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1、第9章直流电源本讲稿第一页，共三十八页交流交流电源电源负负载载 变压变压整流整流滤波滤波稳压稳压ututututut直流稳压电源组成直流稳压电源组成:变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。电源变压器电源变压器:将交流电降压将交流电降压,变换为所需要的电压值；变换为所需要的电压值；整流电路整流电路:将交流电压转换为单向脉动直流电压；将交流电压转换为单向脉动直流电压；滤波电路滤波电路:将交流分量滤出将交流分量滤出,使输出电压平滑；使输出电压平滑；稳压电路稳压电路:使输出电压不受电网电压的波动、负载和温度使输出电压不受电网电压的波动、负载和温度 变化的影响变化的
2、影响,提高输出电压的稳定性。提高输出电压的稳定性。第第9 9章章 直流稳压电源直流稳压电源本讲稿第二页，共三十八页9.1 变压器变压器 变压器变压器:利用利用电磁感应电磁感应传递电能和信号的电气设备传递电能和信号的电气设备,具有具有变换电压变换电压、电电流流和和阻抗匹配阻抗匹配的功能。的功能。9.1.1 变压器的基本结构变压器的基本结构 1 1铁心铁心 2 2线圈线圈 aba.心式变压器心式变压器:绕组包围铁绕组包围铁心心,容量较大。容量较大。b.壳式变压器壳式变压器:铁心包围绕铁心包围绕组组,容量小。容量小。铁心铁心:变压器的变压器的磁路部分磁路部分,为了减小铁心损耗为了减小铁心损耗,铁心是
3、用表面涂有绝缘铁心是用表面涂有绝缘漆的厚度为漆的厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠成的。的硅钢片叠成的。绕组绕组:电路部分电路部分,常用绝缘铜线或铝线。原绕组常用绝缘铜线或铝线。原绕组(初级绕组初级绕组.一次绕组一次绕组):与电源相连与电源相连;副绕组副绕组(次级绕组次级绕组.二次绕组二次绕组):与负载相连。为了加强绕与负载相连。为了加强绕组间的磁耦合组间的磁耦合,采用采用同心式同心式结构结构,将高将高.低压绕组绕在同一铁心上低压绕组绕在同一铁心上,高压高压绕组在外侧绕组在外侧,以便于与铁心绝缘。以便于与铁心绝缘。本讲稿第三页，共三十八页9.1.2 变压器的原理和作用变压器的原理和作用 变压
4、器符号：变压器符号：工作过程：工作过程：变压器工作过程中变压器工作过程中,原、副边没有电的直接原、副边没有电的直接联系联系,只有只有磁的耦合磁的耦合,通过磁路来实现能量通过磁路来实现能量的传递。体现了变压器的隔离作用。的传递。体现了变压器的隔离作用。N1N2本讲稿第四页，共三十八页1.空载运行和电压变换空载运行和电压变换 变压器空载时变压器空载时,原、副绕组的电压和原、副绕组的电压和绕组的匝数成正比。绕组的匝数成正比。变压器的变压器的电压变换电压变换作用：作用：K为变压器的为变压器的变变压压比比。规定规定,当原绕组接额定电压当原绕组接额定电压U1N时时,副绕组副绕组空载电压空载电压U20就就是
5、是U2N。变压器铭牌上所标变压器铭牌上所标U1N/U2N=K。变压器必须按额定电压使用。变压器必须按额定电压使用。+-u20本讲稿第五页，共三十八页2.负载运行和电流变换负载运行和电流变换 变压器负载变压器负载运运行时行时,原、副绕组的电流有效值之比近似等于原、原、副绕组的电流有效值之比近似等于原、副绕组匝数比的倒数副绕组匝数比的倒数,即即变压器在改变电压的同时也改变了电流变压器在改变电压的同时也改变了电流,即有即有电流变换电流变换作用。作用。对于单相变压器对于单相变压器,则有则有 额定容量额定容量(SN):副绕组的额定电压副绕组的额定电压U2N与与额定电额定电流流I2N的乘积。的乘积。本讲稿
6、第六页，共三十八页3.阻抗变换阻抗变换|ZL|+u1-i1i2i1|ZL|+u2-+u1-变压器电路变压器电路等效电路等效电路当副边接负载当副边接负载ZL时时,有：有：对电源而言对电源而言,它所接的负载等效阻抗为它所接的负载等效阻抗为 副边接阻抗为副边接阻抗为|ZL|的负载时的负载时,对原边电源对原边电源,相当于接相当于接K2|ZL|的负载。的负载。阻阻抗变换抗变换。本讲稿第七页，共三十八页9.1.3 变压器绕组的同极性端变压器绕组的同极性端 多绕组变压器的串、并联必须根据绕组的同极性端正确连接多绕组变压器的串、并联必须根据绕组的同极性端正确连接,否则否则,有有可能烧坏变压器。可能烧坏变压器。
7、绕组的同极性端绕组的同极性端(即同名端即同名端)：因变压器各绕组上的电压都是随时间而变化的因变压器各绕组上的电压都是随时间而变化的,某一时刻磁通某一时刻磁通变化时变化时,在某一绕组的某一端上感应的电动势极性为正在某一绕组的某一端上感应的电动势极性为正,同时在其他绕组上同时在其他绕组上,也会有一个对应端也会有一个对应端,感应的电动势极性为正。这种感应的电动势极性为正。这种电位瞬时极性相电位瞬时极性相同同的对应端称的对应端称同极性端同极性端,或或同名端同名端。本讲稿第八页，共三十八页同极性端用同极性端用“”表示。表示。图图(a),两线圈两线圈绕向相同绕向相同,利用右利用右手螺旋法则手螺旋法则,1.
8、3为同名端为同名端(2.4为为同名端同名端)。图图(b),两线圈两线圈绕向相反绕向相反,1.4为同名端为同名端(2.3同名端同名端)。1234 i1i1(a)-+-+e1e11234 i1i1(b)-+-+e1e19.1.3 变压器绕组的同极性端变压器绕组的同极性端 绕组的同极性端与它们的绕向有关。若已知线圈的绕向绕组的同极性端与它们的绕向有关。若已知线圈的绕向,则用右手螺则用右手螺旋法则可判断出同名端。旋法则可判断出同名端。实际的变压器线圈实际的变压器线圈,经过浸漆或其他工艺处理经过浸漆或其他工艺处理,无法从外表来辨认无法从外表来辨认其绕向其绕向,则只能用实验的方法测定同名端。则只能用实验的
9、方法测定同名端。本讲稿第九页，共三十八页变压器原绕组的正确连接变压器原绕组的正确连接 设两个绕组额定电压均为设两个绕组额定电压均为110V。若要接到若要接到220V的电源上的电源上,需需串联串联,这时必须这时必须异极性端异极性端(2,3)相连相连,1,4端端接电源。接电源。若电源电压是若电源电压是110V,则两个绕组应当则两个绕组应当并联并联,这时必须这时必须同极性端同极性端分分别相连。别相连。1234 i1i1(a)+220V -+-+e1e11234 i1i1(b)-+-e1e1+-110V本讲稿第十页，共三十八页9.2 整流电路整流电路io如图如图:设变压器副边电压为设变压器副边电压为:
10、整流电路整流电路:将交流电压变换为单向脉动电压的电路。将交流电压变换为单向脉动电压的电路。整流元件整流元件是是具有单向导电能力的具有单向导电能力的二极管二极管或或晶闸管晶闸管。TrDRL+abuuo t tuuoio9.2.1 单相半波整流电路单相半波整流电路根据二极管的单向导电性根据二极管的单向导电性,u0时时,二极二极管管导通导通,u0=u；而而uu+u-+-无无滤滤波波有有滤滤波波二极管二极管UDRM=22U当当RL=时时,UO=2U,输出最大。输出最大。电容电容滤波器滤波器输出电压的脉动程度有所改善输出电压的脉动程度有所改善,但带负载能力较差。但带负载能力较差。本讲稿第十八页，共三十八
11、页采用采用电容滤波电容滤波时时,输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数RLC有有关关,其值愈大则脉动程度就愈小。一般为其值愈大则脉动程度就愈小。一般为:即即输出电压输出电压Uo由下式估算：由下式估算：(半波半波);(全波全波)二极管的导通时间短二极管的导通时间短,在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷荷,即电流平均值为零，即电流平均值为零，ID=IO。9.3.1 电容滤波电路电容滤波电路二极管的导通时间较短二极管的导通时间较短,因此通过二极管的电流峰值较大因此通过二极管的电流峰值较大,应避免电应避免电流冲击损坏二
12、极管。流冲击损坏二极管。二极管选择时二极管选择时,一般按一般按(23)ID选择二极管的最大整流电流。选择二极管的最大整流电流。本讲稿第十九页，共三十八页桥式电容滤波桥式电容滤波:t0 0u电容滤波器的作用电容滤波器的作用有有滤滤波波aTrbuRLuoD1D2D3D4C二极管二极管UDRM=2U9.3.1 电容滤波电路电容滤波电路滤波电路中滤波电路中电容电容元件的选择：元件的选择：耐压值为二极管的反向工耐压值为二极管的反向工作峰值电压。作峰值电压。电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点:结构简单结构简单,输出电压较高输出电压较高,脉动也较小脉动也较小,带负带负载能力差载能力差,且有电流冲击。且有电
13、流冲击。本讲稿第二十页，共三十八页例例:如图如图,已知电源已知电源f=50Hz,RL=200,要求输出直流电压要求输出直流电压U0=20V,选择整选择整流二极管和滤波电容。流二极管和滤波电容。RLuuoC解：解：查附录查附录C-1可知可知,应选用应选用2CZ52B(100mA,50V)。应选用应选用C=250F,耐压为耐压为50V的电解电容。的电解电容。本讲稿第二十一页，共三十八页为了减小输出电压的脉动程度为了减小输出电压的脉动程度,可在滤波电容之前串接一个铁心可在滤波电容之前串接一个铁心电感线圈电感线圈L即即电感滤波器电感滤波器。XL=2fL,f愈高愈高,电感上的压电感上的压降降愈大愈大,输
14、出电压的脉动程输出电压的脉动程度减小度减小。一般需要线圈的电感量较大一般需要线圈的电感量较大,但其直流电阻也较大但其直流电阻也较大,因而会因而会造成输出电压的下降。造成输出电压的下降。L滤波器适于电流较大、输出电滤波器适于电流较大、输出电压脉动很小场合压脉动很小场合,更适合高频滤波。更适合高频滤波。9.3.2 电感滤波电感滤波电路电路 TrRLuCL电感滤波电路电感滤波电路+-本讲稿第二十二页，共三十八页如果需要输出电压的脉动更小如果需要输出电压的脉动更小,可再加一个滤波电容可再加一个滤波电容,即即 形形LC滤波器。滤波器。由于线圈体大且重由于线圈体大且重,有时可用电阻有时可用电阻代替电感线圈
15、以构成代替电感线圈以构成 形形RC滤波滤波器器。R愈大滤波效果愈好愈大滤波效果愈好,但将使但将使输出电压下降输出电压下降,所以适用于负载电所以适用于负载电流较小、电压脉动很小场合。流较小、电压脉动很小场合。9.3.3 形形滤波电路滤波电路 形形LC滤波电路滤波电路RLuC2LC1+-形形RC滤波电路滤波电路RLuC2RC1+-本讲稿第二十三页，共三十八页9.4.1 稳压管稳压电路稳压管稳压电路最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。1.电路结构电路结构9.4 稳压电路稳压电路 经整流和滤波后经整流和滤波后,虽脉动程度有了最大改善虽脉动程度有了最大改善,但
16、直流电压幅度还会随但直流电压幅度还会随着着电网的波动或负载的变化电网的波动或负载的变化而变化。需进行稳压。而变化。需进行稳压。uUIUoIZ(稳压管特性稳压管特性)UR(IR=IZ+Io)Uo=UI-RIR,抵消抵消UI,保持保持Uo近似不变。近似不变。(1)电网电压波动电网电压波动(2)负载波动负载波动IoIRURUo(UI不变不变)IZURUo不变不变2.工作原理工作原理选稳压管规律选稳压管规律:UZ=Uo;IZM=(1.5-5)IOM;UI=(2-3)Uo3.稳压管的选择稳压管的选择RLUIDZRCUOIZIo+-IRu+-本讲稿第二十四页，共三十八页例例:如图如图,已知已知RL由开路变
17、至由开路变至2k,交流电压经整流滤波后得到交流电压经整流滤波后得到UI=30V。今。今要求要求Uo=10V,试选择合适的稳压管。试选择合适的稳压管。解：当解：当RL=2 k时时查查附附录录C-2可知可知,应选应选用用2CW59,其参数其参数为为 Uz=1011.8 V，IZM=20 mARLUIDZRCUOIZIo+-IR本讲稿第二十五页，共三十八页由稳压管稳压电路和运算放大器组成恒压源。由稳压管稳压电路和运算放大器组成恒压源。9.4.2 恒压源恒压源反相输入恒压源反相输入恒压源同相输入恒压源同相输入恒压源稳压管的稳压电路输出电压是固定的稳压管的稳压电路输出电压是固定的,而恒压源的输出电压而恒
18、压源的输出电压是可调的是可调的,且引入电压负反馈使输出电压更稳定。且引入电压负反馈使输出电压更稳定。RLUoDZRFUZR2+UR+R1+RLUoDZRFUZR2+UR+R1+本讲稿第二十六页，共三十八页9.4.3 串联型稳压电路串联型稳压电路 R1+Uo-DZRF+UI-R2+-+RL+UZ-把同相输入恒压源的输出接在把同相输入恒压源的输出接在大电流晶体管大电流晶体管T的基极而从发射的基极而从发射极输出极输出,就变成就变成串联型稳压电路。串联型稳压电路。调整管调整管T构成一构成一射极输出器射极输出器,其作用是进行其作用是进行电流放大电流放大。RF为为反馈电阻反馈电阻,构构成成串联电压负反馈串
19、联电压负反馈电路。电路。本讲稿第二十七页，共三十八页9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 集成稳压器有输入集成稳压器有输入,输出和公共端输出和公共端,故称为故称为三端集成稳压器三端集成稳压器。有有两种两种。78系列系列是是正电压输出正电压输出,79系列系列是是负电压输出负电压输出。其内部是。其内部是串串联型稳压电路联型稳压电路,它具有体积小它具有体积小.可靠性高可靠性高.使用灵活使用灵活.价格低廉等优点。价格低廉等优点。78/79系列的系列的最后两位数最后两位数表示该集成电路的表示该集成电路的输出电压值输出电压值。如。如W7815的输出电压为的输出电压为15V,W7
20、915的输出电压为的输出电压为-15V。CICOW78123UIUO+外形和基本应用电路：外形和基本应用电路：CI用以抵消输入较长引线的用以抵消输入较长引线的电感效应电感效应,防止产生自激振荡防止产生自激振荡,CI为为0.1F1F;C0是为了瞬时增减负载电流时是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大波动不致引起输出电压有较大波动,C0可用可用1F1F。本讲稿第二十八页，共三十八页应用电路应用电路 1.正负电压同时输出的电路正负电压同时输出的电路 CCiCoW7815123+15V+CiCoW791512315V+1000 F1000 F0.33 F0.33 F1 F1 F220V24V2
21、4V9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 本讲稿第二十九页，共三十八页UCICoW78 123UIUO+R1R2+-+-RI3+-+-2.输出电压可调的电路输出电压可调的电路 输出电压：输出电压：9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 +Uxx-本讲稿第三十页，共三十八页9.4.5 三端可调输出电压集成稳压器三端可调输出电压集成稳压器 三端三端固定固定稳压器虽然通过外接电路构成输出电压可调的稳压电稳压器虽然通过外接电路构成输出电压可调的稳压电源源,但性能指标有所降低但性能指标有所降低,且使用也不方便。因此三端且使用也不方便。因此三端可调可调
22、输出电压集输出电压集成稳压器应运而生。成稳压器应运而生。这类稳压器也有正压稳压器和负压稳压器。同时就输出电流而言这类稳压器也有正压稳压器和负压稳压器。同时就输出电流而言,有有100mA、0.5A、1.5A等各类稳压器。以等各类稳压器。以CW117CW217CW317(正压正压集成稳压器集成稳压器)和和CW137CW237CW337(负压负压稳压器稳压器)为例说为例说明它们的实际应用。明它们的实际应用。本讲稿第三十一页，共三十八页1.可调集成稳压电源的标准电路可调集成稳压电源的标准电路 UoUIR2R1CW117/CW217/CW317D1D2123CICo CW117CW217CW317在在输
23、出端输出端2和调整端和调整端3之间的电之间的电压为压为1.25V,从调整端从调整端3流出的流出的电流为电流为50A。输出电压输出电压:UO=1.25(1+R2/R1)+5010-6R2 若若R2小可小可忽略忽略Rl一般选一般选100120,改变改变R2可调节输出电压。可调节输出电压。CW117CW217CW317的输出电压范围为的输出电压范围为1.2537V。CI.Co作用同三端固定集成稳压器相同。作用同三端固定集成稳压器相同。D1.D2用于防止集成稳压用于防止集成稳压电源输入、输出端发生电源输入、输出端发生短路短路。本讲稿第三十二页，共三十八页2.0V起调的可调集成稳压电路起调的可调集成稳压
24、电路 -UUOUIR2R1CW117/CW217/CW317D2123CICOR3+1.25V-电阻电阻R2不接地不接地,接到一个接到一个-1.25V的电位上的电位上,能实现从能实现从0V连续起调连续起调,在接在接地点和地点和R2间接入稳压二极管间接入稳压二极管,其稳压值约其稳压值约1.25V,就能完成上述功能就能完成上述功能(R3有限流作用有限流作用)。本讲稿第三十三页，共三十八页3.扩大输出电流的电路扩大输出电流的电路 一般一般I3很小很小,忽略不计忽略不计 设设=10,UBE=-0.3V,R=0.5,I2=1.5A,则由上式可算出则由上式可算出IC=9A。可见输出电。可见输出电流流(IC
25、+I2)比比I2扩大了。扩大了。UOUI5k 120 CW117/CW127/CW317D2123+10 F10 F0.33 FR+I3IRIBI1ICTI2本讲稿第三十四页，共三十八页本讲稿第三十五页，共三十八页DZUZUCiCoW78 123UiUo+R提高输出电压的应用电路提高输出电压的应用电路输出电压为输出电压为9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 本讲稿第三十六页，共三十八页扩大输出电流的电路扩大输出电流的电路一般一般I I3 3很小很小,则则大功率晶体管大功率晶体管W78CiCoUiUoRI2ICIBIRI1I3当所需电流大于当所需电流大于1-2A时时,可用可用外接功率管的方法扩大输出电外接功率管的方法扩大输出电流。流。9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 本讲稿第三十七页，共三十八页输出电压可调的电路输出电压可调的电路+UO-R2R1R3Co+UR3-R4+U-W78Ci+UI-滑线最低滑线最低,R1大大,R2小小,Uo最小最小滑线最高滑线最高,R1小小,R2大大,Uo最大最大R4=0 R3=9.4.4 三端固定输出电压集成稳压器三端固定输出电压集成稳压器 本讲稿第三十八页，共三十八页