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1、YCF(中职）电子技术基础第四章教学课件第四章第四章 直流稳压电源直流稳压电源第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路第二节第二节 电容滤波电路电容滤波电路第三节第三节 稳压电路稳压电路第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路一、直流稳压电源的组成一、直流稳压电源的组成图图4-1为直流稳压电源的基本组成框图。它由变压器、整流为直流稳压电源的基本组成框图。它由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。(1)变压器变压器 将市电网提供的较高电压的工频正弦交流电转换将市电网提供的较高电压的工频正弦交流电转换为符合用电设备需要的较低电压的交流电。为符合用电
2、设备需要的较低电压的交流电。(2)整流电路整流电路 利用具有单向导电特性的半导体器件，将变压利用具有单向导电特性的半导体器件，将变压器次级输出的正弦交流电转换为单向的包含交流和直流成分器次级输出的正弦交流电转换为单向的包含交流和直流成分的脉动直流电。的脉动直流电。(3)滤波电路利用电容或电感等电抗元件的储能特性，起到滤滤波电路利用电容或电感等电抗元件的储能特性，起到滤除大部分交流成分、输出较平滑直流电的作用。除大部分交流成分、输出较平滑直流电的作用。下-页 返回第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路(4)稳压电路稳压电路是直流稳压电源中最重要的组成部分，稳压电路稳压电路是直流稳压电源中最重
3、要的组成部分，它可由稳压管或其他能够稳定输出电压的电路构成，在输入它可由稳压管或其他能够稳定输出电压的电路构成，在输入电源电压不稳定或负载变化时起到稳定输出电压的作用。电源电压不稳定或负载变化时起到稳定输出电压的作用。一、二极管整流电路一、二极管整流电路将交流电变为直流电的过程，称为整流。常用的整流元件有将交流电变为直流电的过程，称为整流。常用的整流元件有晶体二极管、晶体闸流管、真空管和硒堆等。晶体二极管、晶体闸流管、真空管和硒堆等。1单相桥式整流电路单相桥式整流电路(1)电路结构与工作原理单相桥式整流电路的电源变压器，其电路结构与工作原理单相桥式整流电路的电源变压器，其副边不需中心抽头，整流
4、元件由四个二极管构成桥式连接。副边不需中心抽头，整流元件由四个二极管构成桥式连接。上-页 下-页 返回第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路在整个周期内，四个二极管分为两组，在整个周期内，四个二极管分为两组，VD1、VD3为一组，为一组，VD2、VD4为一组，轮流导通、截止，负载上得到单一方向为一组，轮流导通、截止，负载上得到单一方向的全波脉动电压和电流，其波形如图的全波脉动电压和电流，其波形如图4-3所示。这种电路因所示。这种电路因整流元件接成桥形，故称桥式整流电路。整流元件接成桥形，故称桥式整流电路。(2)电路计算电路计算 由波形由波形图图4-3可见，负载上电压、电流和二极可见，负载上
5、电压、电流和二极管中的电流，二极管所承受的最大反向电压，即管中的电流，二极管所承受的最大反向电压，即上-页 下-页 返回第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路可见，在相同直流输出电压的情况下，桥式电路中，元件所可见，在相同直流输出电压的情况下，桥式电路中，元件所承受的最大反向电压仅为半波整流电路的一半。承受的最大反向电压仅为半波整流电路的一半。(1)电路结构与工作原理单相半波整流电路如电路结构与工作原理单相半波整流电路如图图4-4所示。所示。图中工为电源变压器，它的作用是把交流电源的电压图中工为电源变压器，它的作用是把交流电源的电压u1变为变为适当数值的电压适当数值的电压u2，VD为晶体二
6、极管，为晶体二极管，RL为负载。为负载。尽管尽管u2是交变的，但因二极管的单向导电作用，使得负载上是交变的，但因二极管的单向导电作用，使得负载上的电流的电流i和电压和电压u都是单一方向。这种电路，只有在都是单一方向。这种电路，只有在u2的半个的半个周期内负载上才有电流，故称为半波整流电路。周期内负载上才有电流，故称为半波整流电路。(2)电路计算电路计算 由于负载电压半波脉动，故在整个周期内，负由于负载电压半波脉动，故在整个周期内，负载电压的平均值为载电压的平均值为上-页 下-页 返回第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路流经负载的电流平均值为流经负载的电流平均值为由于二极管与负载串联，所以
7、流经二极管的电流平均值为由于二极管与负载串联，所以流经二极管的电流平均值为二极管所承受的最大反向电压就是二极管所承受的最大反向电压就是u2的最大值，即的最大值，即在设计和选管时，应选择最大整流电流和最高反向工作电压在设计和选管时，应选择最大整流电流和最高反向工作电压分别大于计算出的分别大于计算出的I和和Uvm的二极管。的二极管。上-页 下-页 返回第一节第一节 二极管整流电路二极管整流电路这种电路结构简单，使用方便。但由于电路只有一半时间有这种电路结构简单，使用方便。但由于电路只有一半时间有输出，所以直流输出电压低，脉动大，整流效率低，故仅适输出，所以直流输出电压低，脉动大，整流效率低，故仅适
8、用于对直流输出电压平滑程度要求不高的小功率整流。用于对直流输出电压平滑程度要求不高的小功率整流。上-页 返回第二节第二节 电容滤波电路电容滤波电路通过整流得到的直流电，虽然是单一方向，但脉动很大。这通过整流得到的直流电，虽然是单一方向，但脉动很大。这种直流电只能用在电镀、电解等场合，因为这类负载对电源种直流电只能用在电镀、电解等场合，因为这类负载对电源电压的平滑程度要求不高。电压的平滑程度要求不高。若在整流电路的后面加上滤波电路，通过滤波作用后，其输若在整流电路的后面加上滤波电路，通过滤波作用后，其输出电压就会平滑得多。下面介绍电容滤波电路的滤波电路。出电压就会平滑得多。下面介绍电容滤波电路的
9、滤波电路。图图4-6是接有电容滤波器的单相半波整流电路，其中与负载是接有电容滤波器的单相半波整流电路，其中与负载并联的电容器就是一个最简单的滤波器。电容滤波器是根据并联的电容器就是一个最简单的滤波器。电容滤波器是根据电容器的充放电作用，即二极管导电时电容器电容器的充放电作用，即二极管导电时电容器C充电，二极管充电，二极管不导电时电容器不导电时电容器C对负载电阻对负载电阻RL放电，从而使负载电流趋于放电，从而使负载电流趋于平滑。平滑。下-页 返回第二节第二节 电容滤波电路电容滤波电路在在u2的正半周开始时，输入电压上升，二极管的正半周开始时，输入电压上升，二极管VD导通，电导通，电源经二极管向负
10、载供电的同时向电容源经二极管向负载供电的同时向电容C充电，如图充电，如图4-6中实线中实线箭头所示。箭头所示。接有电容滤波器的桥式整流电路，滤波的原理和半波整流时接有电容滤波器的桥式整流电路，滤波的原理和半波整流时一样，只是在电源的一个周期内，电容器充电两次，放电两一样，只是在电源的一个周期内，电容器充电两次，放电两次，放电时间缩短了，输出更加平稳。次，放电时间缩短了，输出更加平稳。当电容当电容C一定时，负载越大，放电越快，使电压起伏越大，其一定时，负载越大，放电越快，使电压起伏越大，其平均值越小。平均值越小。当负载一定时，电容当负载一定时，电容C越大，放电越慢，滤波效果越好。为了越大，放电越
11、慢，滤波效果越好。为了得到比较平直的输出电压，一般要求得到比较平直的输出电压，一般要求上-页 下-页 返回第二节第二节 电容滤波电路电容滤波电路在已知电阻在已知电阻RL的情况下，便可估算出电容的情况下，便可估算出电容C。一般情况下，。一般情况下，通常为几百到几千微法，输出的直流电压为通常为几百到几千微法，输出的直流电压为由于滤波电容较大，因此需要采用电解电容器。使用电解电由于滤波电容较大，因此需要采用电解电容器。使用电解电容器时要注意它的正、负极性，不能接错，否则，电容器会容器时要注意它的正、负极性，不能接错，否则，电容器会被击穿。被击穿。在电容滤波的整流电路中，二极管的导通时间短，且在此期在
12、电容滤波的整流电路中，二极管的导通时间短，且在此期间，电源通过二极管为负载提供电流的同时还要对电容器充间，电源通过二极管为负载提供电流的同时还要对电容器充电，因此通过二极管的电流峰值必然很大产生电流冲击。电，因此通过二极管的电流峰值必然很大产生电流冲击。上-页 下-页 返回第二节第二节 电容滤波电路电容滤波电路 尤其在交流电源刚接通的瞬间，由于电容尤其在交流电源刚接通的瞬间，由于电容C初次充电，可能初次充电，可能出现瞬间大电流，形成一个电流浪涌，因此，选用二极管时出现瞬间大电流，形成一个电流浪涌，因此，选用二极管时应留有适当余量。应留有适当余量。由于电容滤波外特性差，且有电流冲击，因此只适用于
13、负载由于电容滤波外特性差，且有电流冲击，因此只适用于负载较小且基本不变的场合。较小且基本不变的场合。上-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路一、稳压二极管稳压电路一、稳压二极管稳压电路 1并联型稳压二极管稳压电路并联型稳压二极管稳压电路图图4-15为常见的采用桥式整流、电容滤波和稳压二极管稳压为常见的采用桥式整流、电容滤波和稳压二极管稳压的直流稳压电路。前面已经提到，输入电压不稳定时，只要的直流稳压电路。前面已经提到，输入电压不稳定时，只要稳压管工作在反向击穿状态，利用其反向击穿时电压变化极稳压管工作在反向击穿状态，利用其反向击穿时电压变化极小的特性，就会使输出电压得到稳定。小的特性，就会使
14、输出电压得到稳定。当输入交流电压出现波动时，整流滤波电路的脉动直流输出当输入交流电压出现波动时，整流滤波电路的脉动直流输出Ui会在某一范围内波动。若会在某一范围内波动。若Ui增大，会引起增大，会引起Uo增大，由于稳增大，由于稳压管两端微小的管压降的变化会产生很大的电流变化，所以压管两端微小的管压降的变化会产生很大的电流变化，所以Ui的微小增大会使的微小增大会使Iz有较大的增加，引起限流电阻中流过的有较大的增加，引起限流电阻中流过的电流电流IR增大，使限流电阻两端电压增大，使限流电阻两端电压UR增大。增大。下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路只要稳压管工作电流只要稳压管工作电流Iz有一个正
15、常的允许变化范围，负载电有一个正常的允许变化范围，负载电流的变化可以自动通过稳压管电流流的变化可以自动通过稳压管电流IR的调整保持输的调整保持输I电压的稳电压的稳定。定。稳压管稳压电路只适用于功率较小，负载电流较小，负载变稳压管稳压电路只适用于功率较小，负载电流较小，负载变化不大或要求不太高的场合。化不大或要求不太高的场合。2串联型直流稳压电路串联型直流稳压电路图图4-17为串联型直流稳压电路。图中三极管为串联型直流稳压电路。图中三极管VT接成射极输接成射极输出器的形式，在输入电压波动或负载变化时起到调整输出电出器的形式，在输入电压波动或负载变化时起到调整输出电压的作用，称为调整管；运放为比较
16、放大器；稳压管压的作用，称为调整管；运放为比较放大器；稳压管VZ为运为运放提供基准电压放提供基准电压Uz，电阻，电阻R3为其限流电阻；电阻为其限流电阻；电阻R1、R2和和Rw构成采样电路，从输出电压中分压得到采样电压构成采样电路，从输出电压中分压得到采样电压UF，送到，送到运放的反相输入端与基准电压进行比较。运放的反相输入端与基准电压进行比较。上-页 下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路当负载电阻值增大时，也会引起当负载电阻值增大时，也会引起UO增大，通过采样、比较、增大，通过采样、比较、放大后也使基极电压减小，使调整管的放大后也使基极电压减小，使调整管的UCE增大，从而使增大，从而使U
17、o减小。减小。串联型稳压电路具有输出电压的可调节功能，其调节范围取串联型稳压电路具有输出电压的可调节功能，其调节范围取决于电阻决于电阻R1、R2和和Rw之间的比例关系及稳压管的稳压值。之间的比例关系及稳压管的稳压值。由图由图4-17可知可知当电位器当电位器Rw的中间滑动端移至最上端时，输出电压为最小值，的中间滑动端移至最上端时，输出电压为最小值，即即上-页 下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路当电位器当电位器Rw的中间滑动端移至最下端时，输出电压为最大值，的中间滑动端移至最下端时，输出电压为最大值，即即 二、集成稳压电路二、集成稳压电路随着集成电路的发展，集成稳压电路也成为了广泛使用的普
18、随着集成电路的发展，集成稳压电路也成为了广泛使用的普及型产品，并具有使用简单、价格便宜和稳压效果好等许多及型产品，并具有使用简单、价格便宜和稳压效果好等许多优点。主要产品有优点。主要产品有W7800系列和系列和W7900系列固定式三端系列固定式三端稳压器，它们的内部除了有调整管、采样电路、基准电压源稳压器，它们的内部除了有调整管、采样电路、基准电压源和比较放大器等基本模块外，还包括了防止损坏的保护电路和比较放大器等基本模块外，还包括了防止损坏的保护电路等电路。等电路。第三节第三节 稳压电路稳压电路 1。固定式三端集成稳压器。固定式三端集成稳压器图图4-19为三端集成稳压器应用电路。其中图为三端
19、集成稳压器应用电路。其中图(a)为为W7800系列产品组成的输出正电压的稳压电路，它的输入端接整流系列产品组成的输出正电压的稳压电路，它的输入端接整流滤波电路的输出端。图中滤波电路的输出端。图中Ci为输入电容，用于抵消输入端接为输入电容，用于抵消输入端接线的电感效应，防止可能产生的自激振荡，当与滤波电容接线的电感效应，防止可能产生的自激振荡，当与滤波电容接近时可以省略；近时可以省略；Co为输出电容，用于改善暂态响应，使输出为输出电容，用于改善暂态响应，使输出端瞬时增减负载时不会引起电压的较大波动。图端瞬时增减负载时不会引起电压的较大波动。图(b)为为W7900系列产品组成的输出负电压的稳压电路
20、，它的工作系列产品组成的输出负电压的稳压电路，它的工作原理与图原理与图(a)相同。相同。2可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器上-页 下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路除了以上固定式三端集成稳压器外，还有可调式三端集成稳除了以上固定式三端集成稳压器外，还有可调式三端集成稳压器。它的三个端子分别为调整端、输入端和输出端，根据压器。它的三个端子分别为调整端、输入端和输出端，根据型号系列不同，有正电压输出（如型号系列不同，有正电压输出（如W117，W217，W317）和负电压输出（如）和负电压输出（如W137，W337）两种。正电）两种。正电压输出和负电压输出的可调式稳压器的调整端与输出
21、端的内压输出和负电压输出的可调式稳压器的调整端与输出端的内部电压分别恒等于部电压分别恒等于1.25V，它们的输出电压分别在，它们的输出电压分别在+1.25+37V和和-37-1.25V之间连续可调，电路如之间连续可调，电路如图图4-20所示。所示。三、开关稳压电路简介三、开关稳压电路简介前面介绍的包括三端集成稳压器在内的串联型稳压电路，由前面介绍的包括三端集成稳压器在内的串联型稳压电路，由于调整管始终处在放大状态，器件的功耗大，效率低。于调整管始终处在放大状态，器件的功耗大，效率低。上-页 下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路图图4-21为串联开关型稳压电路的基本构成框图。该电路除了为串
22、联开关型稳压电路的基本构成框图。该电路除了普通串联型稳压电路中包含的调整管、基准电压、比较放大普通串联型稳压电路中包含的调整管、基准电压、比较放大器、采样电路外，增加了开关脉冲发生器和储能滤波电路。器、采样电路外，增加了开关脉冲发生器和储能滤波电路。(1)开关调整管开关调整管 它一般为开关特性较好的大功率三极管。导它一般为开关特性较好的大功率三极管。导通时相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。通时相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。(2)开关脉冲发生器它是一种受电压控制产生开关脉冲波的脉开关脉冲发生器它是一种受电压控制产生开关脉冲波的脉冲振荡器。控制电压为比较放大器的输出。冲振荡器。控制电压
23、为比较放大器的输出。(3)储能滤波电路它一般由储能元件电感储能滤波电路它一般由储能元件电感L、电容、电容C和二极管和二极管VD组成。开关调整管导通时，电感储存磁能，电感中的电流组成。开关调整管导通时，电感储存磁能，电感中的电流逐渐增大，并对负载供电和向电容充电；截止时，电感产生逐渐增大，并对负载供电和向电容充电；截止时，电感产生上-页 下-页 返回第三节第三节 稳压电路稳压电路一个反电动势使二极管导通，电感中储存的磁能逐渐释放，一个反电动势使二极管导通，电感中储存的磁能逐渐释放，维持对负载供电和对电容充电；当磁能充分释放对电容的充维持对负载供电和对电容充电；当磁能充分释放对电容的充电电流较小时
24、，电容开始对负载放电，继续维持对负载的供电电流较小时，电容开始对负载放电，继续维持对负载的供电；当电容放电使两端电压明显变小时，开关脉冲又变为高电；当电容放电使两端电压明显变小时，开关脉冲又变为高电平，开关调整管导通。电平，开关调整管导通。通过以上分析可知，工作在开关状态的调整管导通时，虽然通过以上分析可知，工作在开关状态的调整管导通时，虽然电流很大，但管压降为很小数值的三极管饱和电压；截止时电流很大，但管压降为很小数值的三极管饱和电压；截止时虽然管压降很大，但电流几乎为零。虽然管压降很大，但电流几乎为零。上-页 返回图图4-1直流稳压电源组成框图直流稳压电源组成框图返回图图4-3单相桥式整流波形图单相桥式整流波形图返回图图4-4单相半波整流电路单相半波整流电路返回图图4-6 接有电容滤波的单相半波整流电接有电容滤波的单相半波整流电路路返回图图4-15并联型稳压二极管稳压电路并联型稳压二极管稳压电路返回图图4-17串联型直流稳压电路串联型直流稳压电路返回图图4-19固定式三端集成稳压器应用电路固定式三端集成稳压器应用电路返回图图4-20可调式三端集成稳压器应用电路可调式三端集成稳压器应用电路返回图图4-21串联型开关稳压器应用电路串联型开关稳压器应用电路返回