《电子技术基础与实训 教学课件 ppt 作者 黎兆林 第9章 直流稳压电源》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术基础与实训 教学课件 ppt 作者 黎兆林 第9章 直流稳压电源（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 直流稳压电源 在电子设备和家用电器中，都需要稳定的直流电源供电，最经济简便的办法就是将电力系统供给的交流电变换成直流电，直流稳压电源就是实现这种转换的电子电路。直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等4部分组成。其组成框图及相关波形如图9-1所示。,图9-1 直流稳压电源的组成框图,9.1 整流和滤波 知识点 （1）整流、滤波电路的结构、原理以及输出电压的估算。 （2）整流、滤波电路的设计以及电路参数的选择。 （3）整流、滤波电路的故障分析。 技能点 （1）掌握整流、滤波电路的设计以及参数的选择。 （2）掌握整流、滤波电路的测试以及故障的分析方法。 9.1.1 整流电路
2、 整流电路根据所输入的交流电压可分为单相整流电路和三相整流电路。单相整流电路除了第1章（见1.1.3所述）介绍的半波整流以外，还有全波、桥式及倍压整流等类型。下面重点介绍应用广泛的单相桥式整流电路。,1、单相桥式整流电路的组成及工作原理 （1）电路的组成 桥式整流电路由4个二极管组成，其常见的几种表示方法如图9-2所示。可以看出，4个二极管是两两串联后再并联，连接成了桥式；整流桥的接线规律是同极性端接负载，异极性端接交流电源。,图9-2 单相桥式整流电路,（2）工作原理 如图9-3所示，按照输出电压uo的参考极性，设 uiU2 sint。在u2的正半周，a端电位高于b端电位，则VD1、VD3导
3、通，VD2、VD4截止，电流i1流经aVD1RLVD3b形成回路（如图中的实线箭头所示），在负载RL得到的输出电压uou2（正向电压）；在u2的负半周， b端电位高于a端电位，则VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流i2流经b VD2RL VD4a形成回路（如图中的虚线箭头所示），在负载RL得到的输出电压uou2（正向电压）。显然，正、负半周的输出电流相同，i1= i2，因而在整个周期内电路都输出脉动的直流电压。相关的电流、电压波形如图9-3所示。,2、输出的直流电压和直流电流 桥式整流输出的直流电压是半波整流时的2倍，根据式（1-1），得 UO0.45 U22=0.9U2 （9-1）
4、输出电流平均值为： IO= UO /RL=0.9U2 / RL （9-2） 其中 U2为输入交流电压u2的有效值。,图9-3 单相桥式整流电路的工作原理和波形,3、整流二极管的选择 根据整流电路的要求，选择二极管的最大整流平均电流IFM和最高反向工作电压URM。 通过二极管的电流平均值为输出电流的一半，故二极管应满足： IFMIV=IO/2=0.45U2/RL （9-3） 二极管截止时所承受的最高反向电压UR为u2的峰值，故二极管时要保证： URMUR= U2 （9-4） 在实际应用中，通常还需考虑电网电压的波动带来的影响，故上述两式的计算值还需乘以1.11.2的系数，以保证电路的可靠工作。
5、例9.1 已知电网电压为220V，某电子设备要求30V的直流电压，负载电阻为100。若选用图9-3 a)所示的单相桥式整流电路，试问： （1）整流变压器的副边电压有效值U2应为多少？ （2）整流二极管的正向平均电流和最大反向电压各为多少？ （3）若电网电压的波动范围为10，应该如何选择整流二极管？ （4）若VD1因故开路，则输出电压平均值将变为多少？ （5）若VD2短路，会出现何种情况？,解：根据题意及已知， （1）由式（9-1）可得 U2=UO/0.9=30/0.9 V33.3V 输出的平均电流为 IO=UO/RL=30/100 A =0.3 A =300mA （2）根据式(9-3）和式（9
6、-4)可得 整流二极管的正向平均电流 Iv=IO/2=300/2 mA =150 mA 最大反向电压 UR= U2= 33.3 V47.1V （3）若电网电压的波动范围为10，选择二极管应满足： IFM1.1Iv=1.1150 mA165 mA URM1.lUR=1.147.1 V51.8V （4）若VD1因故开路，则在u2的正半周，另外的3只二极管均截止，即负载上仅得到半周电压，电路成为半波整流电路。因此，输出电压仅为正常时的一半，即 UO15V。 （5）若VD2短路，在u2的正半周电流的流向为 aVD1VD2b，由于整流管的导通压降只有0.7V，变压器副边相当于短路，电流剧增，可能损坏变压
7、器和二极管。,一些常见的全桥堆的外形如图9-4所示。,图9-4 全桥堆整流器的外形,4、三相桥式整流电路 三相桥式整流电路如图9-5所示，其由6个整流二极管组成，可以看到，在三相电压u2u、 u2V、u2W的变化过程中，总有两个二极管维持导通，其余的则反偏截止。电路瞬时的输出电压是导通的两个二极管所接端线线电压的瞬时值，输出的波形如图中所示。输出电压为直流脉动电压，波形接近平直。通过负载RL的电流方向保持不变。,图9-5 三相桥式整流电路,9.1.2 滤波电路 采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。 1、电容滤波电路
8、 在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图9-6所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。,图9-6 桥式整流电容滤波电路,从图9-6可以看出，当u2为正半周时, 电源u2通过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电（将电能存储在电容里，如t1t2），输出电压uouc u2；uo达峰值后u2减小，当uou2时，VD1、VD3提前截止，电容C通过RL放电，输出电压缓慢下降（如t2t3），由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，当uC下降不多时u2已开始下一个上升周期，当u2uo时，电源u2又通过导通的VD2、
9、VD4向负载RL供电，同时再给电容C充电（如t3t4），如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流（虚线）相比，滤波后输出的电压平滑多了。 显然，放电时间常数RLC越大、输出电压越平滑。若负载开路（RL=），电容无放电回路，输出电压将保持为u2的峰值不变。,（1）输出电压的估算 显然，电容滤波电路的输出电压与电容的放电时间常数=RLC有关，应远大于u2的周期T，分析及实验表明，当 =RLC（35） T /2 （9-5） 时，滤波电路的输出电压可按下式估算，即 UO1.2U2 （9-6） （2）整流二极管导通时间缩短了，存在瞬间的浪涌电流
10、，要求二极管允许通过更大的电流，管子参数应满足 IFM2IV=IO （9-7） （3）在已知负载电阻RL的情况下，根据式（9.5）选择滤波电容C的容量，即 C（35） T /2RL （9-8） 若容量偏小，输出电压UO将下降，一般均选择大容量的电解电容；电容的耐压应大于u2的峰值，同时要考虑电网电压波动的因素，留有足够的余量。 电容滤波电路的负载能力较差，仅适用于负载电流较小的场合。,例9.2 有一单相桥式整流、电容滤波电路如图9-6所示。已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL =200，要求直流输出电压UO=30V。 （1）试选择整流二极管及滤波电容器。 （2）若检测到UO为以下数值：2
11、2.5V、35V、11.25V，电路可能是何种故障？ 解：根据题意及已知条件，可得 （1）选择整流二极管。流过二极管的电流为 Iv=IO/2=0.075A = 75mA 根据式（9-7），二极管应满足 IFM2IV=IO=150mA 根据式（9-6），变压器的副边电压有效值为 U2=UO/1.2 =25V 二极管所承受的最高反向电压为 UR U2 25 V =35V 查手册可知，2CZ53B（IFM=300mA、URM=50V）可满足要求。 选择滤波电容器。根据式(9-8)，且T=1/f=0.02s，取 C=5 T /2RL =50.02/（2200）F =250F 电容耐压应大于 u2=35
12、V，故应选取330F/50V的电解电容器。,（2）UO为以下数值时，可能的故障为： UO=22.5V，即UO=0.9U2，属单纯的桥式整流状态，可判定为滤波电容开路。 UO=35V， 即UO=1.4U2，输出为交流电压的峰值，可断定为负载开路； UO=11.25V，即UO=0.45U2，属半波整流的状态，可判定至少有一个二极管开路、滤波电容也开路。,2、其它滤波电路 （1）电感滤波电路 电感滤波电路如图9-7所示，滤波电感与负载串联，又称之为串联滤波电路。由于电感L对于直流分量的电抗近似为0，故整流输出中的直流分量几乎全部降落在负载RL上；而对于交流分量，电感器L呈现出很大的感抗XL，使交流分
13、量大部分降落在电感L上，从而在输出端得到比较平滑的直流电压，达到滤波的目的。,图9-7 电感滤波电路,由于电感器串接中负载与整流输出端之间，电感滤波电路输出电压的最大值接近整流电路的输出电压，即UO=0.9U2。电感滤波电路适用于大电流、低电压的场合。 （2）复式滤波电路 复式滤波电路将各种滤波电路的优点组合，进一步减小输出电压的脉动成分，从而改善了滤波的效果。常用的有LC滤波器、RC滤波器、型LC滤波器、型RC滤波器等，分别如图9-8中的a)、b)、c)、d)等所示。,图9-8 复式滤波电路,a) b) c) d),思考题 （1）说明半波整流、桥式整流电路的区别。 （2）滤波电容容量大小能否
14、随意选取？为什么？ （3）在电容滤波的整流电路中，二极管的导通时间为什么变小？ （4）在桥式整流电路中，如果有其中一个二极管的极性接反，电路会出现什么情况？,9.2 稳压电路 知识点 （1）串联型稳压电源的结构、原理以及输出电压的调节。 （2）串联型稳压电源的参数设计、故障分析。 （3）线性集成稳压器的类型以及典型应用。 （4）开关稳压电源的原理。 技能点 （1）掌握直流稳压电源的测试、调试和故障分析方法。 （2）掌握线性集成稳压器的选择以及典型应用电路。 经整流和滤波后的电压虽然比较平滑，但会随交流电源电压、负载的变化而波动，不能满足要求稳定直流电压供电的场合，所以，在滤波电路之后必须接入稳
15、压电路。常见的有并联型稳压电路、串联型稳压电路和开关型稳压电路。,9.2.1 串联型稳压电路 1、电路组成 串联型稳压电路通常由取样、基准电压、比较放大和调整等环节组成。其方框图如图9-9所示。图9-10为典型的串联型稳压电路；电阻R1、RP和R2组成取样电路，提供反映输出电压变化的取样电压，电位器RP可在一定范围内调节输出电压；稳压管VZ和限流电阻R4构成基准电压；VT2构成比较放大器，用于放大取样电压与基准电压比较后的误差信号，R3是VT2的集电极负载电阻，又作为VT1的基极偏置电阻；调整管VT1则根据比较放大器的控制信号自动调节其集、射极之间的电压UCE1，达到稳定输出电压的目的。 由于调整管串联在输入电压与负载之间，故称之为串联型稳压电路。,图9-9 串联型稳压电路方框图 图9-10 串联型稳压电路,2、稳压原理 从图9-10所示电路可看出，输出电压与输入电压的关系为： UO = UIUCE1。 当电网电压波动或负载变化使输出电压UO升高时，取样电压UB2亦随之升高，由于基准电压UZ不变，两者比较的误差电压经VT2放大，使VT2的输出电压Uc2 （即调整管VT1的基极电压UB1）下降，调整管VT1的UBE1减小（IB1减小），其集、射极之间的电压UCE1增大、UO随之降低
