第10章 直流稳压电源

第10章 直流稳压电源 图10.0 直流稳压电源结构图和稳压过程
第10章 直流稳压电源
10.1 小功率整流滤波电路
10.1.1 单相桥式整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。 完成这一任务主要靠二极管 的单向导电作用, 因此二极管是构成整流电路的关键元件。 在小功率整流电 路中(200 W 以下), 常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流 电路。
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10.1.2 滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波, 一般由电抗元件组成, 如在负 载电阻两端并联电容器C, 或与负载串联电感器L, 以及由电容、电感组合而成 的各种复式滤波电路。其常用的结构如图10.1.2所示。
由于电抗元件在电路中有储能作用, 并联的电容器C在电源供给的电压升 高时, 它把部分能量存储起来, 而当电源电压降低时, 就把能量释放出来, 使负 载电压比较平滑, 即电容C具有平波的作用; 与负载串联的电感L当电源供给 的电流增加(由电源电压增加引起)时, 电感L就把能量存储起来, 而当电流减小 时, 又把能量释放出来, 使负载电流比较平滑, 即电感L也有平波作用。
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2. 负载上的直流电压UL和直流电流IL的计算 用傅里叶级数对图10.1.1(c)中的uL的波形进行分解后可得
式中, 恒定分量即负载电压uL的平均值, 因此有
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由式(10.1.1)看出, 最低次谐波分量的幅值为
，角频率为电源频
率的两倍,即2ω。其他交流分量的角频率为4ω、6ω 等偶次谐波分量。这些谐
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电容滤波电路有如下特点: (1) 二极管的导电角θ<π, 流过二极管的瞬时电流很大, 如图10.1.4所示。 电流 的有效值和平均值的关系与波形有关, 在平均值相同的情况下, 波形越尖, 有 效值越大。 在负载为纯电阻时, 变压器副边电流的有效值I2=1.11IL, 而有电容 滤波时,I2约为 (1.5~2)IL。 (2) 负载平均电压UL升高, 纹波(交流成分)减小, 且RLC 越大, 电容放电速率越 慢,则负载电压中的纹波成分越小, 负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压, 一般取
波分量总称纹波, 它叠加于直流分量之上。常用纹波系数 Kγ来表示直流输出 电压相对纹波电压的大小, 即
式中,ULγ为谐波电压总的有效值, 表示为
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3. 整流元件参数的计算 在桥式整流电路中, 二极管VD1、VD3和VD2、VD4是两两轮流导通的, 所
以流经每个二极管的平均电流为
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电子电路通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成 可以用图10.0表示, 它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分 组成。
电源变压器是将交流电网220V 的电压变为所需要的电压值, 然后通过整 流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大 的纹波, 故必须通过滤波电路加以滤除, 从而得到比较平滑的直流电压。 但这 样的电压还随电网电压波动(一般有±10%左右的波动)、负载和温度的变化 而变化。因而在整流、滤波之后, 还需要接稳压电路。 稳压电路的作用是当 电网电压波动、负载和温度变化时, 维持输出稳定的直流电压。
由此可见, 稳压管的电流调节作用是这种稳压电路能够稳压的关键。即 利用稳压管端电压UZ的微小变化, 引起电流IZ较大的变化, 通过电阻R起电压 调节作用, 保证输出电压基本恒定。由于起控制作用的稳压管在电路中是与 负载电阻并联的, 故这种电路是一种并联式稳压电路。
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10.2.3 串联反馈式稳压电路的工作原理
电感滤波的特点是, 整流管的导电角较大(电感L的反电势使整流管导电 角增大), 峰值电流很小, 输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在, 笨重、 体积大, 易引起电磁干扰。 一般只适用于低电压、大电流的场合。
此外, 为了进一步减小负载电压中的纹波, 电感后面可再接一电容而构成 倒 L形滤波电路或RC-П型滤波电路, 如图10.1.2(b)、(c)所示。其性能和应用 场合分别与电感滤波电路及电容滤波电路相似。
模拟电子技术基础
第10章 直流稳压电源 10.1 小功率整流滤波电路
10.1.1 单相桥式整流电路 10.1.2 滤波电路
10.2 稳压电路
10.2.1 稳压电源的质量指标 10.2.2 稳压管稳压电路 10.2.3 串联反馈式稳压电路的工作原理 10.2.4 三端集成稳压电路
10.3 串联开关式稳压电路
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其稳压原理如下: 设负载电阻RL不变, 当输入电压UI增大时, 输出电压UO将上升, 使稳压管 VDZ的反向电压略有增加。随之稳压管的电流大大增加。于是IR=IZ+IO增加 很多, 所以在限流电阻R上的压降IRR增加, 使得UI增量的绝大部分降落在R上, 从而使输出电压UO基本维百度文库不变。反之, 当UI下降时,IR减小, R上压降减小, 故也能基本维持输出电压不变。以上分析表明, 在UI变化时, 根据式(10.2.5), 只要 ΔUR≈ΔUI，UO就基本稳定。
第10章 直流稳压电源 图10.2.2 串联反馈式稳压电路一般结构
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从反馈放大器的角度来看, 这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管 VT 连接成射极跟随器。因而可得
式中, Au是比较放大器的电压放大倍数, 它考虑了所带负载的影响, 与开环放
大倍数 AuO不同。
在深度负反馈条件下,
时, 可得
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上式表明, 输出电压UO与基准电压UREF近似成正比, 与反馈系数FU成反比。 当UREF及FU 已定时,UO也就确定了。
放大电路的放大倍数越大, 负反馈越深, 调整作用越强, 输出电压UO也越 稳定, 电路的稳压系数和输出电阻RO也越小。但是, 当负反馈太强时, 电有可 能产生自激振荡, 需消振才能正常工作。
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10.2.4 三端集成稳压电路
随着半导体集成技术的发展, 出现了集成稳压器。它具有体积小、可靠性 高、使用方便、价格低廉以及温度特性好等优点, 广泛应用于仪器仪表及各 种电子设备中。集成稳压电路按输出电压情况可分为固定输出和可调输出两 大类。最简单的稳压电路只有输入、输出和公共引出端, 故称之为三端式稳 压电路。 三端集成稳压电路也是线性稳压电路。以具有正电压输出的 W7800系列为例介绍电路的工作原理及其应用。
分析整流电路为简单起见, 把二极管当作理想元件来处理, 即认为它的正 向导通电阻为零, 而反向电阻为无穷大。
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1. 工作原理
电路如图10.1.1(a)所示, 图中Tr为电源变压器, 它的作用是将交流电网电压
u1变成整流电路要求的交流电压
,RL是要求直流供电的负载电
阻, 四只整流二极管VD1~VD4接成电桥的形式, 故有桥式整流电路之称。图
式中, T 为电源交流电压的周期。
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(3) 负载直流电压随负载电流的增加而减小。UL随IL的变化关系称为输出特性 或外特性, 如图10.1.5所示。
C 值一定, 当RL=∞, 即空载时,
当C=0, 即无电容时, 在整流电路的内阻不太大(几欧)和放电时间常数满足式(10.1.9)的关系时, 电容滤波电路的负载电压UL约为(1.1~1.2)U2。 电容滤波电路简单, 负载直流电压UL较高, 纹波也较小, 它的缺点是输出 特性较差, 故适用于负载电压较高、负载变动不大的场合。
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三个系数越小, 输出电压越稳定, 它们的具体数值与电路形式和电路参数 有关。至于纹波电压, 是指稳压电路输出端的交流分量的有效值, 一般为毫伏 数量级, 它表示输出电压的微小波动。稳压系数γ 较小的稳压电路, 它的输出 纹波电压一般也较小。
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10.2.2 稳压管稳压电路
二极管在截止时管子承受的最大反向电压可以从图10.1.1(a)看出。在u2 正半周时, VD1、VD3导通, VD2、VD4截止。 此时VD2、VD4所承受的最大反 向电压均为u2的最大值, 即
同理, 在u2的负半周, VD1、VD3也承受同样大小的反向电压。 桥式整流电路的优点是输出电压高, 纹波电压较小, 管子所承受的最大反 向电压较低, 同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载, 电源变压 器得到充分的利用,效率较高。该电路的缺点是二极管用得较多。
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设输入电压UI保持不变, 当负载电阻RL变小, 即负载电流IO增大时, 根据 IR=IZ+IO,电阻R的电流IR随之增大, R上的压降UR必然增大, 从而使输出电压UO 减小。UO的微小减小将使稳压管的电流IZ急剧减小, 补偿IO的增大, 从而使IR 基本不变, R上压降也基本不变, 最终使输出电压UO基本不变。同理, 当IO减小 时,UO也基本不变。以上分析表明, 在IO变化时, 只要 ΔIZ≈-ΔIO,IR就基本不 变,UR也就基本不变, 从而使UO稳定。
稳压管稳压电路如图10.2.1所示。图中虚线框内表示用稳压管VDZ组成的 基准电压源, R是限流电阻,UI是输入直流电压。UO为输出电压, 即稳压管两端 的电压UZ, 它可以作为基准电压源, 也可以单独作为输出电压固定、负载电流 较小的稳压电路使用。由图可知:
第10章 直流稳压电源 图10.2.1 稳压管组成的基准电压源
第10章 直流稳压电源 图10.1.2 滤波电路的基本形式
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1. 电容滤波电路 图10.1.3为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时, 要特
别注意电容两端的电压uC对整流元件导电的影响, 整流元件只有承受正向电 压作用时才导通, 否则便截止。
第10章 直流稳压电源 图10.1.3 桥式整流、电容滤波电路
由于输出直流电压UO随输入直流电压UI(即整流滤波电路的输出电压, 其 数值可近似认为与交流电源电压成正比)、输出电流IO和环境温度T(℃)的变 动而变动, 即输出电压UO=f(UI,IO,T), 因而输出电压变化量的一般式可表示为
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(1) 输入调整因数为 实际上, 常以输出电压和输入电压的相对变化来表征稳压性能, 称为稳压系数, 其定义可写为 (2) 输出电阻为 (3) 温度系数为
10.1.1(b)是它的简化画法。
在电源电压u2的正、负半周(设a端为正,b端为负时是正半周)内电流通路 分别用图10.1.1(a)中实线和虚线箭头表示。通过负载RL的电流iL以及uL的波形 如图10.1.1(c)所示。显然, 它们都是单方向的全波脉动波形。
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图10.1.1 单相桥式整流电路
第10章 直流稳压电源 图10.1.5 纯电阻RL和具有电容滤波的桥式
整流电路的输出特性
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2. 电感滤波电路 在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感L, 如图10.1.6所示。利
用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波, 从而得到比较平滑的直流。当 忽 略电感L的电阻时,负载上输出的平均电压和纯电阻(不加电感)负载相同, 即 UL=0.9U2。
第10章 直流稳压电源 图10.1.6 桥式整流、电感滤波电路
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10.2 稳压电路
10.2.1 稳压电源的质量指标
稳压电源的技术指标分为两种: 一种是特性指标, 包括允许的输入电压、 输出电压、输出电流及输出电压调节范围等; 另一种是质量指标, 用来衡量输 出直流电压的稳定程度, 包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。
稳压管稳压电路不适用于负载电流较大且输出电压可调的场合, 但是在它 的基础上利用晶体管的电流放大作用就可获得较强的带负载能力, 引入电压 负反馈就可以使输出电压稳定, 采用放大倍数可调的放大环节就可使得输出 电压可调。
图10.2.2是串联反馈式稳压电路的一般结构图, 图中UI是整流滤波电路的 输出电压,VT 为调整管, A为比较放大器,UREF为基准电压, R1、RP与R2组成反 馈网络, 用来反映输出电压的变化(取样)。