教材10穩(wěn)壓電源課件

第10章直流穩(wěn)壓電源基本要求：1．掌握單相半波整流電路、單相橋式整流電路；2．掌握電容濾波電路的分析計算與元件選擇；3．掌握穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路及其應用。第10章直流穩(wěn)壓電源電源是生產(chǎn)和實驗中的重要能源，許多大功率場合下需要交流電，但電解、電鍍及直流電動機需要直流電。而在電子線路和自動控制裝置中還需要電壓非常穩(wěn)定的直流電。為了得到直流電，除直流發(fā)電機外，更廣泛采用的就是半導體直流電源。第10章直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓ututututut半導體直流電源的原理方框圖電源變壓器：將220V交流電降壓變?yōu)樗枰碾妷褐担徽麟娐罚和ㄟ^整流二極管將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；濾波電路：用濾波電路濾出交流分量，使輸出電壓平滑；穩(wěn)壓電路：使輸出電壓不受電網(wǎng)電壓的波動、負載和溫度變化的影響，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。補充A變壓器變壓器是一種利用電磁感應傳遞電能和信號的電氣設備。它具有變換電壓、電流和阻抗匹配的功能。在電力系統(tǒng)和電子技術中有著極其廣泛的應用。變壓器的種類繁多，用途各異，但其基本結構和工作原理是相同的。A.1

變壓器的基本結構變壓器主要由鐵心和繞組(或稱線圈)構成。按鐵心和繞組的配置情況，變壓器可分為心式和殼式，如圖所示。心式的特點是繞組包圍鐵心，多用于容量較大的單相變壓器。殼式的特點是鐵心包圍繞組，多用于小型單相變壓器中(a)心式(b)殼式變壓器的基本結構1—鐵心；2—線圈B.2變壓器的原理和作用一般規(guī)定，當原繞組接于額定電壓U1N時，副繞組的空載電壓U20就是副繞組的額定電壓U2N。變壓器銘牌上所標額定電壓U1N

/U2N，實際也等于給出了變比K。變壓器必須按額定電壓使用。電源+u1--e1++u2-+e2′-+e2-ZZ1234i2i2'i1φ原繞組副繞組原副繞組的電壓(電流)之比為：N—繞組匝數(shù)；k—變壓器變比+u1-變壓器符號+u2-B.2變壓器的原理和作用即變壓器副邊接一阻抗為︱ZL︱的負載時，對原邊電源而言，相當于接上K2︱ZL︱的負載.這就是變壓器的阻抗變換作用。在電子線路中，常用阻抗變換實現(xiàn)阻抗匹配。負載阻抗的等效變換副邊接上負載ZL時，有對電源而言，如圖所示，它所接的負載等效阻抗為變壓器電路等效電路+u1-+u2-N1N2︱ZL︱i2i1︱ZL’︱+u1-i1B.2變壓器的原理和作用電流從兩個繞組的同極性端流入或流出時，產(chǎn)生的磁通相同，或當磁通變化時，在同極性端感應電動勢的極性也相同。電源+u1--e1++u2-+e2′-+e2-ZZ1234i2i2'i1φ+e2′-+e2-1234i2i2'i1原繞組副繞組i2'-e2′++u1-繞組的同極性端與它們的繞向有關。若已知線圈的繞向，則用右手螺旋法則可以判斷出同名端；而實際的變壓器線圈，經(jīng)過浸漆或其他工藝處理，無法從外表來辨認其繞向，因此，只能用實驗的方法測定同名端。標有“●”的兩端稱為同極性端。1，3是同極性端，此時同為“+”

。1，4是同極性端，此時同為“+”

。10.1.1單相半波整流電路iD電路如圖：設變壓器副邊電壓為整流電路:將交流電壓變換為單向脈動電壓的電路。整流元件是具有單向?qū)щ娔芰Φ亩O管。TrDuo+ab~uRLttuuoio根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，在加正向電壓時二極管導通，負載兩端有輸出電壓；而在加反向電壓時二極管截止，負載得不到輸出電壓。負載的電壓波形及電流波形見右下曲線圖。二極管只在半個周期能夠?qū)щ?，而負載上得到的電壓是單一方向，大小隨時間而變的(單向脈動電壓)。對這種整流的輸出電壓，常用一個周期的平均值來表示大小。其平均值為整流電壓的平均值t0uTUo如果電路負載已知，則整流輸出電流的平均值為10.1.1單相半波整流電路二極管所承受的最大反向電壓：iDTruoab~uRLD有一單相整流電路,負載電阻為900,變壓器副邊電壓為20V，試求Uo，Io及UDRM,并選用二極管。解查二極管參數(shù)，選用2AP4(16mA,50V)。為了使用安全此項參數(shù)選擇應比計算值大一倍左右。例10.1.2單相橋式整流電路在變壓器副邊電壓u為正半周時，二極管D1、D3導通，而二極管D2、D4截止；uoa~TrRLbuD1D2D3D4t0uT當副邊電壓u為負半周時，二極管D2、D4導通，而二極管D1、D3截止。Uo橋式整流電路的工作情況-+10.1.2單相橋式整流電路負載電阻中通過的輸出電流：每只二極管中通過的電流僅為輸出電流一半：每只二極管承受的最高反向電壓：單相橋式整流電路的輸出電壓：變壓器副邊在正負半周均有電流流過，其電流仍為正弦量，電流有效值為有一橋式整流電路,負載電阻為160,要求輸出電壓的平均值為20V，試選擇合適的二極管并確定變壓器副邊電流的有效值。解例因U0=20V，所以Io=Uo/Ro=20/160=125mA流過二極管的平均電流為ID=0.5Io=0.5×125=62.5mA變壓器副邊電壓有效值為U=Uo/0.9=20/0.9=22.2V查附錄可知，應選用2CZ52B(100mA，50V)二極管。變壓器副邊電流有效值為二極管承受的最高反向電壓為10.2濾波電路整流電路僅將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動的直流電壓。這種電壓對許多電子設備遠達不到要求，往往再加接濾波器以改善電壓的脈動程度。10.2.1電容濾波電路DRLTrab~uC=uoCt0ut0uD截止D導通D導通D截止D導通電容濾波器的作用uc>u2二極管UDRM=2√2U+U--++-無濾波有濾波單相半波電容濾波10.2.1電容濾波電路單相橋式電容濾波t0u電容濾波器的作用二極管UDRM=√2U-+有濾波a~TrbuRLuoD1D2D3D4C電容濾波電路中元件的選擇：由于二極管的導通時間較短，因此通過二極管的的電流峰值較大，應避免電流沖擊損壞二極管；由于濾波電容保持有電壓輸出，應注意二極管截止時所承受的最高反向電壓UDRM有所不同，帶電容濾波的半波整流電路帶電容濾波的橋式整流電路UDRM不變；常用電容器一般在101-103微法，視負載電流大小而定。其耐壓值應大于輸出電壓的最大值，一般大容量電容具有極性。10.2.1電容濾波電路有一單相橋式整流帶電容濾波的電路，已知交流電源頻率f=50Hz，負載電阻RL=200Ω，要求輸出直流電壓Uo=20V，選擇整流二極管和濾波電容。解例流過負載的平均電流為變壓器副邊電壓有效值，按Uo=1.2U計算查附錄可知，應選用2CZ52B(100mA，50V)。流過二極管的電流為二極管承受的最高反向電壓為應選用C=250μF，耐壓為50V的電解電容。要進一步減小輸出電壓的脈動程度，可在濾波電容之前串入鐵心電感線圈L——即LC濾波器?！玊rRLuCL電感電容濾波電路直流分量全部加到負載RL上，頻愈高，交流分量在

XL上的壓降愈大。加到RL上的交流分量壓降愈小，從而負載RL上輸出的電壓脈動減小，波形變平滑。一般需要線圈的電感量較大，但其直流電阻也較大，因而會造成輸出電壓的下降。LC濾波器適于電流較大、輸出電壓脈動很小場合，更適合高頻濾波。10.2.2電感濾波電路經(jīng)橋式整流后輸出的單向脈動電壓可分解為直流分量和諧波分量。實際電源舉例-24VN2C1N3N13A

2000F50VFU2C21A.047FFU12CZ124直流交流

24V~220V如圖電源輸出電壓為24V，電流為1.8A。變壓器副繞組N3的電壓約為20V，C2起抑制高頻干擾作用；副繞組N2的電壓為5.5V，供照明指示燈用。直流24V電池的極性可任意接入。10.2.3復合濾波器10.3穩(wěn)壓電源經(jīng)整流和濾波后，雖脈動程度有了最大改善，但直流電壓幅度還會隨著電網(wǎng)的波動或負載的變化而變化。最簡單的直流穩(wěn)壓電源是利用穩(wěn)壓管組成的。10.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖采用橋式整流和電容濾波，得到直流電壓UI，再經(jīng)過限流電阻R和穩(wěn)壓管DZ，使負載得到一個比較穩(wěn)定的直流電壓。RL+UI-DZRC~+Uo-IZIo電壓的穩(wěn)定過程選擇穩(wěn)壓管一般規(guī)律：UZ=UO

IZmax=(1.5～

3)IOMUI=(2～3)UOu↑→UI↑→Uo↑→IZ↑（穩(wěn)壓管特性）→UR↑（IR=IZ+Io）→抵償UI↑，保持負載電壓Uo近似不變。當電源電壓升高時當負載增加時Io↑→IR↑→UR↑→Uo↓(UI不變)→IZ↓↓→抵償Io↑→Uo不變10.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路RL+UI-DZRC~+Uo-IZIo由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運算放大器組成恒壓源RL+UO-DZRF+UZ-R2+UR++–R1RL+UO-DZRF+UZ-R2+UR++–R110.3.2恒壓源反相輸入恒壓源同相輸入恒壓源為了擴大運算放大器輸出電流的變化范圍，把同相輸入恒壓源的輸出接在大電流晶體管T的基極而從發(fā)射極輸出，就變成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。10.3.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路調(diào)整T構成一射極輸出器，其作用是進行電流放大。若將調(diào)整管和運算放大器視為基本放大電路，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz視為輸入電壓、取樣電路RF和R1視為反饋電路，則這個穩(wěn)壓電路就是同相比例放大電路，反饋類型為串聯(lián)電壓負反饋。RL+UO-DZ+UZ-R2R1RFTIo++–+UI-目前最普遍應用的單片穩(wěn)壓電源是W7800系列和W7900系列。其內(nèi)部電路是在串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路的基礎上構成的。W78xx系列穩(wěn)壓器123123W78159824型號W7805W7809W7812W7815Uo(V)591215UiMax(V)35ΔUMin2~3Iom(A)2.2Ro(Ω)0.03~0.1510.3.4集成穩(wěn)壓器從外形看，集成穩(wěn)壓器有三個接線端，即輸入端、輸出端和公共端，故而稱為三端集成穩(wěn)壓器。W78xx系列穩(wěn)壓器主要參數(shù)CiCoW78xx123+UI-+Uo-++W7800系列為正電源輸出，W7900系列為負電壓輸出。典型應用只需在輸入端和輸出端與地之間各并聯(lián)一個電容即可。前者抵消較長輸入線的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩。后者用于吸收負載突變所產(chǎn)生的電壓抖動雜波。10.3.4集成穩(wěn)壓器~CCiCoW7815123+15V+++CiCoW7915123–15V+++1000F1000F0.33F0.33F1F1F220V24V24V1.

正負電源同時輸出電路2.輸出電壓可調(diào)的電路滑塊最高，R2小，Uo最小滑塊最低，R2大，Uo最大+UO-R2R11Co++–R+U××-W78××Ci+UI-23I3運算放大器起電壓跟隨器作用，其電源是穩(wěn)壓電路的輸入電壓。忽略I3

虛短虛斷三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器雖然通過外接電路構成輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源，但性能指標有所降低，而且使用也不方便。因此三端可調(diào)輸出電壓集成穩(wěn)壓器應運而生。這類穩(wěn)壓器與三端固定式集成穩(wěn)壓器一樣，既有正壓穩(wěn)壓器(CW117／CW217／