直流稳压电源模电.ppt

1、第8章 直流稳压电源 第8章 直流稳压电源 8.1直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成8.2整流电路和滤波电路整流电路和滤波电路8.3串联型稳压电源串联型稳压电源8.4开关型稳压电路开关型稳压电路第8章 直流稳压电源 图图8-1直流稳压电源的组成框图直流稳压电源的组成框图 8.1直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成第8章 直流稳压电源 整流电路整流电路(rectifier)：是将交流电变换成单方向的直流电。：是将交流电变换成单方向的直流电。整流电路整流电路种类：种类：（1）按整流元件的类型：）按整流元件的类型：二极管整流和可控硅整流二极管整流和可控硅整流；（2）按交流电源的相数：按交流电源的相

2、数：单相和多相整流单相和多相整流；（3）按流过负载的电流波形：按流过负载的电流波形：半波和全波整流半波和全波整流；（4）按输出电压相对于电按输出电压相对于电源变压器次级电压的倍数：源变压器次级电压的倍数：一倍压、一倍压、二倍压及多倍压整流二倍压及多倍压整流等。等。8.2整流电路和滤波电路整流电路和滤波电路第8章 直流稳压电源 8.2.1单相半波整流电路单相半波整流电路1.工作原理工作原理 单单相相半半波波整整流流（halfwaverectifier）电电路路是是最最简简单单的的整整流流电电路路，电电路路组组成成如如图图8-2所所示示。设设二二极极管管VD为为理理想想二二极极管管，RL为为纯纯电

3、阻负载。电阻负载。交流电网电压经电源变压器降压后，变为整流电路需要的交流电网电压经电源变压器降压后，变为整流电路需要的交流电压交流电压U2为其有效值。为其有效值。第8章 直流稳压电源 在在u2正正半半周周，a端端电电位位高高于于b端端电电位位，故故VD导导通通。电电流流流流经经的的路路径径为为a端端VDRLb端端，若若忽忽略略变变压压器器次次级级内内阻阻，则则RL端端电电压压即电路的输出电压为：即电路的输出电压为：在在u2负半周负半周，b端电位高于端电位高于a端电位，故端电位，故VD截止，且：截止，且：u2及及uo波波形形如如图图8-3所所示示。由由图图可可见见，正正弦弦交交流流电电压压u2经

4、经半半波波整整流后变为单一方向的直流电压流后变为单一方向的直流电压uo。第8章 直流稳压电源 图图8-2单相半波整流电路单相半波整流电路 第8章 直流稳压电源 图图8-3半波整流电路波形图半波整流电路波形图 第8章 直流稳压电源 2.主要参数主要参数（1）输出电压平均值输出电压平均值Uo。将图将图8-3所示的输出电压所示的输出电压uo用傅里叶级数展开得用傅里叶级数展开得 其中的直流分量即为输出电压平均值其中的直流分量即为输出电压平均值Uo，即即(8-1)(8-2)Uo越高，表明整流电路性能越好。越高，表明整流电路性能越好。第8章 直流稳压电源（2）输出电流平均值输出电流平均值Io(8-3)第8

5、章 直流稳压电源 （3）输输出出电电压压脉脉动动系系数数S。除除直直流流分分量量外外，uo还还有有不不同同频频率率的的谐谐波波分分量量。如如第第二二项项为为基基波波，第第三三项项为为二二次次谐谐波波，它它们们反反映映了了uo的起伏或者说脉动程度。的起伏或者说脉动程度。其其中中基基波波峰峰值值与与输输出出电电压压平平均均值值之之比比定定义义为为输输出出电电压压的脉动系数的脉动系数S（ripplefactor），则半波整流电路的脉动系数为，则半波整流电路的脉动系数为:(8-4)S越小，表明输出电压的脉动越小，整流电路性能越好。越小，表明输出电压的脉动越小，整流电路性能越好。单单相相半半波波整整流流

6、电电路路结结构构简简单单，只只需需一一只只整整流流二二极极管管，但但输输出出电压脉动大，平均值低。电压脉动大，平均值低。将将其改进之后可得到单相全波整流电路。其改进之后可得到单相全波整流电路。第8章 直流稳压电源 8.2.2单相全波整流电路单相全波整流电路图图8-4单相全波整流电路单相全波整流电路第8章 直流稳压电源 图 8-5 全波整流电路波形图 第8章 直流稳压电源 将将uo用傅里叶级数展开得用傅里叶级数展开得(8-5)故全波整流电路的输出电压平均值为故全波整流电路的输出电压平均值为(8-6)输出电流平均值为输出电流平均值为(8-7)输出电压脉动系数为输出电压脉动系数为(8-8)第8章 直

7、流稳压电源 8.2.3单相桥式整流电路单相桥式整流电路（bridgerectifiercircuit）1.工作原理工作原理与与单单相相全全波波整整流流电电路路相相比比，变变压压器器次次级级无无中中心心抽抽头头，但但二二极极管管数数目目增增加加，由由四四个个二二极极管管VD1VD4构构成成整整流流桥桥。VD1VD4均为理想二极管，仍设均为理想二极管，仍设。u2正正半半周周，a端端电电位位高高于于b端端电电位位，故故VD1、VD3导导通通，VD2、VD4截截止止，电电流流流流经经路路径径为为a端端VD1RLVD3b端端（如如图图中中实实心心箭头所指）；箭头所指）；u2负负半半周周，b端端电电位位高

8、高于于a端端电电位位，VD2、VD4导导通通，VD1、VD3截截止止，电电流流路路径径为为b端端VD2RLVD4a端端（流流经经负负载载RL时时，方向如图中空心箭头所指）。方向如图中空心箭头所指）。即即两两对对交交替替导导通通的的二二极极管管引引导导正正、负负半半周周电电流流在在整整个个周周期期内以同一方向流过负载内以同一方向流过负载，u2及及uo波形如图波形如图8-7所示。所示。第8章 直流稳压电源 图图8-6单相桥式整流电路单相桥式整流电路 第8章 直流稳压电源 图图8-7桥式整流电路波形图桥式整流电路波形图 第8章 直流稳压电源 2.二极管的选择二极管的选择 桥式整流电路对整流二极管的参

9、数要求主要有两项：桥式整流电路对整流二极管的参数要求主要有两项：（1）最大整流电流最大整流电流IF。图图8-6中流过每个二极管的电流平均值中流过每个二极管的电流平均值(8-9)再考虑到电网电压可能有再考虑到电网电压可能有10%的波动，故应保证的波动，故应保证(8-10)第8章 直流稳压电源 （2）最最大大反反向向工工作作电电压压UR。图图8-6中中每每个个二二极极管管截截止止时时承承受受的最大反向电压为的最大反向电压为考虑到电网电压可能有考虑到电网电压可能有10%的波动，故应保证的波动，故应保证 为为方方便便对对照照，现现将将单单相相半半波波整整流流、全全波波整整流流和和桥桥式式整整流流的的主

10、主要要参参数数示示于于表表8.1。由由表表可可知知，桥桥式式整整流流电电路路的的性性能能最最佳佳。目目前前市市场场上上有有不不同同性性能能指指标标的的整整流流桥桥堆堆产产品品，实实际际使使用用时时只只需需将将电电源变压器与整流桥堆相连即可，非常方便。源变压器与整流桥堆相连即可，非常方便。第8章 直流稳压电源 表表8.1三种整流电路主要参数对比三种整流电路主要参数对比第8章 直流稳压电源 8.2.4滤波电路滤波电路 整整流流电电路路的的输输出出虽虽为为单单一一方方向向的的直直流流电电，但但因因其其含含有有较较大大的的谐谐波波成成分分，故故波波形形起起伏伏明明显显，脉脉动动系系数数大大，不不能能适

11、适应应大大多多数数电子设备的需要。电子设备的需要。一一般般整整流流电电路路之之后后，还还需需接接入入滤滤波波电电路路（filters）以以滤滤除除谐谐波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。波成分，使脉动的直流电变为比较平滑的直流电。1.电容滤波电容滤波 在在桥桥式式整整流流电电路路的的基基础础上上，输输出出端端并并联联一一个个电电容容C就就构构成成了电容滤波电路（了电容滤波电路（capacitancefilter），），如图如图8-8(a)所示。所示。第8章 直流稳压电源 图图8-8单相桥式整流电容滤波电路及工作波形单相桥式整流电容滤波电路及工作波形(a)电路；电路；(b)理想情况下理想

12、情况下uo波形；波形；(c)二极管电流波形二极管电流波形第8章 直流稳压电源 可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程）可见，电容滤波是通过电容的储能作用（充放电过程）:(1)在在u2升高时，把部分能量储存起来（充电），升高时，把部分能量储存起来（充电），(2)在在u2降低时，又把储存的能量释放出来（放电），降低时，又把储存的能量释放出来（放电），从从而而在在负负载载RL上上得得到到一一个个比比较较平平滑滑的的、近近似似锯锯齿齿形形的的输输出出电电压压uo，使其脉动程度大为降低，并且平均值提高。使其脉动程度大为降低，并且平均值提高。第8章 直流稳压电源 设设整整流流电电路路内内阻阻（即即

13、变变压压器器次次级级内内阻阻与与二二极极管管导导通通电电阻阻之之和）为和）为R，则，则电容电容C的的充电时间常数充电时间常数:放电时间常数：放电时间常数：通常通常RLR，滤波效果取决于，滤波效果取决于f。C和和RL越大，越大，f就越大，就越大，电路的放电过程更缓慢，因而输出电压更平滑，平均值更高。电路的放电过程更缓慢，因而输出电压更平滑，平均值更高。第8章 直流稳压电源 一般情况下，可按下式计算一般情况下，可按下式计算Uo和和S，即：，即：(8-13)例例如如：已已知知正正弦弦波波频频率率f=50Hz(即即T=0.02s)，若若设设C=2500F，RL=1k，则：，则：可见输出电压的脉动程度大

14、为降低。可见输出电压的脉动程度大为降低。(8-14)第8章 直流稳压电源 使用电容滤波电路时还应注意以下几点：使用电容滤波电路时还应注意以下几点：(1)电容滤波适用于负载电流电容滤波适用于负载电流Io较小且变化不大的场合。因为：较小且变化不大的场合。因为：当当Io=0（即即负负载载RL开开路路）时时，电电容容充充电电至至后后不不再再放放电电，故有故有；随随着着Io的的增增大大（或或负负载载RL的的减减小小），C的的放放电电时时间间常常数数f减减小，小，放电加速，放电加速，Uo将明显减小。将明显减小。(2)所所需需电电容容容容量量较较大大，至至少少应应满满足足RLC(35)T/2的的条条件件。由

15、由于于一一般般采采用用电电解解电电容容，因因此此使使用用时时要要特特别别注注意意正正负负极极性性不不能能接接反，反，否则电容会被击穿。否则电容会被击穿。第8章 直流稳压电源(3)流过每个二极管的冲击电流很大。流过每个二极管的冲击电流很大。由由于于增增加加了了电电容容支支路路，流流过过每每个个二二极极管管的的电电流流比比未未并并联联电电容容之之前前增增大大，但但每每个个二二极极管管的的导导通通时时间间反反而而减减小小，因因此此在在二二极极管导通的短暂时间内，管导通的短暂时间内，将有很大的冲击电流流过。将有很大的冲击电流流过。选选择择二二极极管管时时必必须须注注意意，应应选选择择最最大大整整流流电

16、电流流IF较较大大的的管管子。子。第8章 直流稳压电源【例例8-1】桥桥式式整整流流电电容容滤滤波波电电路路如如图图8-9所所示示，已已知知输输出出电电压压Uo=-30V，RL=200，电源频率电源频率f=50Hz。试问：。试问：（1）电容）电容C的极性如何？的极性如何？（2）变变压压器器次次级级电电压压u2的的有有效效值值为为多多少少？若若电电网网电电压压的的波波动动范围为范围为10%，求电容耐压值。，求电容耐压值。（3）电容）电容C开路或短路时，电路会产生什么后果？开路或短路时，电路会产生什么后果？第8章 直流稳压电源 图 8-9 例8-1电路图 第8章 直流稳压电源 解解（1）电电容容C

17、的的极极性性。负负载载电电流流将将自自下下而而上上流流过过RL，所所以以电电容容极性应极性应上负下正上负下正。（2）变变压压器器次次级级电电压压u2的的有有效效值值及及电电容容耐耐压压值值。据据式式(8-13)有有 电路空载时电容将承受最大电压，再考虑电网电压的波动，电路空载时电容将承受最大电压，再考虑电网电压的波动，则电容耐压应为则电容耐压应为：第8章 直流稳压电源 同时电容应满足同时电容应满足的要求，取的要求，取RLC=2T，有，有所以实际可选取所以实际可选取200F/50V的电解电容的电解电容。（3）电容）电容C开路时，电路变为单相桥式整流，故有：开路时，电路变为单相桥式整流，故有：Uo

18、=0.9U2=0.925=22.5V电电容容C短路时，即负载被短路，短路时，即负载被短路，Uo=0V，VD1VD4将因电将因电流流过大而损坏。过大而损坏。第8章 直流稳压电源 2.电感滤波电感滤波当当负负载载电电流流较较大大时时，电电容容滤滤波波已已不不适适合合，可可选选用用电电感感滤滤波波(inductancefilter)，如图如图8-10。图图8-10单相桥式整流电感滤波电路单相桥式整流电感滤波电路 第8章 直流稳压电源 电感与电容一样具有储能作用。电感与电容一样具有储能作用。u2升升高高流流过过电电感感L的的电电流流增增大大L中中产产生生自自感感电电动动势能势能阻止电流的增大，部分电能

19、转化成磁场能储存起来；阻止电流的增大，部分电能转化成磁场能储存起来；u2降降低低流流过过L的的电电流流减减小小L中中自自感感电电动动势势阻阻止止电流的减小，释放出存储的能量以补偿电流的减小。电流的减小，释放出存储的能量以补偿电流的减小。经经电电感感滤滤波波后后，输输出出电电流流和和电电压压的的波波形形也也可可以以变变得得平平滑滑，脉动减小。显然，脉动减小。显然，L越大，滤波效果越好。越大，滤波效果越好。由由于于L上上的的直直流流压压降降很很小小，可可忽忽略略，故故电电感感滤滤波波电电路路的的输输出出电压平均值与桥式整流电压平均值与桥式整流电路相同，即：电路相同，即：Uo0.9U2第8章 直流稳

20、压电源 实际电路中：实际电路中：电电容容滤滤波波的的应应用用最最为为广广泛泛，它它适适用用于于负负载载电电流流较较小小且且变变化化不不大的场合；大的场合；电电感感滤滤波波和和LC滤滤波波的的输输出出特特性性较较好好，带带负负载载能能力力强强，适适用用于大电流或负载变化大的场合，于大电流或负载变化大的场合，缺缺点点：电电感感滤滤波波器器体体积积大大，十十分分笨笨重重，故故通通常常只只用用于于工工频频大大功率整流或高频电源中。功率整流或高频电源中。第8章 直流稳压电源 8.3串联型稳压电源串联型稳压电源 整整流流滤滤波波电电路路将将交交流流电电变变换换成成了了比比较较平平滑滑的的直直流流电电，但但

21、输输出电压出电压Uo仍会受到下列因素的影响：仍会受到下列因素的影响：(1)电电网网电电压压通通常常允允许许有有10%的的波波动动，这这将将造造成成Uo按按相相同同的比例变化；的比例变化；(2)输输出出电电流流（即即负负载载电电流流）Io通通常常是是作作为为其其它它电电子子电电路路的的供供电电电电流流，可可能能会会经经常常变变动动，Uo将将随随Io的的变变化化（或或负负载载阻阻值值RL的的变化）而变化。变化）而变化。稳稳压压电电路路的的作作用用就就是是消消除除上上述述两两项项变变动动因因素素对对输输出出电电压压的的影响，影响，获得稳定性好的直流电压获得稳定性好的直流电压。第8章 直流稳压电源 8

22、.3.1稳压电路的性能参数稳压电路的性能参数 稳稳压压电电路路的的稳稳压压性性能能主主要要可可通通过过稳稳压压系系数数Sr（coefficientofvoltagestabilization）和输出电阻和输出电阻Ro两项参数来衡量。两项参数来衡量。稳稳压压系系数数Sr定定义义为为在在固固定定负负载载条条件件下下，输输出出电电压压变变化化量量Uo与输入电压变化与输入电压变化量量Ui之比之比,即即(8-16)工工程程上上还还有有一一个个类类似似的的概概念念，称称为为电电压压调调整整率率Su，是是指指当当输输入入电电压变化压变化10%时的输出电压变化量时的输出电压变化量Uo。稳稳压压系系数数和和电电

23、压压调调整整率率均均表表征征了了稳稳压压电电路路抗抗电电网网电电压压波波动动能能力力的的大小大小，Sr或或Su越小，越小，电路的稳压性能越好。电路的稳压性能越好。第8章 直流稳压电源 输输出出电电阻阻定定义义：为为在在固固定定输输入入电电压压条条件件下下，负负载载变变化化产产生生的的输输出出电压变化量电压变化量Uo与负载输与负载输出电流变化量出电流变化量Io之比之比,即即(8-17)工工程程上上也也有有一一个个类类似似的的概概念念，称称为为电电流流调调整整率率Si，是是指指当当Io在在0Iomax范围内变化时的输出电压变化量范围内变化时的输出电压变化量Uo。输输出出电电阻阻和和电电流流调调整整

24、率率均均表表征征了了稳稳压压电电路路抗抗负负载载变变化化能能力力的的大大小小，Ro或或Si越小，电路的稳压性能越好。越小，电路的稳压性能越好。第8章 直流稳压电源【例例8-2】稳稳压压管管稳稳压压电电路路如如图图8-12(a)所所示示。已已知知Ui=25V，波波动动范范围围10%。稳稳压压管管稳稳定定电电压压UZ=10V，稳稳压压管管电电流流IDZ的的允允许许变变化范围为化范围为1060mA。负载电阻负载电阻RL的变化范围为的变化范围为15k。（1）试确定限流电阻试确定限流电阻R的取值范围；的取值范围；（2）若若R为为400，稳稳压压管管动动态态电电阻阻rZ为为10，估估算算电电路路的的稳稳压

25、系数压系数Sr和输出电阻和输出电阻Ro。第8章 直流稳压电源 图图8-12例例8-2电路图电路图(a)电路；电路；(b)微变等效电路微变等效电路 第8章 直流稳压电源 解解：稳稳压压管管稳稳压压电电路路（zenervoltageregulator）是是一一种种最最简简单单的的直直流流稳稳压压电电路路。当当UiUZ时时，稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿区区，只只要要稳稳压压管管电电流流在在允允许许的的范范围围内内，其其端端电电压压就就能能基基本本保保持持不不变变，稳稳压管的这种电流调节作用是其作为稳压电路的工作基础。压管的这种电流调节作用是其作为稳压电路的工作基础。（1）限限流流电电阻阻

26、R的的取取值值范范围围。由由图图8-12(a)可可知知，当当Ui=Uimax、Io=Iomin时，时，IDZ最大，此时应保证：最大，此时应保证：即即第8章 直流稳压电源 当当Ui=Uimin、Io=Iomax时，时，IDZ最小最小，此时应保证，此时应保证即即 因此，限流电阻因此，限流电阻R的取值范围为的取值范围为282625。第8章 直流稳压电源 （2）电路的稳压系数和输出电阻电路的稳压系数和输出电阻图图8-12(a)的微变等效电路如图的微变等效电路如图(b)所示。所示。则有则有第8章 直流稳压电源 8.3.2串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理 稳压管稳压电路稳压管稳压电路演变演

27、变串联型稳压电路串联型稳压电路演变演变集成稳压电源集成稳压电源图图8-13中：中：Ui是是整整流流滤滤波波后后的的不不稳稳定定输输入入电电压压，Uo为为稳稳定定输输出出电电压压。电电阻阻R1、R2、R3构成取样电路，采集输出电压的变化量；构成取样电路，采集输出电压的变化量；限限流流电电阻阻R和和稳稳压压管管VDZ构构成成基基准准电电压压电电路路，为为比比较较放放大大电电路路A提供一个稳定性较高的直流基准电压提供一个稳定性较高的直流基准电压UREF；三三极极管管V称称为为调调整整管管，其其管管压压降降UCE为为Ui与与Uo之之差差。由由于于取取样样电电路路电电流流IR1远远远远小小于于负负载载电

28、电流流Io，调调整整管管V与与负负载载RL近近似似串串联联，故称串联型稳压电路。故称串联型稳压电路。第8章 直流稳压电源 图图8-13串联型稳压电路原理图串联型稳压电路原理图 第8章 直流稳压电源 由由于于某某种种原原因因（如如电电网网电电压压波波动动或或负负载载电电流流变变化化等等）使使输输出电压出电压Uo增大时，取样增大时，取样电压电压 加加在在A同同相相端端的的UREF与与加加在在反反相相端端的的u-相相比比较较，两两者者的的差差值值被被放放大大后后送送至至调调整整管管V的的基基极极，使使基基极极电电位位UB降降低低；由由于于电电路路为为射射极极输出形式，故输出形式，故Uo也随也随UB的

29、降低而降低，即的降低而降低，即Uo得到了稳定。得到了稳定。此此时时Ui-Uo增增大大的的部部分分全全部部由由调调整整管管V承承担担，这这是是通通过过基基极极电电位位UB降降低低，基基极极电电流流IB和和集集电电极极电电流流IC随随之之减减小小,导导致致UCE增增大而自动实现的大而自动实现的。整个过程可概括为。整个过程可概括为：也增大也增大第8章 直流稳压电源 Uou-UBUo当当Uo减小时，同理有减小时，同理有Uou-UBUo由由上上述述分分析析可可知知，串串联联型型稳稳压压电电路路的的稳稳压压过过程程实实质质上上是是通通过过负负反反馈馈实实现现的的，且且为为电电压压串串联联负负反反馈馈。调调

30、整整管管V在在稳稳压压过过程程中中起起到到了了关关键键作作用用，其其管管压压降降UCE可可随随IC的的变变化化而而自自动动调调整整，这这正正是调整管名称的由来。是调整管名称的由来。第8章 直流稳压电源 由图由图8-13可得，可得，UB=Aud(UREF-u-)Uo同时：同时：式中式中Aud为比较放大电路的电压增益，为比较放大电路的电压增益，为为反反馈馈系系数数。在深度负反馈条件在深度负反馈条件下，下，AudF1，所以：，所以：(8-20)(8-19)第8章 直流稳压电源【例例8-3】串串联联型型稳稳压压电电路路如如图图8-13所所示示。已已知知稳稳压压管管的的稳稳定定电电压压UZ=6V，R1=

31、2k，R2=1k，R3=1k。试问：。试问：（1）输出电压输出电压Uo的调节范围？的调节范围？（2）若若Ui为为30V，RL的的变变化化范范围围为为100300，限限流流电电阻阻R为为400，则调整管则调整管V在什么时刻功耗最大？其值多少？在什么时刻功耗最大？其值多少？第8章 直流稳压电源 解解（1）输出电压输出电压Uo的调节范围。的调节范围。当当R2的滑动端位于最上方时，的滑动端位于最上方时，Uo有最小值有最小值Uomin，即即当当R2的滑动端位于最下方时，的滑动端位于最下方时，Uo有有最大值最大值Uomax，即，即因此，输出电压因此，输出电压Uo的调节范围为的调节范围为1224V。第8章 直流稳压电源（2）调整管的最大功耗。调整管的最大功耗。调整管功耗可表示为调整管功耗可表示为 PC=UCEIC(Ui-Uo)(IR1+Io)其中其中,当 即(8-22)第8章 直流稳压电源 时时，PC有有最最大大值值。将将Ui=30V，RLmin=100代代入入式式(8-22)，解解之得之得Uo=15V即即Uo=15V时，调整管时，调整管V有最大功耗，其值为有最大功耗，其值为