哈爾濱工程大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第九章.ppt

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1、1,第九章 直流穩(wěn)壓電源,在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一能量來(lái)源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50Hz的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負(fù)載的需要。本章解決的問(wèn)題有兩個(gè)：一是如何把交流電變成直流電；二是如何使直流電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。,圖9-1 直流穩(wěn)壓電源原理方框圖,2,直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。,變壓器：將交流電源(220V或380V)變換為符合整流電路所需要的交流電壓。 整流電路：利用具有單方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動(dòng)的直流電壓。 濾波電路：濾去單向脈動(dòng)直流電壓中的交流成分，保留直流分量，盡可能供給負(fù)載平滑的直

2、流電壓。 穩(wěn)壓電路：是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。,3,第一節(jié) 整流電路,一、作用： 整流電路的任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦园颜?、?fù)交變的電壓變成單方向脈動(dòng)的直流電壓。 二、技術(shù)指標(biāo)： 整流電路的主要技術(shù)指標(biāo)為： (1)輸出直流電壓平均值 定義為整流輸出電壓 在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即,,4,(2)輸出電壓脈動(dòng)系數(shù) 定義為整流輸出電壓 傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)式中的最低次諧波 與平均值 之比，即 (3)整流二極管正向平均電流 在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)二極管的平均電流。由二極管允許溫升決定，可由器件手冊(cè)中查到。 (4)最大反向峰值電壓 整流二

3、極管不導(dǎo)通時(shí)，在它兩端承受的最大反向電壓。,5,,三、半波整流電路,圖9-2 單相半波整流電路 (a)電路圖；(b)波形圖,6,(一)工作原理 把整流二極管看成理想元件，正向電阻為零，反向電阻無(wú)窮大。正半周時(shí)二極管導(dǎo)通， 。負(fù)半周時(shí)二極管截止， (二)半波整流參數(shù) 1.整流輸出電壓平均值 (9-1) 式中 為變壓器次級(jí)電壓有效值。,7,2.整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù),整流輸出 為周期信號(hào)，將其展開(kāi)為傅氏級(jí)數(shù)，得 可知 所以,8,3.整流輸出的平均電流,而二極管平均電流 。 4.整流管承受的最大反向

4、電壓 特點(diǎn)：半波整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出波形脈動(dòng)系數(shù)大，直流成分低，變壓器電流含直流成分，易飽和，變壓器利用率低,9,四、全波整流電路,圖9-3 全波整流電路,圖9-4 全波整流電路波形圖,10,(一)工作原理,變壓器的兩個(gè)副邊電壓相等，同名端如圖所示；二極管看成理想元件。正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止， 上“+”，下“-”，負(fù)半周時(shí)，V1截止，V2導(dǎo)通， 上“+”，下“-”，負(fù)載上是單向脈動(dòng)電壓，其波形如圖所示。所以全波整流電路輸出電壓 可用如下公式表示 (二)全波整流電路參數(shù) 1.整流輸出電壓平均值 故全波輸出 的大小是半波的兩倍。,11,2.脈動(dòng)系數(shù),將 進(jìn)行傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)得 故 所以 3

5、.整流輸出的平均電流 (9-7) 而二極管平均電流應(yīng)為,12,4.整流管承受的最大反壓,(9-8) 特點(diǎn)：全波整流電路輸出電壓直流成分提高，脈動(dòng)系數(shù)減小，但變壓器每個(gè)線圈只有半個(gè)周期有電流，利用率不高。 五、橋式整流電路 線圈匝數(shù)與半波電路相同，只是二極管增加為4只，工作原理與全波電路相同。橋式整流電路的參數(shù)與全波整流電路部分相同，即 而二極管截止時(shí)所承受的最大反向電壓從圖9-5(a)所示電路中直接推出為 (9-9),13,,圖9-5 橋式整流電路 (a)實(shí)際電路；(b)簡(jiǎn)化畫(huà)法電

6、路,14,第二節(jié) 濾波電路,整流電路的輸出電壓仍含有較大的脈動(dòng)成分，為此還需要進(jìn)行濾波，減小輸出電壓的脈動(dòng)，使最后的輸出電壓平滑接近直流，才能用做電子線路的電源，通常采用電容、電感等儲(chǔ)能元件完成濾波。 一、半波整流電容濾波電路 濾波電容C與負(fù)載RL并聯(lián)連接。,圖9-6 半波整流電容濾波(a)電路； (b)波形,15,二、橋式整流電容濾波電路,C為大容量電解電容與負(fù)載并聯(lián)。 (一)工作原理 1.空載狀態(tài) 空載時(shí)，負(fù)載開(kāi)路，設(shè)初始值 ，當(dāng)接通電源后， 通過(guò)整流橋給電容充電， ，因無(wú)放電通路故 ，且保持不變，無(wú)脈動(dòng)。若電源不是 在 時(shí)刻接通，則瞬間沖擊尖峰電流很大，對(duì)二極管不利。,

7、圖9-7 橋式整流電容濾波電路 (a)電路圖；(b)波形圖,16,2.帶電阻負(fù)載狀態(tài),圖9-8 橋式整流電容濾波電路的波形圖 (a)忽略電阻時(shí)波形；(b)考慮電阻時(shí)波形；(c) 的近視波形,17,放電按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù) 。接上負(fù)載后，給電容充電同時(shí)，也給負(fù)載提供電流，而電容充電最大到峰值后， 按正弦規(guī)律下降， 放電按指數(shù)規(guī)律下降，指數(shù)下降初始速度高于正弦下降速度，二極管仍然導(dǎo)通， 電壓仍按正弦規(guī)律下降。隨后指數(shù)下降速度低于正弦下降速度，當(dāng)在 后， ，二極管截止，反由電容給負(fù)載供電，即電容放電。電容充電時(shí)很快(忽略二極管內(nèi)阻)，而放電時(shí)很慢( )，當(dāng)放電電壓下降到 時(shí)

8、， ,二極管導(dǎo)通， 又給電容 充電。這樣，充放電周期循環(huán)，輸出電壓波形如圖9-7(b)所示，輸出波形紋波大大減小，接近直流狀態(tài)。由圖9-7(b)看出，二極管導(dǎo)通時(shí)間(導(dǎo)通角)短(小)，而二極管開(kāi)啟瞬間電流大，濾波電容 越大，沖擊電流越大。由圖9-8(b)看出，濾波電容 越大，輸出電壓 ，紋波越小，越平滑。,18,(二)電容濾波電路參數(shù),1.輸出電壓平均值Uo(AV),用圖9-8(c)所示鋸齒波來(lái)近似計(jì)算輸出電壓Uo(AV)的值。將放電初始斜線延長(zhǎng)交至橫坐標(biāo)軸，則由RLC和Uomax構(gòu)成大三角形，由T/2和(UomaxUomin)構(gòu)成大三角形，由T/2和(UomaxUomin)構(gòu)成小三角形，

9、根據(jù)三角形相似關(guān)系可得,,,又根據(jù)輸出電壓UO,波形圖看出,將式(9-10)代入上式求,,(9-10),(9-11),(9-12),式中T為電網(wǎng)交流電壓周期。,當(dāng)RL時(shí)，Uo(AV)1.4U2,當(dāng)C=0時(shí)，Uo(AV)0.9U2， 一般取 Uo（AV）=1.2U2 (9-13),19,2.脈動(dòng)系數(shù)S,,(9-14),3.整流管電流IV,電容濾波二極管導(dǎo)通角小，但峰值電流必然大，在接通電源瞬間存在沖擊尖峰電流，故選擇二極管時(shí)，要求二極管工作電流I應(yīng)該為,,(9-15),4.電容濾波電路的外特性和濾波特性,20,圖9-9為電容濾波電路的外特性，當(dāng) 時(shí)， ，當(dāng) 時(shí)，此時(shí)電路無(wú)濾波功

10、能， ，由圖可以看出隨著輸出電流 的 增大， 減小，外特性變軟，帶負(fù)載能力差。故電容濾波電路適合于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。 圖9-10所示為電容濾波電路的濾波特性，當(dāng) 減小， 增大時(shí)， 增大； 減小， 增大，希望 越大越好。目前， 通常取值幾十至幾百微法。 一般，在全波式橋式整流情況下，根據(jù)下式選擇濾波電容 的量 (9-16) 式中， 為交流電壓周期，因而 電容耐壓應(yīng)大于 。,21,第三節(jié) 穩(wěn)壓電路,由于交流電網(wǎng)電壓的變化或負(fù)載的變化，均會(huì)引起整流濾波電路輸出直流電壓的變化。因此，為了使負(fù)載得到穩(wěn)定的直流電壓，必須在整流濾波電路后接入穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路分為并聯(lián)型硅穩(wěn)

11、壓管穩(wěn)壓電路和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 一、穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo) 1.穩(wěn)壓系數(shù) 定義為在負(fù)載不變時(shí)輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變量之比，即 (9-18),22,2.電壓調(diào)整率,通常工頻電壓220V10%做為變化范圍，把對(duì)應(yīng)的輸出電壓的相對(duì)變化量的百分比作為衡量的指標(biāo)稱為電壓調(diào)整率，即希望 ,一般 甚至0.01%。 (9-19) 3.輸出電阻 定義為輸入電壓不變，輸出電壓的變化量與電流變化量之比，即 (9-20),23,4.電流調(diào)整率,在工程

12、中常用輸出電流 ，由零變到最大額定值時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量來(lái)表征這個(gè)性能，稱為電流調(diào)整率，即 (9-21) 5.紋波抑制比 定義為輸入紋波電壓(峰峰值)與輸出紋波電壓(峰峰值)之比的分貝數(shù)，即 (9-22),24,6.輸出電壓的溫度系數(shù),定義為在規(guī)定溫度范圍及 , 時(shí)，單位溫度變化所引起的輸出電壓相對(duì)變化量的百分比，即 (9-23) 除上述指標(biāo)外，還有輸出噪聲電壓 和工作極限參數(shù)等。,25,二、并聯(lián)型硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,電路如圖9-15所

13、示，輸入電壓 是經(jīng)過(guò)整流濾波后的電壓；穩(wěn)壓電路的輸出電壓 是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 ； 是限流電阻，由于穩(wěn)壓管與負(fù)載 并聯(lián)，所以稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。它是利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性如圖9-16所示，當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)若電流在 范圍內(nèi)變化，穩(wěn)壓管電壓 的變化值 很小，靠穩(wěn)壓管的電流變化，補(bǔ)償負(fù)載電流變化，使輸出電壓穩(wěn)定。,圖9-16 穩(wěn)壓管伏安特性,,圖9-15 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖,26,(一)穩(wěn)壓原理,1.先討論負(fù)載電阻RL不變，輸入電壓隨電網(wǎng)電壓變化的情況。,若 增大，使 有增大趨勢(shì)，引起 增大， 增大很多， 增大，以此來(lái)抵消 的增大，故 不變，用循環(huán)調(diào)節(jié)表示為,,,27,2

14、.再討論輸入電壓 不變，負(fù)載電阻 變化的情況。,若 減小， 將減小，而負(fù)載電流 增加，隨之 增大，則 增大，由于 不變，則 減小，由于穩(wěn)壓特性， 減小很多，結(jié)果使 減小，因此負(fù)載電壓 基本不變，用循環(huán)調(diào)節(jié)表示為,28,圖9-17 交流通路,(二)估算穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻,將圖9-15電路改畫(huà)成只考慮交流等效電路如圖9-17所示，由圖可求穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻。,1.穩(wěn)壓系數(shù)Sr,由定義有,,(9-24),由圖9-17可求Uo/UI，即,,(9-25),式中rZ為穩(wěn)壓管內(nèi)阻(很小)，當(dāng)rZ<

15、)限流電阻的估算,穩(wěn)壓管正常工作時(shí)，其工作點(diǎn)處的 應(yīng)滿足： 條件，選擇合適的限流電阻 可滿足這一條件，分兩種情況估算。 1.當(dāng)輸入電壓最高和負(fù)載電流最小時(shí)， 應(yīng)最大，但 ，即 (9-29) 推導(dǎo)為,30,2.當(dāng)輸入電壓最低和負(fù)載電流最大時(shí)， 應(yīng)最小，但 ，即 推導(dǎo)為 (9-30) (9-31) 限流電阻 的額定功率為 (9-32),31,(四)選取穩(wěn)壓二極管,1.選取穩(wěn)壓二極管，由于穩(wěn)壓管與負(fù)載電阻 并聯(lián)，所以穩(wěn)

16、壓管的穩(wěn)壓值 應(yīng)該等于負(fù)載電壓 ，如果一只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值不夠，可用多只穩(wěn)壓管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，即每只穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓相加等于負(fù)載電壓，一般來(lái)說(shuō)，不容易正好相等。穩(wěn)壓管能夠穩(wěn)壓的最大電流 應(yīng)大于負(fù)載電流最大值 ，因此選取原則為 2.濾波后電壓選取，整流濾波后的電壓 應(yīng)該大于負(fù)載電壓 ，由于限流電阻上有壓降，它不能過(guò)小，否則調(diào)整效果差，但也不能過(guò)大，因這樣能量損失偏大，經(jīng)驗(yàn)估算公式 為 (9-34),32,三、晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,前面介紹的硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路允許負(fù)載電流變化范圍小，一般只允許負(fù)載電流在幾十毫安以內(nèi)變化，另外，輸出直流電壓不可調(diào)，即輸出電壓就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值

17、，為了克服上述缺點(diǎn)，我們可以采用晶體管串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路。 圖9-18所示為典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其中(a)為原理圖，圖(b)為組成方框圖，它由取樣電路、基準(zhǔn)電壓電路，比較放大電路及調(diào)整管四個(gè)基本部分組成。,圖9-18 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路及方框圖 (a)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖；(b)組成方框圖,33,1.取樣電路： 由 、 和 組成的分壓電路，它的主要功能是對(duì)輸出電壓變化量分壓取樣，然后送至比較放大系統(tǒng)，同時(shí)為 提供一個(gè)合適的靜態(tài)偏置電壓，以保證 工作于放大區(qū)。此外取樣電路引入電位器 還可以調(diào)節(jié)輸出電壓 值。 2.基準(zhǔn)電壓電路： 由穩(wěn)壓管 和限流電阻 組成的穩(wěn)壓電路，提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓

18、。,34,3.比較放大電路： 一個(gè)由 構(gòu)成的直流放大電路， 是 的集電極負(fù)載電阻(同時(shí)又是調(diào)整管 的偏流電阻)。它的作用是將輸出取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并將誤差電壓放大，然后再去控制調(diào)整管。為了提高穩(wěn)壓性能實(shí)際中常采用差放或集成運(yùn)放來(lái)作比較放大電路。 4.調(diào)整電路： 一般由功率管( )組成，是穩(wěn)壓電路的核心部分，輸出電壓的穩(wěn)定最終要依賴于 的調(diào)整作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了有效地起電壓調(diào)整作用，必須保證它在任何情況下都工作在放大區(qū)，因?yàn)檎{(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)，故稱它為串聯(lián)型晶體管直流穩(wěn)壓電路。,35,(一)穩(wěn)壓原理,1.如果由于某些原因的影響，使輸出電壓 升高， 的增大使 升高，(忽略 管基極

19、電流)，而 管的射極電壓 固定不變，所以 增加，于是 增大，集電極電位 下降，由于 基極電位 ，因此， 的 減小， 隨之減小， 增大，迫使 下降，即維持 基本不變。上述調(diào)節(jié)過(guò)程表示如下：,2.同理，如果由于某種原因使 下降時(shí)，可通過(guò)上述類似負(fù)反饋過(guò)程，迫使 上升，從而維持 基本不變。,36,3.輸出電壓調(diào)節(jié)范圍,由圖9-18(a)可得 基極電壓為 推出 (9-35) 當(dāng) 滑動(dòng)端調(diào)至最上端時(shí) , 最小 (9-36) 當(dāng) 滑動(dòng)端調(diào)至最下端時(shí) ， 最大 得 (9-37) 由此可見(jiàn)，調(diào)整 阻，即可調(diào)整 的大小。,37,,,