直流稳压电源的原理与设计

《直流稳压电源的原理与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流稳压电源的原理与设计（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 直流稳压电源的原理与设计直流稳压电源的原理与设计 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用电源变压器电源变压器：把：把220V电网电压降至所需电压。电网电压降至所需电压。整流电路整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。：减小脉动使输出电压平滑。稳压电路稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输：在电网电压波动或负载电流变化时保持输 出电压基本不变。出电压基本不变。 整流与滤波电路整流与滤波电路1.半波整流电路半波整流电路二极管导通，忽略二极二极管导通，忽略二极管正向压降，管正向压降， uo=u2

2、u1u2aTbDRLuo为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。二极管截止二极管截止, uo=0+io+u2 0 时时:u20时时:一一. 单相整流电路单相整流电路单相半波整流电压波形单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD t 2 3 4 0输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（输出电流平均值（Io )：( )=pwp2 021tduUoo=( )pwp 021tdsinw t22U=p2245. 02UU=u1u2aT

3、bDRLuouDioIo= Uo /RL =0.45 U2 / RL uo 2 0 t二极管上二极管上的的平均电流平均电流及及承受的承受的最高反向电压最高反向电压：u1u2aTbDRLuouDiouD 2 0 tUDRM二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：ID = IOUDRM=22U承受的最高反向电压承受的最高反向电压:2.全波整流电路全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+原理：原理：+变压器副边中心抽头，变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压感应出两个相等的电压u2当当u2正半周时，正半周时， D1导通，导通，D2截止。截止。当当u2负半周时，负半周时， D2导通，导通

4、，D1截止。截止。u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形单相全波整流电压波形u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2 = 2u2+忽略二极管正向压降忽略二极管正向压降输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）,输出电流平均值（输出电流平均值（Io )：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo 2 0 t( )=pwp 01tduUoo=( )pwp 01tdsinw t22UIo= Uo /RL =0.9 U2 / RL =p229. 02UU=2二极管上二极管上的的平均电流平均电流及及承受的承受的最高反向电压最高反向电压：u1u2aTbD1RLuoD2u2io

5、二极管上二极管上的的平均电流：平均电流：oDII21=uD 2 0 tDRM22UU= 2二极管承受的二极管承受的最高反向电压最高反向电压：3. 桥式整流电路桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo+u1u2TD3D2D1D4RLuou2正半周时电流通路正半周时电流通路D1 、D4导通，导通， D2、D3截止截止-+u0u1u2TD3D2D1D4RLu2负半周时电流通路负半周时电流通路D2、D3 导通，导通， D1 、D4截止截止集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uo+ +- +4. 整流电路的主要参数

6、整流电路的主要参数 负载电压负载电压 Uo的平均值为的平均值为:( )=ootduU2021w负载上的负载上的(平均平均)电流电流:LoRUIo=(1)整流输出电压的平均值整流输出电压的平均值uo 2 0 t S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1M与与Uo平均值之比。平均值之比。S越越小越好。小越好。（2）脉动系数）脉动系数用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:uo 2 0 t基波基波基波峰值基波峰值输出电压平均值输出电压平均值平均电流平均电流(ID)与反向峰值电压与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管是选择整流管的主要依

7、据。的主要依据。oDII21=例如：例如： 在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流因此，流过每只整流二极管的平均电流 ID 是负载平均电是负载平均电流的一半。流的一半。 二极管截止时两端承受的最大反向电压：二极管截止时两端承受的最大反向电压：(3)二极管平均电流与反向峰值电压二极管平均电流与反向峰值电压（选购时：二极管额定电流（选购时：二极管额定电流 2ID)（选购时：（选购时：最大反向电压最大反向电压 2URM)全波整全波整流电路流电路桥式整桥式整流电路流电路半波整半波整流电路流电路二、滤波电路二、滤波电路滤波电

8、路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压RLLRLC1. 电容滤波电路电容滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。其电路如图所示。(1)电容滤波原理电容滤波原理a桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuotu2上升，上升， u2大于电容大于电容上的电压上的电压uc，u2对电容充电，对电容充电，uo= uc 时间常数时间常数 = rd Cu2下降，下降，

9、 u2小于电容上的电压。小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。二极管承受反向电压而截止。电容电容C通过通过RL放电，放电， uc按指数按指数规律下降，时间常数规律下降，时间常数 = RL Cu2tuot只有整流电路输只有整流电路输出电压大于出电压大于uc时，时，才有充电电流。才有充电电流。因此二极管中的因此二极管中的电流是脉冲波。电流是脉冲波。二极管中的二极管中的电流电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot电容充电时，电容充电时，电容电压滞后电容电压滞后于于u2。RLC越小，输越小，输出电压越低。出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且

10、RLC较大）时较大）时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内阻)一般取一般取)105(TCRL-=(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL(b) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC 越大越大 Uo越高越高负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大(2)电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(a) 输出电压输出电压 平均值平均值Uo与时间常数与时间常数 RLC 有关有关RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二极管承受

11、的最高反向电压二极管承受的最高反向电压2. 电感滤波电路电感滤波电路电路结构电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。就构成了电感滤波电路。u2u1RLLuo电感滤波原理电感滤波原理对谐波分量对谐波分量: f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电压大部分降在XL上。上。 因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：约为：u2u1RLLuo对直流分量对直流分量: XL=0 相当于短路相当于短路,电压

12、大部分降在电压大部分降在RL上上3. RC 型型滤波器滤波器改善滤波特性的方法：改善滤波特性的方法：采取多级滤波采取多级滤波uoRu2u1C1C2uo1RLRC 型型滤波器滤波器将将RC 型型滤波器中的电阻换为电感，滤波器中的电阻换为电感，变为变为LC 型型滤波器滤波器串联式稳压电路串联式稳压电路稳压电路的作用稳压电路的作用: :交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波有波纹的有波纹的直流电压直流电压稳压稳压直流直流电压电压稳压电源类型稳压电源类型:以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。稳压二极管稳压二极管稳压电源稳压电源开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电

13、路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )电路最简单，电路最简单，但是带负载能但是带负载能力差，一般只力差，一般只提供基准电压，提供基准电压，不作为电源使不作为电源使用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较多，但因学时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。一一. . 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 利利用用稳稳压压二二极极管管的的反向击穿特性。反向击穿特性。 由由于于反反向向特特性性陡陡直直，较较大大的的电电流流变变化化，只只会会引引起起较较小小的的电电压压变变化。化。 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路1. 1. 稳压原理

14、稳压原理(1) (1) 当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知根据电路图可知 输输入入电电压压VI的的增增加加，必必然然引引起起VO的的增增加加，即即VZ增增加加，从从而而使使IZ增增加加，IR增增加加，使使VR增增加加，从从而而使使输输出出电电压压VO减减小小。这这一一稳压过程可概括如下：稳压过程可概括如下： VIVOVZIZIRVRVO 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 这里这里VO减小应理解为，由于输入电压减小应理解为，由于输入电压VI的增加，的增加，在稳压二极管的调节下，使在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而的增加没有那么大而已。已。VO还是要

15、增加一点的，这是一个有差调节系统。还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。2.2.稳压电阻的计算稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大越大，稳压性能越好。稳压性能越好。稳压电阻稳压电阻R 的作用的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。也是限流电阻。 显然显然R 的数值越大，较小的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的的变化就可引起足够大的VR变化，变化，就可达到足够的稳压效果。就可达到足够的稳压效果。 但但R 的数值越大，就需要较大的输入

16、电压的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加值，损耗就要加大。大。稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大的阻值大小有关。小有关。稳压电阻的计算如下稳压电阻的计算如下 当当输输入入电电压压最最小小，负负载载电电流流最最大大时时，流流过过稳稳压压二二极极管管的的电电流流最最小小。此此时时I IZ Z不不应应小小于于I IZminZmin，由由此此可可计计算算出出稳稳压压电电阻阻的的最最大大值值，实实际际选选用用的的稳稳压压电电阻阻应应小小于于最最大大值值。即即(1)(1

17、)稳压二极管在使用时稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！否则会造成损坏！ 当当输入电压最大，负载电流最小输入电压最大，负载电流最小时，流过时，流过 稳压二极管的电流最大。此时稳压二极管的电流最大。此时I IZ Z不应超过不应超过I IZmaxZmax，由，由 此可计算出此可计算出稳压电阻的最小值稳压电阻的最小值。即。即(2)(2)三三. . 串联型稳压电源串联型稳压电源1. 1. 串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 VO =VI- -VR，当当VIR VR在在一一定定程程度度上上抵抵消消了了VI增增

18、加加对对输输出出电电压压的的影影响。响。若若负负载载电电流流ILRVR在在一一定定程程度度上上抵抵消消了了因因IL增增加加，使使VI减小，对输出电压减小的影响。减小，对输出电压减小的影响。 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 在在实实际际电电路路中中，可可变变电电阻阻R R是是用用一一个个三三极极管管来来替替代代的的，控控制制基基极极电电位位，从从而而就就控控制制了了三三极极管管的的管压降管压降VCE，VCE相当于相当于VR。 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的构成：串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源调整管

19、、放大环节、比较环节、基准电压源2.2.工作原理工作原理1 1输入电压变化时输入电压变化时VIVOVfVO1VCEVO实质：实质：电压负反馈电压负反馈2 2负载电流变化时负载电流变化时ILVIVOVfVO1VCEVO3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算可见，调节可见，调节R2可以改变输出电压。可以改变输出电压。根据根据“虚短虚短”VfVREFT1调整管调整管R3 、 T2比较放大比较放大R1 、 RW 、R2采样电阻采样电阻R 、 UZ基准电压基准电压3. 分立元件组成的串联式稳压电源分立元件组成的串联式稳压电源R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB

20、2稳压原理稳压原理UoUB2UBE2=（UB2-UZ）UC2 （UB1 ）Uo当当 UI 增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使 Uo升高时升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2 （UB1 ）(3) 输出电压的确定和调节范围输出电压的确定和调节范围因为：因为：OU2BEZUU+22WRR+21WRRR+=()22221BEZWWOUURRRRRU+=所以：所以：2221ZWWURRRRR+=忽略忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k ，求输，求输出电

21、压的调节范围。出电压的调节范围。R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU+=4=6V4.74.7+=4.74.7+ 4.7221ZWOmaxURRRRU+=4=12V4.74.7+=4.74.710.3 三端集成稳压三端集成稳压器器一一. 输输出出电电压压固固定定的的三三端端集集成成稳稳压压器器 （正电压（正电压 78 、负电压、负电压 79 ）恒流源恒流源基准电压电路基准电压电路调整电路调整电路比较放大比较放大减流保护减流保护过热保护过热保护启动电路启动电路取取样样电电路路IQR1R2输出电压可调的稳压电路输出电压可调的稳压电路I

22、1I2如何消除如何消除IQ的影响呢？的影响呢？1端端: 公共端公共端2端端: 输入端输入端3端端: 输出端输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图系列稳压器外形及典型接线图123+W7905UI+Uo231CI0.11 FCo1F-10V-5V1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共端3端端: 输出端输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.11 FCo1F+10V+5V注意：注意：输入与输出端输入与输出端 之间的电压不之间的电压不 得低于得低于3V！10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用1. 固定式应

23、用举例固定式应用举例10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例 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。 10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例四四. 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标输出电压变化量输出电压

24、变化量稳压系数稳压系数输出电阻输出电阻温度系数温度系数直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计的依据是技术指标设计的内容包括： 电路结构选择、参数计算、器件选择、具体电路设计步骤包括： 根据市场、技术潮流、主要指标选择电源类型和电路结构 根据电压关系计算各部分的电压 根据电流关系计算各部分的电流 根据功率关系计算各部分的功率 根据电压、电流、功率选择器件设计结果包括： 具体电路图，设计到电路、器件型号、管脚 电感与变压器i四、磁导率四、磁导率表征各种材料导磁能力的物理量表征各种材料导磁能力的物理量（亨（亨/米）米） 真空中的磁导率真空中的磁导率( )为常数为常数一般材料的

25、磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率，则称为磁性材料，则称为磁性材料，则称为非磁性材料，则称为非磁性材料三、三、 功率损耗功率损耗 + + u ui i铁心线圈交流电路的有功功率为：铁心线圈交流电路的有功功率为：铜损耗铜损耗 Pcu铁损耗铁损耗 PFe铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。OOH HB BPCu线圈电线圈电阻阻R上的损耗上的损耗PFe 处于交变磁化下的铁心的损耗处于交变磁化下的铁心的损耗（1）磁滞损耗）磁滞损耗 （ Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（磁滞损耗（

26、 Ph）。）。 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率和磁场交变的频率 f。 (2)涡流损耗（涡流损耗（ Pe）涡流损耗涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。 涡流涡流：交变磁通在铁心内产生感交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。在垂直于磁通的平面内环流。涡流涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。 减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变

27、压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。 设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。 磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。变压器的基本结构变压器的基本结构单相变压器单相变压器+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心变压器的基本结构变压器的基本结构变压器符号：变压器符号： 一次、二次绕一次、二次绕组互不相连，能量组互不相连，能量的传递靠磁耦合。的传递靠磁耦合。 磁芯形状及特点磁芯形状及特点形状形状特点特点EE 、EI TYPE大小齐全大小齐全 有有JIS及及IEC标准标准EER、ETDTYPE 大小齐全大小齐全 有有JIS及及IEC标准标准LP、EEDTYPE low profile （扁平特性）（扁平特性） 适合高密度装配适合高密度装配C型变压器R型变压器