第11章 直流電源

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開關穩(wěn)壓電路本章學習要求1.掌握直流電源的組成；2.直流電源的技術參數(shù)；3.能夠根據(jù)負載要求，進行小功率直流電源設計；4.能夠根據(jù)交變信號特征和直流電源的技術指標設計濾波電路；5.深刻理解具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路的工作原理，確定電壓調(diào)節(jié)范圍；6.能夠熟練應用三端集成穩(wěn)壓電源模塊設計直流電源；7.深刻理解開關式直流電源工作原理；8.能夠正確選擇、安全使用穩(wěn)壓電源模塊。11.1

概述1）傳統(tǒng)直流電源組成變壓交流電源Otu220VOtu合適的交流電壓整流Otu單向脈動電壓濾波Otu濾波穩(wěn)壓負載Otu穩(wěn)壓2）開關型直流電源小型高頻變壓器整流Otu濾波Otu交流電源Otu220V整流DC/AC

高頻斬波器整流傳統(tǒng)直流電源反饋控制Otu11.2

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是利用二極管的單向?qū)щ娦园颜?、負交變的不含直流分量的電壓信號變成單方向含有直流分量的脈動電壓。

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，功率在一千瓦以內(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）。

周期半波余弦信號的傅里葉級數(shù)：此信號的頻譜只包含直流、基波及偶次諧波分量，諧波的幅度以1/n2的規(guī)律收斂。11.2.2單相半波整流電路1）電路原理tO

2

3

u2tO

2

3

uOtO

2

3

iD=iOtO

2

3

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）脈動系數(shù)（直流分量/基波分量）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tO

2

3

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，負載電阻=100，試問:（1）負載電阻上的電壓平均值和電流平均值各為多少?（2）一般工程上允許電網(wǎng)電壓波動范圍是±10%，二極管承受的最大反向電壓和流過的最大電流平均值各為多少?解：（1）負載電阻上電壓平均值≈0.45=0.45×30V=13.5V流過負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的最大平均電流V3RLV4V2V1u1u2ioRLV4V3V2V1+uo

u2u111.2.3

單相橋式(全波)整流電路1)工作原理+uo

輸入正半周tO

2

3

uO輸入負半周tO

2

3

uD波形tOtOtOtO

2

3

2

3

Im

2

2

3

3

uOu2uDiD=iO周期全波余弦信號的傅里葉級數(shù)余弦信號為其傅里葉級數(shù)表達式為：全波余弦信號為：2)參數(shù)估算1)整流輸出電壓平均值totototo

2

3

2

3

Im

2

2

3

3

uOu2uDiD=iO2)整流輸出電流平均值3)脈動系數(shù)(直流分量/基波分量)(1）最大整流平均電流(2)最高反向工作電壓3)二極管極限參數(shù)選擇totototo

2

3

2

3

Im

2

2

3

3

uOu2uDiD=iO一般工程上允許電網(wǎng)電壓波動范圍是±10%：4)簡化畫法+uo

RLio~+u2

5）整流橋（橋堆）把四只二極管封裝在一起稱為整流橋(橋堆)~~【例11-3】某電子裝置要求電壓值為15V的直流電源，已知負載電阻等于100，試問：（1）如果選用單相橋式（全波）整流電路，則變壓器副邊電壓應為多大？整流二極管的正向平均電流最大反向峰值電壓等于多少？輸出電壓的脈動系數(shù)S等于多少？如果市電波動10%,如何考慮（自行計算）？（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：則：

可選擇標稱變壓器220V/24V此時脈動系數(shù)為：2）如改用單相半波整流電路，則

利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源

正半周：正電源Uo1：A（+）—VD1導通，VD2截止—RL1—地（變壓器中心抽頭）負電源Uo2：B（-）—VD3導通，VD4截止—RL2—地（變壓器中心抽頭）負半周：正電源Uo1：A（-）—VD2導通，VD1截止—RL1—地（變壓器中心抽頭）負電源Uo2：B（+）—VD4導通，VD3截止—RL2—地（變壓器中心抽頭）Otu三相整流電路及其波形

自行用MUltiSIM仿真三相整流電源

11.2.4

倍壓整流電路（高壓直流發(fā)生器）1．二倍壓整流電路2．多倍壓整流電路正半周：A—VD1導通—C1充電到幅值U2；負半周：B—VD2導通，VD1截止—C1+U2共同向C2充電到2U211.3

諧波濾波電路11.3.1電容濾波11.3.2其他濾波電路io+

uo=uc

RLV1V4V3V2

+u

11.3.1電容濾波電路1）電路和工作原理CV導通時給C充電，V截止時C向RL放電；濾波后

uo

的波形變得平緩，平均值提高。2）波形及主要參數(shù)當RL=

時：OtuO

2

當RL為有限值時：RC越大UO越大RL=

為獲得良好濾波效果，一般?。?T為輸入交流電壓的周期)（1）輸出電壓平均值

io+

uo=uc

RLV1V4V3V2

+u

C（2）整流二極管的導通角加濾波電容后，只有當電容充電時，二極管才導通，因此，每只二極管的導通角都小于180o。而且，RC的值愈大，濾波效果愈好，導通角將愈小。二極管的導通角θ<π，流過二極管的瞬時電流大，故常串入一個限流電阻(1/25)RL。（3）脈動系數(shù)

（4）電容濾波電路的輸出特性和濾波特性(a)輸出特性

（b）濾波特性

RC的物理意義【例11-5】一個全波整流、電容濾波電路中U2=10V，C=1000uF，當RL=20歐時，試求UO(AV)和S的值，設整流管的壓降和整流內(nèi)阻可忽略。解：【例11-6】在圖11-10（a）所示電路中，要求輸出電壓平均值負載電流平均值。試問：(1)濾波電容的大??；(2)考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍為±10﹪，濾波電容的耐壓值。解：(1)根據(jù)可知，C的取值滿足的條件。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：選二極管應滿足：IF

(2

3)

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。基于紋波系數(shù)要求的設計方法（1）確定頻率響應函數(shù)（2）計算基波衰減到滿足紋波系數(shù)要求的電容、電感11.3.2其他濾波器電路1.電感濾波電路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

4）電流調(diào)整率

5）溫度系數(shù)

6）紋波電壓及紋波抑制比

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復習：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理UIUORRLIOIRIDZIR=IDZ+IOUO=UI

–IRR①負載電阻RL不變，輸入電壓UI變化時iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ②當輸入電壓UI不變，負載電阻RL變化時（1）穩(wěn)壓原理⑵限流電阻的選擇UIUORRLIOIRIDZ穩(wěn)壓條件：當UI=UImax，IO=IOmin時，IDZ最大，則R值必須足夠大，以滿足IDZ

IZmax，即得⑵限流電阻的選擇UIUORRLIOIRIDZ得當UI=UImin，IO=IOmax時，IDZ最小，則R值必須足夠小，以滿足IDZ

IZmin，即因此，限流電阻R的選擇必須滿足：2）穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的性能指標(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

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，取，則11.4.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1）串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本構成2）工作原理穩(wěn)壓的實質(zhì)：UCE的自動調(diào)節(jié)使輸出電壓恒定3）輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍當電位器R2的滑動端在最上端時當電位器R2的滑動端在最下端時4）調(diào)整管的選擇(1)集電極最大允許電流ICM

(2最大允許反向電壓U(BR)CEO

(3)集電極最大允許耗散功率PCM分析工藝實習電源【例11-8】在圖11-24所示電路中，要求輸出電壓UO=10~15V,負載電流IL=0~100mA。已選定基準電壓的穩(wěn)壓管參數(shù)為UZ=7V，IZ=5~33mA。（1）假設采樣電阻的阻值選定為2KΩ，則R1，R2，R3三個電阻分別為多大？（2）估算電源變壓器副邊電壓的有效值U2.（3）估算基準穩(wěn)壓管的限流電阻R的阻值。（4）給出選擇調(diào)整管的參數(shù)。解：（1）由公式可知取由于取(電位器)。取（2）穩(wěn)壓電路的直流輸入電壓應為取,則變壓器副邊電壓的有效值為（3）基準穩(wěn)壓管的限流電流應為故取(4)調(diào)整管的技術指標應為

5）保護電路（1）過流保護電路（a）電路圖

（b）外特性

截流型保護電路

限流型保護電路

（2）調(diào)整管的安全工作區(qū)保護電路（3）芯片過熱保護電路

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(負電源)5V/6V/9V/12V/15V/18V/24V一、78、79系列的型號命名輸出電流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CW7800++213CW790013_2_塑料封裝金屬封裝二、CW7805的內(nèi)部結(jié)構和基本應用電路內(nèi)部結(jié)構+UI

取樣電路調(diào)整電路保護電路基準電壓比較放大啟動電路+UO

參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=25℃4.85.05.2V5.0mA<1o<1.0A,Po<15WVi=7.5vto20v4.755.005.25V線性調(diào)整率△VoTj=25℃,Vi=7.5Vto25V4.0100mVTj=25℃,Vi=8Vto12V1.650mV負載調(diào)整率△VoTj=25℃,lo=5.0mAto1.5A9100mVTj=25℃,lo=250mAto750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=25℃5.08mA靜態(tài)電流變化率△IQlo=5mAto1.0A0.030.5mAVi=8Vto25V0.30.8mA輸出電壓溫漂△Vo/△Tlo=5mA0.8mV/℃輸出噪音電壓VNf=10Hzto100KHz,Ta=25℃42μV紋波抑制比RRf=120Hz,Vi=8Vto18V6273dB輸入輸出電壓差Volo=1.0A,Tj=25℃2V輸出阻抗Rof=1KHz15mΩ短路電流1SCVi=35V,Ta=25℃230mA峰值電流1PKTj=25℃2.2AW7805集成穩(wěn)壓器電路原理圖

（1）基本應用電路Uo=12VW7812123C2++UiC1C30.33

F0.1

F100

FRL防止輸入端短路時C3反向放電損壞穩(wěn)壓器抵消輸入長接線的電感效應，防止自激改善負載的瞬態(tài)響應，消除高頻噪聲（2）輸出正、負電壓的電路~24V~24V~220VW7815W79151323211000

F220

F0.33F0.33F0.1F+15V

15V++++1000

F0.1F220

F（3）提高輸出電壓電路W78

132CiC2+UO

+UI

+U

R1R2IQI1I2靜態(tài)電流5

8mA要求輸出電壓UO>U

（4）輸出電壓可調(diào)穩(wěn)壓電路W78

C1C2+UI

+U

+UO

R1R2R3R48(虛短)可產(chǎn)生小于U

的輸出電壓UO（5）恒流源電路12+UI=10V

W78053+UO

RRLIQIO0.1F0.33F10

一、典型產(chǎn)品型號命名CW117/217/317系列(正電源)CW137/237/337系列(負電源)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)構和基本應用電路內(nèi)部結(jié)構調(diào)整電路基準電路誤差放大啟動電路偏置電路保護電路IREFUIUOADJ123外形引腳CW117123UIUOADJCW137123UIUOADJ

50

A基本應用電路V1防止輸入端短路時C4反向放電損壞穩(wěn)壓器V2防止輸出端短路時C2通過調(diào)整端放電損壞穩(wěn)壓器UREF=1.25V使UREF很穩(wěn)定IREF

50

AUo

CW317123C2++UiC1C30.1

F10

F33

FR1R2C4IOIQIIREF0.1

FV1V21202.2kR1=

UREF/

IQ=125

靜態(tài)電流IQ(約10mA)從輸出端流出，RL開路時流過R1R2=

02.2k

時，UO=

1.2524VUo

CW317123C2++UiC1C30.1

F10

F33

FR1R2C4IOIQIIREF0.1

FV1V21202.2k0

30V連續(xù)可調(diào)電路Uo

CW317123++UiC10.33

F10

FR1R2C31

FVC2R3+3

k120

680+32

V–10

VAUA=–1.25V當R2=0時，UO=0V11.6

開關穩(wěn)壓電路

引言11.6.1串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路11.6.2并聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路引言線性穩(wěn)壓電路的缺點：調(diào)整管管耗大電源效率低(40%

60%)改進思路：使調(diào)整管截止(電流小)

飽和(管壓降小)即：工作于開關狀態(tài)開關穩(wěn)壓電路的優(yōu)點：效率高(80%

90%)體積小、重量輕穩(wěn)壓范圍寬開關穩(wěn)壓電路的缺點：電路復雜對電網(wǎng)要求不高對電子設備干擾較大輸出電壓含較大紋波調(diào)整管取樣電路開關調(diào)整管控制組成框圖濾波+UI

+Uo

RLV18A8C基準電壓三角波發(fā)生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO頻率固定的三角波誤差放大續(xù)流11.6.1串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路工作波形OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脈寬調(diào)制式(PWM)+UI

+Uo

RLV18A8C基準電壓三角波發(fā)生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO=DUI—占空比+UI

+Uo

RLV18A8C基準電壓三角波發(fā)生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO穩(wěn)壓原理UIUOuFuA占空比

UOD=50%當uF=UREF，uA=0，UO

為預定標稱值+UI

+Uo

RLV1R1R2LC+UREFuFuB控制電路V2+UI

+Uo

RLV1LC+uBV2+UI

+Uo

RLV1LC+uBV2iL高電平iO低電平uBtofftonT

截止截止iL11.6.2并聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路單片脈寬調(diào)制式(外接開關功率管)補充資料集成開關穩(wěn)壓器及其應用類型單片集成開關穩(wěn)壓器CW1524CW4960/4962一、CW1524/2524/3524(區(qū)別在于溫度范圍)組成：基準電壓源、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、振蕩器、觸發(fā)器、2只輸出功率管、過熱保護最大輸入電壓：40V最高工作頻率：100kHz每路輸出電流：100mA內(nèi)部基準電壓：5V(承受50mA電流)取樣電壓基準電壓輸出方波定時電容定時電阻關閉,控制脈寬接擴流晶體管C、E極輸入電壓振蕩/同步12345678161514131211109–IN+INUINUREF(+5V)EBCBCAEARTCTGND–限流+限流斷路補償CW1524系列引腳排列防止寄生振蕩外接復合管擴流產(chǎn)生振蕩12345678161514131211109。。+–+–R1R2R3R4R5R6R7R9R8RLC2C1C3C4V3V2V15k

3k

5k

5k

5k

2k

50k

180

68

0.1

UIUOR00.1

F0.02

F0.01

F500

F(28

V)CW1524L0.9mHf0=1.15/R5C2=19.2kHz+5V2.5

V2.5

V+5V限流取樣電阻(1

A)二、CW4960/4962組成：基準電壓源、誤差放大器、脈寬調(diào)制器開關功率管(內(nèi)接)、軟啟動電路、過流限制、過熱保護功能：慢起動、過流保護、過熱保護占空比可調(diào)(0

100%)最大輸入電壓：50

V輸出電壓：5.1

40

V連續(xù)可調(diào)最高工作頻率：100

kHz額定輸出電流：CW4960—2.5A(過流保護3.0

4.5A)