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1、几几乎乎所所有有的的电电子子电电路路工工作作时时都都需需要要直直流流电电源源提提供供能能量量.便便携携式式低低功功率率系系统统可可以以使使用用电电池池,但但对对于于大大功功率率电电子子设设备备,使使用用电电池池的的费费用太高用太高,所以都采用直流电源供电所以都采用直流电源供电.第五章第五章 直流稳压电源直流稳压电源电源变压器电源变压器:将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u2。整流电路整流电路:将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。滤波电路滤波电路:将脉动直流电压将脉动直流电压u3转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u4。稳稳压电
2、路压电路:清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压保持输出电压uo的的 稳定。稳定。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo5.1 5.1 直流稳压电源的基本组成直流稳压电源的基本组成5.1 整流电路整流电路半波整流电路组成：半波整流电路组成：电源变压器、整流二极电源变压器、整流二极管、负载管、负载二极管导通，二极管导通，uL=u2二极管截止二极管截止,uL=0+io+u2 0 时时:u20时时:u2uLuD t 2 3 4 0主要参数：主要参数：IL=
3、UL/RL=u2/RL uL 2 0 t（2）输出电流平均值）输出电流平均值Io：IL（1）输出电压平均值）输出电压平均值UL：（3）流过二极管的平均）流过二极管的平均电流：电流：uD 2 0 tURMID =ILURM22u（4）二极管承受的最高反向电压：）二极管承受的最高反向电压：IL 全波整流电路全波整流电路+变压器副边中变压器副边中心抽头，感应心抽头，感应出两个相等的出两个相等的电压电压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，D1截止。截止。电路组成：电源变压器次级、两只整流二极管、负载全波整流电压波形全波整流电压波形
4、u2uLuD1 t 2 3 4 0uD2uL 2 0 tIL=UL/RL=u2/RL 主要参数：主要参数：（2）输出电流平均值）输出电流平均值IL：（1）输出电压平均值）输出电压平均值UL：ILuD 2 0 t（3）流过二极管的平均）流过二极管的平均电流：电流：ID =IL/2（4）二极管承受的最高反向电压：）二极管承受的最高反向电压：桥式全波整流电路桥式全波整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路）组成：由四个二极管组成桥路u2正半周时正半周时:D1、D3导通导通，D2、D4截止截止+（2）工作原理：）工作原理：u2uL-+u2负半周时：负半周时：D2、D4 导通导通，D1、D3截止截止u2
5、uL输出电压平均值：输出电压平均值：ULu2输出电流平均值输出电流平均值:IL=UL/RL=u2/RL 流过二极管的平均电流：流过二极管的平均电流：ID=IL/2u2uL（3）主要参数：）主要参数：二极管承受的最大反向电压：二极管承受的最大反向电压：URM=22u例：某电阻性负载，它需要一个直流电压为110V，直流电流为3A的供电电源，现采用桥式整流电路，试求变压器次级电压的有效值U2，并根据计算结果选择整流二极管型号。解：由公式可知，变压器次级电压的有效值为流过每一只整流二极管的平均电流为：每一只整流二极管承受的最高反向电压为：例：一个纯电阻负载单相桥式整流电路接好以后，通电进行实验，一接通
6、电源，二极管马上冒烟了，试分析产生这种现象的原因。分析：二极管冒烟说明流过二极端管电流太大。从电源变压器次级与二极管负载构成的回路看，出现大电流的主要原因有两方面：1、首先看负载有没有短路。如果负载短路，变压器次级电压U2经过二极管构成通路，二极管因过流烧坏。2、如果负载确实没有短路，那就要看四臂桥路中整流管是否接反。集成硅整流桥：集成硅整流桥：u2uL+-+5.2 滤波电路滤波电路滤波原理滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件滤波电路利用储能元件电容电容两端
7、的电压两端的电压(或或通过通过电感电感中的电流中的电流)不能突变的特性不能突变的特性,将将电容电容与负载与负载RL并联并联(或将或将电感电感与负载与负载RL串联串联)，滤，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。电容滤波电容滤波5.2 滤波电路滤波电路（1）空载（）空载（RL=）时：）时：u2tuLtuc=uLu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。由于由于RL=，无放电回，无放电回路，所以路，所以uC保持。保持。
8、（2）接入接入RL（且（且RLC较大）时较大）时u2tiDtu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。二极管中二极管中的电流的电流uc=uL近似估算近似估算:ULU2(b)流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很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电容滤波电路的特点：电容滤波电路的特点：(a)UL与与RLC的的 关系：关系：RLC 愈大愈大 C放电愈慢放电愈慢 UL(平均值平均值)愈大愈大RLC 较大较大一般取：一般取：(T:电源电压的周期电源电压的周期)u2tiDtuc=uL纯电阻负载时，
9、纯电阻负载时，I2IL例：单相桥式整流电容滤波电路如图所示，已知输出电压U0=15V，RL=100 ，电源频率f=50HZ.试计算：1、变压器次级电压的有效值U2；2、滤波电容C的耐压值和电容量。解：（1）桥式整流电容滤波电路的输出电压为U02 则U2（2）当负载空载时，电容器承受最大电压，所以电容器的耐压值为可选取470 /25V的电解电容。（1）滤波原理）滤波原理:对直流分量对直流分量(f=0):XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上。对谐波分量上。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
10、流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。U02 当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLu0有电感滤波的整流电路有电感滤波的整流电路（2）电感滤波的特点）电感滤波的特点:整流管导电角较大整流管导电角较大,峰值电流很小峰值电流很小,输出特性比输出特性比较平坦较平坦,适用于低电压大电流适用于低电压大电流(RL较小较小)的场合。缺的场合。缺点是电感铁芯笨重点是电感铁芯笨重,体积大体积大,易引起电磁干扰。易引起电磁干扰。u2u1RLLu0 为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。起来
11、使用。1.LC滤波电路滤波电路2.RC型滤波电路型滤波电路其他滤波电路其他滤波电路5.2 稳压电路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管稳压电路稳压管稳压电路1.1.稳压原理稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。利用稳压管的反向击穿特性。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电压变化。的电压变化。稳压原理：稳压原理：(1)(1)当输入电压变化时当输入电压变化时UiUZUoUoURIIZ由图知：由图知：(2)(2)当负载电流变化时当
12、负载电流变化时稳压过程：稳压过程：ILUoURUoIZIR2、限流电阻的计算、限流电阻的计算（1 1）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压电阻的最大值稳压电阻的最大值。即。即 （2 2）当当输输入入电电压压最最大大，负负载载电电流流最最小小时时，流流过过稳稳压压二二极极管管的的电电流流最最大大。此此时时I IZ Z不不应应超超过过I IZmaxZmax，由由此此可可计计算算出出稳稳压压电电阻的最小值阻的最小值。即。即 所以：所以：晶体
13、管串联型稳压电路晶体管串联型稳压电路稳压管稳压电路的缺点：稳压管稳压电路的缺点：（1 1）带负载能力差）带负载能力差（2 2）输出电压不可调）输出电压不可调改进：改进：（1 1）提提高高带带负负载载能能力力在在输输出出端端加加一一射射极极输出器输出器UO=UZ改进：改进：（2 2）使使输输出出电电压压可可调调在在射射极极输输出出器器前前加加一一带带有有负负反反馈馈的放大器。的放大器。调节反馈系数即可调节放大倍数调节反馈系数即可调节放大倍数UO=AUFUZ为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端为了进一步稳定输出电压，将反馈元件接到输出端。Uo+UI RLT1+UCE 并联型并联型稳压电路稳
14、压电路 调整管与负载并联调整管与负载并联串联型串联型稳压电路稳压电路 调整管与负载串联调整管与负载串联串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理+UI 取取样样电电路路调整管调整管比较放比较放大电路大电路基准电压基准电压UZUF 一、结构和稳压原理一、结构和稳压原理 稳压的实质：稳压的实质：UCE 的自动调节使输出电压恒定的自动调节使输出电压恒定二、输出电压的调节范围二、输出电压的调节范围+Uo+UI R 2RLR 1R1UFUZR2RP串联式稳压电路的串联式稳压电路的优点优点：结构简单，稳压性能好，：结构简单，稳压性能好，技术成熟，应用广泛。技术成熟，应用广泛。缺点：缺点：它的调整管工
15、作在线性放大状态，功耗大，它的调整管工作在线性放大状态，功耗大，输出效率低，只有输出效率低，只有2040；输出电压总是小；输出电压总是小于输入电压，两者极性也只能是相同的。于输入电压，两者极性也只能是相同的。晶体管开关型稳压电路晶体管开关型稳压电路 为了提高效率，让调整管工作在开关（饱为了提高效率，让调整管工作在开关（饱和、截止）状态和、截止）状态开关型稳压电路开关型稳压电路 开关稳压电路的特点和分类开关稳压电路的特点和分类 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电控制开关的占空比
16、调整输出电压。当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，效率可高达流为零，所以其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，。而功耗小，散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行散热器也随之减小，同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数器；此外，开关工作频率在几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻
17、，体积小等特点。另外，由值较小。因此开关电源具有重量轻，体积小等特点。另外，由于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。于功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电，而开关型稳压电源在电网电压从压从110V-260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关型稳压电源的分类方式很多开关型稳压电源的分类方式很多。按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联
18、型。按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、）、脉冲频率调制型（脉冲频率调制型（PFM）和混合调制（即脉宽）和混合调制（即脉宽-频率调频率调制）型。制）型。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按使用开关管的类型可分为晶体管、按使用开关管的类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸管和晶闸管型。管型。串串联联开开关关型型稳稳压压电电路路调调整整管管与与负负载载串串联联，输输出出电电压压总总是是小小于于输输入电压，故称为降压型稳压电路。入电压，故称为降压型稳压电路。1
19、.1.换能电路的基本原理换能电路的基本原理输入电压输入电压UI是未经稳压的直流电压；晶体管是未经稳压的直流电压；晶体管T T为调整管，即开为调整管，即开关管；电感关管；电感uB为矩形波，控制开关管的工作状态；为矩形波，控制开关管的工作状态；L和电容和电容C组组成滤波电路，成滤波电路，D为续流二极管。为续流二极管。串联开关型稳压电路串联开关型稳压电路 当当uB为高电平时，为高电平时，T饱和导通，饱和导通，D因承受反偏电压而截止，因承受反偏电压而截止，电感电感L存储能量，电容存储能量，电容C充电；发射极电位充电；发射极电位uE=UI-UCESUI。当当uB为低电平时，为低电平时，T截止，此时虽然截
20、止，此时虽然发射极电流为零，但是发射极电流为零，但是L释放能量，其释放能量，其感生电动势使感生电动势使D导通，与此同时导通，与此同时C放电，放电，负载电流方向不变，负载电流方向不变，uE=-UD0。构成串联开关型稳压电源的结构框图如图所示。它包括调整构成串联开关型稳压电源的结构框图如图所示。它包括调整管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻R1和和R2）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路（电感波电路（电感L、电容、电容C和续流二极管和续流二极管D）等几个部分。）等几个部
21、分。经经分分析析推推导导可可得得输输入入电电压与输入电压的关系为：压与输入电压的关系为：改变占空比改变占空比q q，即可，即可改变输出电压的大小。改变输出电压的大小。2.串联开关型稳压电路的组成串联开关型稳压电路的组成如如图图所所示示基基准准电电压压电电路路输输出出稳稳定定的的电电压压，取取样样电电压压UN1与与基基准准电电压压UREF之之差差，经经A1放放大大后后，作作为为由由A2组组成成的的电电压压比比较较器器的的阈阈值值电电压压UP2，三三角角波波发发生生电电路路的的输输出出电电压压与与之之相相比比较较，得得到到控控制制信信号号UB，控制调整管的工作状态。，控制调整管的工作状态。在在换换
22、能能电电路路中中，如如果果电电感感L L数数值值太太小小，在在T Tonon期期间间储储能能不不足足，那那么么在在T Toffoff还还未未结结束束时时，能能量量已已经经放放尽尽，将将导导致致输输出出电电压压为为零零，出出现现台阶，这是不允许的。台阶，这是不允许的。3.工作原理工作原理并并联联式式开开关关电电路路中中T1为为调调整整管管,控控制制电电压压Ub，T1开开关关周周期期为为T，导导通通时时间间ton=DT，截截止止时时间间toff=(1-D)T,L为为储储能能电电感感，D为限流二极管。为限流二极管。在在导导通通期期间间，开开关关管管T1导导通通，UI加加到到电电感感L两两端端，D反反
23、向向截截止止。因因L很很大大，L中中的的电电流流近近乎乎线线性性增增加加，并并储储存存磁磁能能。导导通通期间期间iL的增量：的增量：并联开关型稳压电路并联开关型稳压电路即调整即调整Ub脉冲占空比，可改变脉冲占空比，可改变U0的大小的大小在电路平衡时，在电路平衡时，iL1=iL2 输出电压：输出电压：在截止期间，储能电感在截止期间，储能电感L感应出上负下正电动势，感应出上负下正电动势，使使D导通，导通，L中磁能通过二极管中磁能通过二极管D传到负载传到负载RL 上，与此上，与此同时电容同时电容C充电。充电。T1截止时，截止时，L的释放电流近似线性下的释放电流近似线性下降，电流减少量降，电流减少量i
24、L2 为：为：CW7800 系列系列(正电源正电源)CW7900 系列系列(负电源负电源)5 V/6 V/9 V/12 V/15 V/18 V/24 V78、79 系列的型号命名系列的型号命名输出电流输出电流78L /79L 输出电流输出电流 100 mA78M/9M 输出电流输出电流 500 mA78 /79 输出电流输出电流 1.5 A输出电压输出电压三端固定式集成稳压器三端固定式集成稳压器例如：例如：CW7805 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 1.5 ACW78M05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.5 ACW78L05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.1 A
25、封装封装CW78051 2 3UIUOGNDCW79051 2 3UIUOGND符号符号CW7800入入出出213CW790013入入2出出塑料封装塑料封装金属封装金属封装+20V+15V注意：注意：输入电压输入电压Ui一般应比输出电压端一般应比输出电压端Uo高高3V以上。以上。三端固定式集成稳压器的使用三端固定式集成稳压器的使用 C1、C2的作用：的作用：防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的防止自激振荡，减小高频噪声、改善负载的瞬态响应。瞬态响应。2.输出正负电压输出正负电压1整流电路（利用二极管的单向导电性）整流电路（利用二极管的单向导电性）半波整流：半波整流：UL=0.45U2 全波整流：全波整流：UL2 桥式整流：桥式整流：UL22滤波电路滤波电路 电容滤波（桥式整流）：电容滤波（桥式整流）：UL2 电感滤波：电感滤波：UL23稳压电路稳压电路 稳压管稳压电路：稳压管稳压电路：UO=UZ 串联式稳压电路：串联式稳压电路：（1）电路结构及工作原理（四个组成部分、稳压过程）电路结构及工作原理（四个组成部分、稳压过程）（2）输出电压调节范围）输出电压调节范围4开关式稳压器开关式稳压器5 集成稳压器集成稳压器 三端固定式集成稳压器（三端固定式集成稳压器（W7800、W7800）及其使用）及其使用 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器本章小结本章小结