模擬電子技術(shù)直流電源章節(jié)

第11章直流電源11.1概述11.2

整流電路小結(jié)11.3濾波電路11.4穩(wěn)壓電路11.5三端穩(wěn)壓電路11.6開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路本節(jié)重點(diǎn)：1直流電源的組成及每部分電路的作用。2、掌握橋式整流電路的組成及性能指標(biāo)的計(jì)算。3、掌握橋式整流電路、電容濾波電路性能指標(biāo)的計(jì)算。4、掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計(jì)算。11.1

概述濾波整流穩(wěn)壓變壓交流電源負(fù)載組成框圖電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路:將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo220V11.2

整流電路

11.2.1基本概念11.2.2單相半波整流電路11.2.3單相橋式整流電路11.2.4倍壓整流電路

11.2.1基本概念整流電路的任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦园颜?、?fù)交變的電壓變成單方向脈動(dòng)的直流電壓。

整流電路有單相整流，屬于小功率整流（通常指由單相交流電源供電，功率在一千瓦以?xún)?nèi)），其中包括半波整流、全波整流、橋式整流、倍壓整流等。另外還有三相整流（屬于大功率整流）及多相整流（屬于大功率整流）。11.2.2單相半波整流電路1、電路原理tO23u2tO23

uOtO23

iD=iOtO23

uDＶRL~220V+uｏ–u2iD+uD–2、主要參數(shù)1）、輸出電壓平均值2）、輸出電流平均值3）、脈動(dòng)系數(shù)

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。3、二極管極限參數(shù)選擇1）、最大整流平均電流2）、最高反向工作電壓tO23

uDＶRL~220V+uｏ–u2iD+uD–【例11-1】在單向半波整流電路中，已知變壓器副邊電壓有效值=30V，負(fù)載電阻=100，試問(wèn):1、負(fù)載電阻上的電壓平均值和電流平均值各為多少?2、電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍是±10%，二極管承受的最大反向電壓和流過(guò)的最大電流平均值各為多少?解：1、負(fù)載電阻上電壓平均值

≈0.45U2=0.45×30V=13.5V流過(guò)負(fù)載電阻的電流平均值2、二極管承受的最大反向電壓

二極管流過(guò)的最大平均電流（1）組成：由四個(gè)二極管組成橋路u2正半周時(shí):D1

、D3導(dǎo)通，D2、D4截止+–（2）工作原理：u2uL11.2.3、單相橋式整流電路-+u2負(fù)半周時(shí)：D2、D4

導(dǎo)通，D1

、D3截止u2uLu2>0時(shí)D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時(shí)D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A輸出是脈動(dòng)的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB

波形tOtOtOtO2323Im2233uOu2uDiD=iOu2D4D2D1D3RLuoAB1).整流輸出電壓平均值（Uo）全波整流時(shí)，負(fù)載電壓Uo的平均值為:負(fù)載上的(平均)電流:整流輸出電壓的平均值Uo和輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S是衡量整流電路性能的兩個(gè)主要指標(biāo)。2.參數(shù)估算

S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。2).脈動(dòng)系數(shù)Ｓ用傅氏級(jí)數(shù)對(duì)全波整流的輸出uo

分解后可得:平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。例如：在橋式整流電路中，每個(gè)二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過(guò)每只整流二極管的平均電流ID

是負(fù)載平均電流的一半。二極管截止時(shí)兩端承受的最大反向電壓：3.二極管極限參數(shù)選擇4.簡(jiǎn)化畫(huà)法+uoRLio~+u25.整流橋把四只二極管封裝在一起稱(chēng)為整流橋~~【例11-3】某電子裝置要求電壓值為15V的直流電源，已知負(fù)載電阻等于100，試問(wèn)：1、如果選用單相橋式整流電路，則變壓器副邊電壓應(yīng)為多大？整流二極管的正向平均電流最大反向峰值電壓等于多少？輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S等于多少？2、如果改用單相半波整流電路，則，，和S各是多少？解：1、由電路條件可知：根據(jù)給定條件，可得輸出直流電流為：由公式可得

此時(shí)脈動(dòng)系數(shù)為：2、如改用單相半波整流電路，則

利用橋式整流電路實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電源

11.3

濾波電路

11.3.1電容濾波11.3.2其他濾波電路濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):電容與負(fù)載RL并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。交流電壓脈動(dòng)直流電壓整流濾波直流電壓原理：利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過(guò)電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。io

+

uo=ucRLV1V4V3V2+u11.3.1電容濾波電路1.電路和工作原理Cio

+

uo=ucRLV1V4V3V2+uV導(dǎo)通時(shí)給C充電，V截止時(shí)C向RL

放電；濾波后uo

的波形變得平緩，平均值提高。電容充電電容放電C（1）空載（RL=∞）時(shí)：u2tuLtuc=uLu2＞uC時(shí)：二極管導(dǎo)通，C充電u2＜uC時(shí)：二極管截止，C放電。由于RL=∞，無(wú)放電回路，所以u(píng)C保持。（2）接入RL（且RLC較大）時(shí)u2tiDtu2＞uC時(shí)：二極管導(dǎo)通，C充電u2＜uC時(shí)：二極管截止，C放電。二極管中的電流uc=uL2.波形及主要參數(shù)當(dāng)RL=時(shí)：OtuO2當(dāng)RL

為有限值時(shí)：通常取RLC越大UO

越大RL=為獲得良好濾波效果，一般取：(T

為輸入交流電壓的周期)UO=1.2U2（1）輸出電壓平均值

【例11-6】在圖11-10（a）所示電路中，要求輸出電壓平均值負(fù)載電流平均值。試問(wèn)：

(1)濾波電容的大??；

(2)考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為±10﹪，濾波電容的耐壓值。解：(1)根據(jù)可知，C的取值滿(mǎn)足的條件。電容的容量為(2)變壓器副邊電壓有效值為電容的耐壓值為實(shí)際可選取容量為300uF、耐壓為25V的電容作本電路的濾波電容。[例11-7]

單相橋式電容濾波整流，交流電源頻率f=50Hz，負(fù)載電阻RL=40，要求直流輸出電壓

UO=20V，選擇整流二極管及濾波電容。[解]1.選二極管電流平均值：承受最高反壓：選二極管應(yīng)滿(mǎn)足：IF(23)

ID可選：2CZ55C(IF=1A，URM=100V)或

1A、100V

整流橋2.選濾波電容可選：

1000F，耐壓50V的電解電容。電路結(jié)構(gòu):

在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L。輸出電壓平均值:UL=0.9U2對(duì)諧波分量:

f

越高，XL越大,電壓大部分降在電感上。

因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。對(duì)直流分量:

XL=0相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上當(dāng)忽略電感線圈的直流電阻時(shí)，輸出平均電壓約為：1.電感濾波電路二、電感濾波的特點(diǎn)整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。u2u1RLLuo11.3.2其他濾波器電路2.型濾波電路3.RC有源濾波電路

4.LC濾波器5.LC-П型濾波電路顯然，LC–型濾波電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)比只有LC濾波時(shí)更小，波形更加平滑；由于在輸入端接入了電容，因而較只有LC濾波時(shí)，提高了輸出電壓。11.4

穩(wěn)壓電路11.4.1穩(wěn)壓電路的性能參數(shù)11.4.2穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路11.4.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路11.4.1穩(wěn)壓電路的性能參數(shù)1.穩(wěn)壓系數(shù)2.輸出電阻3.電壓調(diào)整率定義為負(fù)載一定時(shí)穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量之比

表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時(shí)輸出電壓的變化愈小。式中為整流濾波后的直流電壓。定義為穩(wěn)壓電路輸入電壓一定時(shí)輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比

定義為在額定負(fù)載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量

4.電流調(diào)整率

5.溫度系數(shù)

6.紋波電壓及紋波抑制比

定義為在輸人電壓一定且負(fù)載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量輸入電壓和負(fù)載電流不變時(shí)，溫度變化所引起的輸出電壓相對(duì)變化量與溫度變化量之比。11.4.2穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的組成及原理2.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)(1)穩(wěn)壓系數(shù)(2)內(nèi)阻（）3．電路參數(shù)的選擇（1）穩(wěn)壓電路輸入電壓的選擇UI=(2~3)UO（2）穩(wěn)壓管的選擇（3）限流電阻及其選擇

穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)所允許的電流變化范圍應(yīng)大于負(fù)載電流的變化范圍UIUORRLIOIRIDZ穩(wěn)壓條件：當(dāng)UI=UImax，IO=IOmin時(shí)，IDZ最大，則R值必須足夠大，以滿(mǎn)足IDZIZmax，即得UIUORRLIOIRIDZ得當(dāng)UI=UImin，IO=IOmax時(shí)，IDZ最小，則R值必須足夠小，以滿(mǎn)足IDZIZmin，即因此，限流電阻R的選擇必須滿(mǎn)足：取中間值解：（1）由已知條件知可得

可取電阻R=200Ω（2）再由給定條件可求得則輸出電阻為估算穩(wěn)壓系數(shù)時(shí)，取，則11.4.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本構(gòu)成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的缺點(diǎn)：（1）帶負(fù)載能力差（2）輸出電壓不可調(diào)2.工作原理穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)：UCE

的自動(dòng)調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定

3.輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍【例11-8】在圖11-24所示電路中，要求輸出電壓UO=10~15V,負(fù)載電流IL=0~100mA。已選定基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)壓管參數(shù)為UZ=7V，IZ=5~33mA。（1）假設(shè)采樣電阻的阻值選定為2KΩ，則R1，R2，R3三個(gè)電阻分別為多大？（2）估算電源變壓器副邊電壓的有效值U2.

（3）估算基準(zhǔn)穩(wěn)壓管的限流電阻R的阻值。

解：（1）由公式可知取由于取(電位器)。?。?）穩(wěn)壓電路的直流輸入電壓應(yīng)為取,則變壓器副邊電壓的有效值為（3）基準(zhǔn)穩(wěn)壓管的限流電流應(yīng)為故取

例：圖示穩(wěn)壓電路1、指出電路的四個(gè)組成部分。2、求輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。例：圖示直流電源電路1、試說(shuō)明電路四個(gè)組成部分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的作用。

2、說(shuō)明穩(wěn)壓電路的類(lèi)型，它由哪幾部分組成，并指出每個(gè)組成部分對(duì)應(yīng)的元器件。

3、求輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍。11.5

三端穩(wěn)壓電路11.5.2可調(diào)式三端穩(wěn)壓器11.5.1固定式三端穩(wěn)壓器CW7800

系列(正電源)CW7900系列(負(fù)電源)5V/6V/9V/12V/15V/18V/24V一、78、79系列的型號(hào)命名輸出電流78L

××/79L××—輸出電流100mA78M××/9M××—輸出電流500mA78××/79××—輸出電流1.5A輸出電壓11.5.1固定式三端穩(wěn)壓器例如：CW7805

輸出

5V，最大電流

1.5ACW78M05

輸出

5V，最大電流

0.5ACW78L05

輸出

5V，最大電流

0.1A封裝CW7805123UIUOGNDCW7905123UIUOGND符號(hào)CW7800++312CW790012_3_塑料封裝金屬封裝二、CW7805的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本應(yīng)用電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)+UI取樣電路調(diào)整電路保護(hù)電路基準(zhǔn)電壓比較放大啟動(dòng)電路+UO1.基本使用方法+20V+15V注意：輸入電壓Ui一般應(yīng)比輸出電壓端Uo高3V以上。二.三端固定式集成穩(wěn)壓器的使用

C1、C2的作用：防止自激振蕩，減小高頻噪聲、改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。（1）基本應(yīng)用電路Uo=12VW7812132C2++UiC1C30.33F0.1F100FRL防止輸入端短路時(shí)C3反向放電損壞穩(wěn)壓器抵消輸入長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止自激改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除高頻噪聲（2）輸出正、負(fù)電壓的電路~24V~24V~220VW7815W79151323211000F220F0.33F0.33F0.1F+15V15V++++1000F0.1F220F（3）提高輸出電壓電路W78132

CiC2+UO+UI

+UR1R2IQI1I2靜態(tài)電流58mA要求輸出電壓UO>U

公共端電流IQ較大，一般為幾十微安至幾百微安（4）輸出電壓可調(diào)穩(wěn)壓電路W78

C1C2+UI

+U+UOR1R2R3R48(虛短)可產(chǎn)生小于U

的輸出電壓UO（5）恒流源電路12+UI=10VW78053+UORRLIQIO0.1F0.33F10一、典型產(chǎn)品型號(hào)命名CW117/217/317系列(正電源)CW137/237/337系列(負(fù)電源)工作溫度CW117(137)—

-55150CCW217(237)—

-25150CCW317(337)—

0

125C11.5.2可調(diào)式三端穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓1.25V輸出電流L型—輸出電流100mAM型—輸出電流500mA二、CW117內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本應(yīng)用電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整電路基準(zhǔn)電路誤差放大啟動(dòng)電路偏置電路保護(hù)電路IREFUIUOADJ123外形引腳CW1171