直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作.ppt

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作,課程設(shè)計(jì),主要討論直流穩(wěn)壓電源的基本組成及工作原理，然后介紹串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路和開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路，最后按要求完成直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作,內(nèi)容提要,在電子電路和電氣設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，直流電源可分為兩大類，一類是化學(xué)電源，如各種各樣的干電池、蓄電池、充電電池等電源；其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、攜帶方便等，缺點(diǎn)是成本高，易污染。另一類是穩(wěn)壓電源，它是把交流電網(wǎng)220V的電壓降為所需要的數(shù)值，然后通過整流、濾波和穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定的直流電壓，這是現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用比較廣泛的一類。,引言,直流穩(wěn)壓電源,直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路,第一節(jié)直流穩(wěn)壓電源的基本組成及工作原理,一、直流穩(wěn)壓電源的組成二、直流電源各部分原理三、直流穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo),一、直流穩(wěn)壓電源的組成,直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成。,VO,VI,功能,作用,交流電壓變換部分,將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?將直流電源與交流電網(wǎng)隔離,二、直流穩(wěn)壓電源各部分原理,電源變壓器,1、電源變壓器,電源變壓器,電源變壓器,仿真一：電源變壓器的基本特性1、要求：電源變壓器：10：1，200V/50Hz負(fù)載電阻：100歐，示波器2、仿真電路：,電源變壓器,3、回答問題：變壓器初級(jí)輸出電壓幅值約為V變壓器次級(jí)輸出電壓幅值約為V初級(jí)繞組輸入電壓與次級(jí)繞組輸出電壓之比約為：。注：理想變壓器滿足：I1/I2=U2/U1=N2/N1（P1=P2）,電源變壓器,問題,變壓器是否可以進(jìn)行直流變壓？是否可以用電位器來變壓？變壓器的輸出功率與輸入功率關(guān)系是怎樣？,電源變壓器,2、整流部分,作用：將變換后的交流電壓轉(zhuǎn)換為單方向的脈動(dòng)電壓。(ACDC)說明：1、單方向的脈動(dòng)電壓存在很大脈動(dòng)成份，不能直接提供給負(fù)載。2、脈動(dòng)諧波成份紋波,整流電路,技術(shù)：二極管的單向?qū)щ娦噪娐沸问剑喊氩ㄕ魅ㄕ鳂蚴秸?整流電路,整流電路,1、電路圖：如圖所示，利用二極管的單向?qū)щ娦?，在?fù)載電阻RL上得到單向脈動(dòng)電壓VO,整流：利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流變成脈動(dòng)的直流,2、電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓波動(dòng)較大、效率低,輸出的直流電壓值為:,整流電路,3、工作原理：U2為正半周：D管導(dǎo)通，有輸出電壓；U2為負(fù)半周：D管截止，無輸出電壓,輸出的直流電壓值為:,整流電路,仿真二：半波整流電路1、要求：二極管（理想）1只2、仿真電路：,整流電路,3、觀察并回答問題：二極管輸入電壓是（雙極性/單極性）電路輸出電壓是（雙極性/單極性）輸出電壓的波形是（全波/半波）輸出電壓與輸入電壓的幅值相比（基本相等/相差很大）,整流電路,4、參數(shù)計(jì)算,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO=UO/RL=0.45U2/RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF=IDO=0.45U2/RL,（4）整流二極管的最大反向電壓:,UDR=SQR（2）U2,整流電路,5、二極管的選擇：（1）D管的最大整流電流IF必須大于實(shí)際流過二極管的平均電流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URMURURM=SQR（2）U2,整流電路,1、電路圖：如圖所示，二極管D1、D2分別在V2的正、負(fù)半周導(dǎo)通，在RL上得到如圖所示電壓波形。,整流電路,2、電路特點(diǎn)：是輸出電壓波動(dòng)小，變壓需中心抽頭，繞制復(fù)雜，成本高，笨重,整流電路,3、工作原理：在U2正半周：D1導(dǎo)通、D2管截止，負(fù)載中有電流流過；在U2負(fù)半周：D1截止、D2管導(dǎo)通，負(fù)載中有電流流過。,整流電路,仿真三：單相全波整流電路1、要求：二極管（理想）2只2、仿真電路：,整流電路,3、觀察并回答問題：全波整流電路的輸出電壓波形并記錄。輸出電壓是（雙極性/單極性）輸出電壓是（全波/半波）輸出電壓與輸入電壓的幅值相比是（基本相等/相差很大）,整流電路,4、參數(shù)計(jì)算：,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO=UO/RL=0.9U2/RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF=IDO/2=0.45U2/RL,（4）整流二極管的最大反向電壓:,UDR=2SQR(2)U2,整流電路,5、二極管的選擇：（1）D管的最大整流電流IF必須大于實(shí)際流過二極管的平均電流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URMURURM=2SQR(2)U2,整流電路,1、電路圖：如圖所示，二極管D1、D2、D3、D4四只二極管接成電橋的形式，名稱由此而來。,整流電路,2、工作原理：在V2的正半周，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，通過D1、D3給RL提供電流，方向由上向下（圖中虛線)；在V2的負(fù)半周，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，通過D2、D4給RL提供電流，方向仍然是由上向下（圖中虛線）由此得到圖示的整流波形,整流電路,3、波形圖,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,Vo的大小與全波整流電路相同，即:,整流電路,仿真四：橋式整流電路1、要求：整流橋（理想）1只。2、仿真電路：,整流電路,3、觀察并回答問題：橋式整流電路的輸出電壓波形并記錄。輸出電壓是（雙極性/單極性）輸出電壓是（全波/半波）輸出電壓與輸入電壓的幅值相比是（基本相等/相差很大）如何用次級(jí)帶中心抽頭變壓器輸出正、負(fù)兩種極性的電壓？,整流電路,4、參數(shù)計(jì)算：,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO=UO/RL=0.9U2/RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF=IDO/2=0.45U2/RL,（4）整流二極管的最大反向電壓:,UDR=U2,整流電路,5、整流二極管的選擇：（1）D管的最大整流電流IF必須大于實(shí)際流過二極管的平均電流IDO：IFIDO=ULO/RL=0.45U2/RL（2）D管的最大反向工作電壓UR必須大于二極管實(shí)際所承受的最大反向峰值電壓URMURURM=SQR（2）U2,整流電路,3、濾波電路,作用：對(duì)整流電路輸出的脈動(dòng)直流進(jìn)行平滑，使之成為含交變成份很小的直流電壓。說明：1、濾波電路實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器。2、截止頻率低于整流輸出電壓的基波頻率,濾波電路,電路形式：,一、電容濾波二、電感濾波三、L型濾波電路四、型濾波電路,濾波電路,（1）電容濾波電路,盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動(dòng)較大，仍然不能直接作為電源使用，還需進(jìn)一步濾波，將其中的交流成份濾掉。濾波通常是采用電容或電感的能量存儲(chǔ)作用來實(shí)現(xiàn)的常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、倒L型濾波、型濾波等幾種。在小功率整流濾波電路中，電容濾波是最常用的一種，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，效果較好。本節(jié)中只介紹電容濾波電路。電感濾波電路主要用于大電路中，其他濾波電路自行分析。,濾波電路,電容濾波電路,（1）橋式整流、電容濾波電路如圖所示,1,電路組成：,濾波電路,（2）電容濾波的原理：電容是一個(gè)能儲(chǔ)存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時(shí)，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量。,電容濾波電路,1,電路組成：,濾波電路,（1）負(fù)載未接入（開關(guān)S斷開）時(shí)：設(shè)電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)V2為正半周時(shí)，V2通過D1、D3向電容C充電；V2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2、D4向電容C充電。充電時(shí)間常數(shù)為：C=RintC,t,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,（1）其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值V2，由于電容無放電回路，故輸出電壓（電容C兩端的電壓)保持在V2不變。,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,電容濾波電路,2,工作原理：,（2）.1接入負(fù)載RL（開關(guān)S合上）時(shí)：設(shè)變壓器副邊電壓V2從0開始上升時(shí)接入RL，由于電容已到V2，故剛接入負(fù)載時(shí)，V2VC，二極管在反向電壓作用下而截止，電容C經(jīng)RL放電，放電時(shí)間常數(shù)為：d=RLC。因d一般較大，故電容兩端電壓Vc(即Vo)按指數(shù)規(guī)律慢下降（圖中a,b段）,濾波電路,電容濾波電路,2,工作原理：,（2）.2當(dāng)V2升至V2VC時(shí)，二極管D1、D3在正向電壓作用下而導(dǎo)通，此時(shí)V2經(jīng)D1、D3一方面向RL提供電流，一方面向C充電（接入RL后充電時(shí)間常數(shù)變?yōu)镃=RL/RintCRintC）。VC將如圖中b、c段所示,濾波電路,（2）.3當(dāng)V2又降至V2VC時(shí)，二極管又截止，電容C又向RL放電，如圖中c、d段所示.電容如此周而復(fù)始充放電，就得到了一個(gè)如圖所示的鋸齒波電壓Vo=VC，由此可見輸出電壓的波動(dòng)大大減小。,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,（2）.4為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取d=RLC(35)T/2(T為交流電周期20ms)此時(shí)：Vo=(1.11.2)V2,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,濾波電路,仿真五：電容濾波1、要求：電容1000F1只2、仿真電路：,濾波電路,3、觀察并回答問題：觀察電容濾波電路的輸出電壓波形并記錄。輸出電壓直流分量為V，紋波分量峰峰值（用AC輸入檔測(cè)量）為mV。,濾波電路,輸出電壓紋波（已消失/仍存在），濾波后的紋波要比濾波前（大得多/小得多）濾波后的輸出電壓的直流分量（大于/等于/小于）濾波前的輸出電壓的直流分量。電容是不是越大濾波效果越好？,濾波電路,電容濾波電路,3,電容濾波的特點(diǎn),1、RLC越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成份越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的輸出電壓，一般?。篟LC（35）T/2(T交流電源電壓周期),濾波電路,2、RL越小，輸出電壓越小。（1）當(dāng)C一定時(shí)，RL時(shí)，即空載：ULO=1.4U2（2）當(dāng)C=0時(shí)，即無電容時(shí)：ULO=0.9U2（3）一般情況下，ULO=（1.11.2)U23、電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。,濾波電路,v1,D,vo,v2,Tr,RL,L,濾波電路,（2）電感濾波電路,1、電路圖,電感濾波電路,2、電感濾波的原理：電感濾波是利用電感的儲(chǔ)能來減小輸出電壓紋波的。當(dāng)電感中電流增大時(shí)，自電感電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相反，自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電位增加的同時(shí)，也將能量儲(chǔ)存起來，使電流的變化減??；反之，當(dāng)電感中電流減少時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的作用阻礙電流的減少，同時(shí)釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。,濾波電路,濾波電路,電感濾波電路的仿真分析請(qǐng)按課本進(jìn)行。（P119）,3、電感濾波電路的幾點(diǎn)說明：1、L越大、RL越小，輸出電壓紋波越小；2、忽略電感內(nèi)阻，ULO=0.9U2（理論值）3、電感濾波適用于低電壓，大電流的場(chǎng)合,電感濾波電路,濾波電路,1、L型濾波電路,其它濾波電路,濾波電路,2、型濾波電路,其它濾波電路,濾波電路,4、穩(wěn)壓部分,作用：維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。說明：1、經(jīng)過濾波電路后的電壓的穩(wěn)定性比較差。2、電壓受溫度、負(fù)載、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素的影響較大,穩(wěn)壓電路,一、穩(wěn)壓管電路組成（并聯(lián)穩(wěn)壓電路）：1、電路圖：2、說明：R限流電阻Dz穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓電路,二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：利用穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)電流可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)但擊穿電壓卻基本不變的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。三、工作原理：UOIZIRURUO,穩(wěn)壓電路,仿真一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1、要求：穩(wěn)壓二極管（1N4740A，Uz=10V）1只電阻R=100歐，電阻RL=1K2、仿真電路：,3、觀察并回答問題：按下表要求改變輸入電壓并記錄仿真結(jié)果：,穩(wěn)壓電路,按下表要求改變負(fù)載電阻并記錄仿真結(jié)果：,當(dāng)輸入電源電壓和負(fù)載變化時(shí)，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路（可以/不可以）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。當(dāng)穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用時(shí)，對(duì)輸入電源電壓和負(fù)載變化的范圍（有/沒有）限制。,穩(wěn)壓電路,四、R的取值范圍：（UImax-UZ)/IZmaxR(UImin-UZ)/(IZmin+UZ/RLmin)注：一般情況下，在穩(wěn)壓管安全工作條件下，R應(yīng)盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。,穩(wěn)壓電路,直流穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)：,1、最大輸出電流IOmax：2、輸出電壓UO和電壓調(diào)節(jié)范圍：3、保護(hù)特性：4、效率：5、過沖幅度：,穩(wěn)壓電源性能指標(biāo),二、質(zhì)量指標(biāo),1、輸入電壓調(diào)整因數(shù)Su和穩(wěn)壓系數(shù)Sr：2、輸出電阻Ro：3、溫度系數(shù)ST：,穩(wěn)壓電源性能指標(biāo),直流穩(wěn)壓電源,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理,開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路,一、電路組成,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路如圖所示，它由四部分組成：調(diào)整電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓和取樣電路。根據(jù)比較放大電路的不同，它可分兩種基本電路。一種是三極管組成比較放大器的穩(wěn)壓電路，另一種是由運(yùn)放組成比較放大器的穩(wěn)壓電路。盡管電路不同，但工作原理是相同的。下面以運(yùn)放為例分析其工作原理。,一、電路組成,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,集成運(yùn)放作比較放大電路,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,vI,vo,+,+,_,R1,RL,R2,A,DZ,vREF,vF,R,v