整流器和直流稳压电源

(9—28)
U o ≈ 1.2U i′
(9—29)
第9章 章
功率电路及系统
式中U′ i 为变压器次级单边交流电压有效值，U′ im 为交流振幅。根据式(9—28)，可以由Uo 算出U′ i ，从而 算出变压比
′ N2 U2 n= = N1 220V
2)滤波电容估算值 滤波电容的选择要满足下式，即
T RLCL ≥ (3 ~ 5) 2
第9章 章
功率电路及系统
N 1∶N 2 u i 220V 50Hz u i′ u i″ V1
i V1
uo
＋
V2 i V2 C RL
(a)
图9—13全波整流电路及电压电流波形 (a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形
第9章 章
功率电路及系统
u i′ u i″ uo u i′ u i″ u o
LM79×× 1
3 － C2 0.1µ C3 100µ ＋ ＋ 1 2 3 (c) Uo
(b)
图9—16三端集成稳压电源的典型接法
(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法； (c)三端稳压器外形图
第9章 章
功率电路及系统
三端稳压电源的功能可以扩展。图9—17给出几个 功能扩展电路。图9—17(a)是一个扩流电路。图中V为 扩流晶体管，输出总电流Io=I′o+IC。 图9—17(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电 路输出电压
U o = U R1 (1 + R2 ) + I Q R2 R1
。式中，IQ为稳压器静态
工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压U′o。 所以
R2 R2 ′ U o ≈ (1 + )U R1 = (1 + )U o R1 R1
(9—36)
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功率电路及系统
图9—17(c)电路是一个输出电压可调电路。只不过 在三端稳压器和可调电位器之间加了隔离运放电路。 所以，输出电压表达式同式(9—36)。调节RW的中心抽 头位置即可调节输出电压Uo值。
U i 不变 I L不变
(9—34)
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功率电路及系统
2. 调整管参数 (1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载最大电流ILM。 (2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最 大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最 大时，调整管的实际功耗是最大的。 (3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能 小于3~4V。 (4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输 出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。 (5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调 整管损坏。
2
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功率电路及系统
＋
正电压输出
＋
220V 50Hz
Uo1 Uo2 负电压输出
＋ －
图9—14 用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路
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功率电路及系统
9—2—2串联反馈型线性稳压电源的工作原理 串联反馈型线性稳压电源的工作原理 一、电路 常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压 电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。 串联型稳压电源的框图如图9—15所示。图中“调 整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电 压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相 输入端，与同相输入端的基准电压相比较。
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功率电路及系统
2. 主要性能 1)输出直流电压Uo 不接滤波电容(C=0)时:
Uo =
2
π
′ ′ U im = 0.9U im '
(9—27)
当接入滤波电容(C≠0)，且负载RL=∞时，输出电压 可充电至输入电压峰值：
U o = 1.414U i′
一般情况下(RL ≠∞,C≠0)，Uo的估算值为
电子系统设计
整流器和直流稳压电源
第9章 章
功率电路及系统
9—2 整流器和直流稳压电源
流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它 的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需 要的稳定的直流电源电压。直流电源的一般组成如图 9—10所示。其中变压器是将电网电压(220V、50Hz)变 换为所需的交流电压；整流是将变压器次级交流转换 为单向脉动直流；滤波是将整流后的波纹滤除。
0
t1
t2
t
iV
i V1
i V2
i V1
0 (b)
t
图9—13全波整流电路及电压电流波形 (a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形
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1N4449 pq4-10 1N4449
2
220V/50Hz /0 Deg
2µ
10k
(c) 图9—13全波整流电路及电压电流波形
(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小， 实际上要加几百~几千µF)
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220V 50Hz ui
电 源 变压器 ua t
a
整流 电路
b
滤波 电路
c 稳压器 uc uo t
uo
ub t t
t
图9—10 直流稳压电源的基本框图
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9—2—1整流滤波电路 整流滤波电路 一、整流滤波电路 利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的 整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整 流，如图9—11所示。
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功率电路及系统
调整环节 取样环节 R1 RW UREF R2 Uo RL 输出直流电压 (稳定)
UB Ui A 输入直流电压 (不稳定)
US
－ ＋
比较放大环节 基准环节
图9—15 串联型稳压电源框图
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二、主要参数 1.主要指标 主要指标 1)稳压系数 稳压系数S 稳压系数 S表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量 之比，即
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V1 220V 50Hz U2 V4 V3 V2 ＋ RL － (c)
图9—11常用整流电路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流
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功率电路及系统
2 2 U2
2 2 U2
＋ －
220V 50Hz 2 U2 U2 V1
＋ －
V2 V3
＋ －
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3.电路输出电压调节 电路输出电压调节 (1)大波段调节依靠改变整流器变压器抽头。 (2)波段内调节靠电位器RW，如图9—15所示。对于 误差比较放大器，有
U− = U+ R1 U − = (1 + )U o = U + = U REF R2 R1 U o = (1 + )U REF R2
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开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新 型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算 机、电视机及其它电子设备中。 开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的 例子对其工作原理加以简要说明。 开关稳压电源的一般框图如图9—18所示。
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(AC→DC) (DC→AC) 逆变器 220V 50Hz 一次 整流 (AC→DC) 二次 整流 Uo 稳压输出
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V (扩流管) 1 R C1 (a)
图9—17三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路
IC 3 Io ′ C2 Io＝I′o＋IC Uo
Ui
LM78×× 2
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功率电路及系统
1
LM78×× 2
3 R1 IQ R2 C2 Uo
Ui
二、整流滤波电路的工作原理及主要性能 1. 工作原理 如图9—13所示，全波整流的变压器有中心抽头， 且要求次级两绕组十分对称，整流管V 1 、V 2 接于变压 器次级两端和负载之间，采用简单电容滤波。 设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当u″i为正半周时， V 1 导通，V ２ 截止，u′ i 给C充电。由于二极管内阻较小， 充电时常数较小，uC上升快。当uC上升到等于u′i(t1)时， V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。
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UC＋ ,UC－
UC＋ t
0 UC－ UG 0 UG 0
图9—19 脉宽调制器的各点波形
t
t
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FU 2A 220V 50Hz
功率电路及系统
600V/3A R1
＋300V
R2 120k 1W C 2 10µ U1 U0 反馈 UC3842 6 R 12 4.7k VD2 VD1 C3 FR305 0.01µ VMOS R IRFPG407
V4 V5
2 2 U2 (d)
图9—11常用整流电路
2 2 U2
(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流
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功率电路及系统
R L
＋
C
＋
C
＋
C1
＋
C2
(a)
(b)
(c)
图9—12 常用滤波电路 (a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波
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(误差放大) (脉宽调制) VMOS UG C
R (取样) 光耦合器隔离
＋ －
－ A ＋
三角波发生器
基准UR
图9—18 开关稳压电源框图
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功率电路及系统
电网电压不稳使输出直流电压U o 增大，经光耦合 器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减 小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出 电压(UG)的占空比减小，如图9—19虚线所示，从而使 VMOS导通时间减小，截止时间增加。经二次整流后 取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳 压的原理。图9—20给出一个实际的开关稳压电源的电 原理图。
∆U o Uo S= ∆U i Ui
负载不变
(9—32)
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2)输出电阻Ro Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即
∆U o Ro = ∆I L
一般稳压器的Ro为mΩ数量级。 3)温度系数ST
U i 不变
(9—33)
ST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为
∆U o ST = ∆T
此时，波纹电压峰峰值Urpp约为
(9—30)
U rpp
I LT ≈ 2CL
(9—31)
式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。
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3)整流管的选择 (1)整流管最大允许电流 I M > I L (2)整流管反向击穿电压UBR＞2U′im。 半波整流只有一个整流管，所以IM＞IL，且波纹大， 所以一般用得不多。
7
TR C9 N1 0.01µ φ 0.31 90匝 FR305 N2 φ 0.31 11匝 C 8 820p FR305 VD3 R11 2.5k
电源噪声 滤波器 PNF
2 ＋ C1 220µ 2W 400V
VD4 D80－004
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功率电路及系统
V ＋ 220V 50Hz (a)
图9—11常用整流电路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流
RL －
第9章 章
功率电路及系统
V1 220V 50Hz (b)
＋ V2 RL －
图9—11常用整流电路 (a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流
第9章 章
功率电路及系统
1 ＋ Ui － C1 0.1µ
LM78×× 2
3 ＋ C2 C3 ＋ 0.1µ 100µ Uo －
(a)
图9—16三端集成稳压电源的典型接法 (a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法； (c)三端稳压器外形图
Leabharlann Baidu
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2 － Ui ＋ C1 0.1µ
调节R1和R2的比例，即可调节输出电压值。 (9—35)
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功率电路及系统
三、集成三端稳压器 集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十 分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78××系 列(输出正电压)和79××系列(输出负电压)，后面两位 数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为 +12V。图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的 电感效应而产生的自激。C 2 用来减小由于负载电流瞬 时变化而引起的高频干扰。C 3 为容量较大的电解电容， 用来进一步减小输出脉动和低频干扰。
C1
(b)
图9—17三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路
第9章 章
功率电路及系统
LM78×× Ui C1 Uo C2
－ A ＋
RW
(c)
图9—17三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路
第9章 章
功率电路及系统
9—2—3开关型稳压电源 开关型稳压电源 串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两 个问题： (1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流 过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较 低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置。 (2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得 变压器体积大、重量重。