLV4V3V2V1+uo u2u111.2.3 单相桥式单相桥式(全波全波)整流电路整流电路1 1)工作原理工作原理+uo 输入正半周输入正半周 tO 2 3 u
7、O输入负半周输入负半周 tO 2 3 uD模 拟 电 子 技 术 波形波形 tO tO tO tO 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD=iO模 拟 电 子 技 术周期全波余弦信号的傅里叶级数周期全波余弦信号的傅里叶级数余弦信号为余弦信号为其傅里叶级数表达式为:其傅里叶级数表达式为:全波余弦信号为:全波余弦信号为:模 拟 电 子 技 术2)参数估算参数估算1)整流输出电压平均值整流输出电压平均值 to to to to 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD=iO2)2)整流输出电流平均值整流输出电流平均值3)3)脉动系数脉动系数(直流分量直流分量/基波分量基
8、波分量)模 拟 电 子 技 术(1)最大整流平均最大整流平均电流电流(2)最高反向工作电压最高反向工作电压3)二极管极限参数选择二极管极限参数选择 to to to to 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD=iO一般工程上允许一般工程上允许电网电压波动范围是电网电压波动范围是10%:模 拟 电 子 技 术4)简化画法简化画法+uo RLio+u2 5)整流桥整流桥(桥堆)(桥堆)把四只二极管封装把四只二极管封装在一起称为整流桥在一起称为整流桥(桥堆桥堆)模 拟 电 子 技 术【例【例11-3】某电子装置要求电压值为15V的直流电源,已知负载电阻等于100 ,试问:(1)如果
9、选用单相桥式(全波)整流电路,则变压器副边电压应为多大?整流二极管的正向平均电流最大反向峰值电压等于多少?输出电压的脉动系数S等于多少?如果市电波动10%,如何考虑(自行计算)?(2)如果改用单相半波整流电路,则 ,和 S各是多少?解:1、由电路条件可知:根据给定条件,可得输出直流电流为:则:可选择标称变压器220V/24V模 拟 电 子 技 术此时脉动系数为:2)如改用单相半波整流电路,则 模 拟 电 子 技 术利用桥式整流电路实现正、负电源 正半周:正电源Uo1:A(+)VD1导通,VD2截止RL1地(变压器中心抽头)负电源Uo2:B(-)VD3导通,VD4截止RL2地(变压器中心抽头)负
10、半周:正电源Uo1:A(-)VD2导通,VD1截止RL1地(变压器中心抽头)负电源Uo2:B(+)VD4导通,VD3截止RL2地(变压器中心抽头)Otu模 拟 电 子 技 术三相整流电路及其波形三相整流电路及其波形 自行用自行用MUltiSIM仿真仿真三相整流三相整流电源电源 模 拟 电 子 技 术11.2.4 倍压整流电路倍压整流电路(高压直流发生器)(高压直流发生器)1二倍压整流电路二倍压整流电路2多倍压整流电路多倍压整流电路正半周:AVD1导通C1充电到幅值U2;负半周:BVD2导通,VD1截止C1+U2共同向C2充电到2U2模 拟 电 子 技 术11.3谐波谐波滤波电路滤波电路 11.
11、3.1 电容滤波电容滤波 11.3.2 其他滤波电路其他滤波电路模 拟 电 子 技 术io +uo=uc RLV1V4V3V2+u 11.3.1 电容滤波电路电容滤波电路1)电路和工作原理电路和工作原理CV 导通时给导通时给 C 充电,充电,V 截止时截止时 C 向向 RL 放电放电;滤波后滤波后 uo 的波形变得平缓,平均值提高。的波形变得平缓,平均值提高。模 拟 电 子 技 术2)波形及主要参数波形及主要参数当当 RL=时:时:O tuO 2 当当 RL 为有限值时:为有限值时:RC 越大越大 UO 越大越大RL=为获得良好滤波效果,一般取:为获得良好滤波效果,一般取:(T 为输入交流电压
12、的周期为输入交流电压的周期)(1)输出电压平均值输出电压平均值 io +uo=uc RLV1V4V3V2+u C模 拟 电 子 技 术(2)整流二极管的导通角)整流二极管的导通角加滤波电容后,只有当电容充电时,二极管才导通,因此,每只二极管的导通角都小于180o。而且,RC的值愈大,滤波效果愈好,导通角将愈小。二极管的导通角,流过二极管的瞬时电流大,故常串入一个限流电阻(1/25)RL。(3)脉动系数)脉动系数 模 拟 电 子 技 术(4)电容滤波电路的输出特性和滤波特性)电容滤波电路的输出特性和滤波特性(a)输出特性输出特性 (b)滤波特性)滤波特性 模 拟 电 子 技 术RC的物理意义模
13、拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术【例【例11-5】一个全波整流、电容滤波电路中U2=10V,C=1000uF,当RL=20欧时,试求UO(AV)和S的值,设整流管的压降和整流内阻可忽略。解:【例【例11-6】在图11-10(a)所示电路中,要求输出电压平均值负载电流平均值 。试问:(1)滤波电容的大小;(2)考虑到电网电压的波动范围为10,滤波电容的耐压值。解:(1)根据 可知,C的取值满足 的条件。模 拟 电 子 技 术 电容的容量为(2)变压器副边电压有效值为电容的耐压值为实际可选取容量为实际可选取容量为300uF、耐压为、耐压为25V的电容作本的电容作本电路的滤波电容。电路的滤波
14、电容。模 拟 电 子 技 术 例例11-7 单相桥式电容滤波整流,交流电源频率单相桥式电容滤波整流,交流电源频率 f=50 Hz,负载电阻负载电阻 RL=40 ,要求直流输出电压,要求直流输出电压 UO=20 V,选择,选择整流二极管整流二极管及及滤波电容。滤波电容。解解 1.选二极管选二极管电流平均值:电流平均值:承受最高反压承受最高反压:模 拟 电 子 技 术选二极管应满足:选二极管应满足:IF (2 3)ID可选:可选:2CZ55C(IF =1 A,URM =100 V)或或 1 A、100 V 整流桥整流桥2.选滤波电容选滤波电容可选可选:1 000 F,耐压,耐压 50 V 的电解电
15、容。的电解电容。模 拟 电 子 技 术基于纹波系数要求的设计方法(1)确定频率响应函数(2)计算基波衰减到满足纹波系数要求的电容、电感模 拟 电 子 技 术11.3.2 其他滤波器电路其他滤波器电路1.电感滤波电路电感滤波电路2.型滤波电路型滤波电路模 拟 电 子 技 术3.RC有源滤波电路有源滤波电路 4.LC滤波器滤波器模 拟 电 子 技 术5.LC-型滤波电路型滤波电路模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术11.4稳压电路稳压电路11.4.1 稳压电路的性能参数稳压电路的性能参数11.4.2稳压管稳压电路稳压管稳压电路11.4.3 串联型稳压电路串联型稳压电路模 拟 电 子 技 术
16、11.4.1 稳压电路的性能参数稳压电路的性能参数1)稳压系数稳压系数2 2)输输出出电电阻阻3 3)电压调电压调整率整率模 拟 电 子 技 术 4)电流调整率电流调整率 5)温度系数温度系数 6)纹波电压及纹波抑制比纹波电压及纹波抑制比 模 拟 电 子 技 术11.4.2稳压管稳压电路稳压管稳压电路1.稳压管稳压电路的组成及原理稳压管稳压电路的组成及原理模 拟 电 子 技 术复习:复习:稳压管稳压电路稳压管稳压电路稳压原理稳压原理UIUORRLIOIRIDZIR=IDZ+IOUO=UI IR R 负载电阻负载电阻RL不变,输入电压不变,输入电压UI变化时变化时 iZ/mAuZ/VO UZ I
17、Zmin IZmax UZ IZ IZ 当输入电压当输入电压UI不变,负载电阻不变,负载电阻RL变化时变化时(1)稳压原理)稳压原理模 拟 电 子 技 术 限流电阻的选择限流电阻的选择 UIUORRLIOIRIDZ稳压条件:稳压条件:当当UI=UImax,IO=IOmin时,时,IDZ最大,最大,则则R值必须足够大,以满足值必须足够大,以满足IDZ IZmax,即,即得得 模 拟 电 子 技 术 限流电阻的选择限流电阻的选择 UIUORRLIOIRIDZ得得 当当UI=UImin,IO=IOmax时,时,IDZ最小,则最小,则R值必须足够小,值必须足够小,以满足以满足IDZ IZmin,即,即
18、 因此,限流电阻因此,限流电阻R的选择必须满足:的选择必须满足:模 拟 电 子 技 术2)稳压管稳压电路的性能指标稳压管稳压电路的性能指标(1)稳压稳压系数系数(2)(2)内阻内阻()模 拟 电 子 技 术3)电路参数的选择电路参数的选择(1)稳压电路输入电压的选择)稳压电路输入电压的选择UI=(23)UO(2)稳压管的选择)稳压管的选择(3)限流电阻及其选择)限流电阻及其选择 模 拟 电 子 技 术取中间值模 拟 电 子 技 术解:(1)由已知条件知 可得 模 拟 电 子 技 术可取电阻R=200(2)再由给定条件可求得 则输出电阻为估算稳压系数时,取,则 模 拟 电 子 技 术11.4.3
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