第10章直流稳压电源59页.ppt

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1、整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。,滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。,稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。,电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。,10章 直流稳压电源,单相桥式整流电路,(1) 工作原理,当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。,当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。,在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。,小功率整流滤波电路,动画5-1,动画5-2,(2) 负载上的直流

2、电压和直流电流,输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。,输出平均电压为,流过负载的平均电流为,流过二极管的平均电流为,二极管所承受的最大反向电压,滤波电路,滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。 电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。 电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。 经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。,电容滤波电路,单相桥式电容滤波整流电路。 在负载电阻上并联了一个滤波电容C。,当v2到达90时，v2开始

3、 下降。先假设二极管关断， 电容C就要以指数规律向 负载L放电。指数放电起 始点的放电速率很大。,(1)滤波原理,若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。,电容滤波波形图,所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。,在刚过90时，正弦曲线下降 的速率很慢。所以刚过90时 二极管仍然导通。在超过90 后的某个点，正弦曲线下降的 速率越来越快，二极管关断。,需要指出的是，当 放电时间常数RLC增加时， t1点

4、要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长， 导通角减小，见曲线3； 反之，RLC减少时，导通 角增加。显然，当L很 小，即IL很大时，电容滤 波的效果不好，见滤波曲线 中的2。反之，当L很大， 即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,电容滤波的效果,需要指出的是，当 放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长， 导通角减小，见曲线3； 反之，RLC减少时，导通 角增加。显然，当L很 小，即IL很大时，电容滤 波的效果不好，见滤波曲线 中的2。反之，当L很大， 即IL很小时，尽

5、管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。,问题：有无L即空载，此时VC=VL=？,电容滤波的效果,动画5-3,动画5-4,(2)电容滤波的计算,电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：,一种是用锯齿波近似表示，即,另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC610。）,（3）外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线。,整流滤波电路的外特性,电感滤波电

6、路,利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。,电感滤波电路 波形图,当v2正半周时，D1、D3导电， 电感中的电流将滞后v2。当负半周时， 电感中的电流将经由D2、D4提供。因 桥式电路的对称性，和电感中电流的 连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、 D4的导通角都是180。,稳压电路概述,稳压电源方框图,引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化。,负载电流的变化会 在整流电源的内阻上产生电压降， 从而使输入电压发生变化。,稳压电路的技术指标,用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。 VI和 IO引起的 VO可用下式表

7、示,有时稳压系数也用下式定义,当输出电流从零变化到最大额定值时， 输出电压的相对变化值。,（4）电流调整率SI,(3)输出电阻Ro,(2)电压调整率SV,一般特指Vi/Vi=10%时的Sr,输入电压交流纹波峰峰值与输出电压 交流纹波峰峰值之比的分贝数。,（6）输出电压的温度系数ST,如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数,（5）纹波抑制比Srip,硅稳压二极管稳压电路的原理,它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,(1)当输入电压变化时如何稳压,由图可知,输入电压VI增加，必然引起VO的增加，即VZ

8、增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程概括为：,VIVOVZIZIRVRVO,(2) 当负载电流变化时如何稳压,负载电流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程概括为：,ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO,稳压电阻的计算,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R的阻值大小有关。,稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 稳压性能越好。,稳压电阻R 的作用,将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化， 从而起

9、到调节作用，同时R也是限流电阻。,显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。,但R 的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。,稳压电阻的计算,当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即,当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由 此可计算出稳压电阻的最小值。即,(1),(2),稳压二极管在使用时 一定要串入限流电阻，不 能使它的功耗超过规定值， 否则会造成损坏！,基准源,基准源,一般是

10、指击穿电压十分稳定，电压 温度系数经过补偿了的稳压二极管。,也称为参考源,这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的 还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10-6/。,型号 稳定电压(V) 工作电流(mA) 电压温度系数(10 -6/ ) MC1403 2.51 1.2 10100 . LM136/236/336 2.5 10 30 5.0 10 30 . TL431 2.536 0.4100 50 . LM3999 6.955 10 5 . AD2710K/L 10.0001mV 10 2/1 . MAX676 4.0960.01 5 1 677 5.0000.01 5 1 6

11、78 10.0000.01 5 1 .,典型的基准源,串联反馈式稳压电源,稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。,串联反馈式稳压电路的工作原理,典型的串联反馈式稳压电路，由基准电压、比较放大、调整、取样几个部分组成。,1输入电压变化，负载电流保持不变,输入电压VI增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号V。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增

12、加，从而抵消输入电压增加的影响。 VIVOVfVO1VCEVO,2负载电流变化，输入电压保持不变,负载电流IL增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。 ILVIVOVfVO1VCEVO,3.输出电压调节范围的计算,可知,VfVREF,显然，调节RW可以改变输出电压。,动画16-2,串联反馈式稳压电路的工作原理,当VI时：,VO,Vf,VB、IC,VCEVO,动画16-1,16.3.2 稳压电路的保护环节,串联型稳压电

13、源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。,保护的方法,反馈保护型,温度保护型,截流型,限流型,利用集成电路制造工艺， 在调整管旁制作PN结温度传感器。 当温度超标时，启动保护电路工作， 工作原理与反馈保护型相同。,截流型,限流型,当发生短路时，通过保 护电路使调整管截止，从而 限制了短路电流，使之接近 为零。截流特性见图16.05。,是当发生短路时，通过 电路中取样电阻的反馈作用， 输出电流得以限制。限流特 性见图16.06。,图16.05 截流型

14、特性,图16.06 限流型特性,三端集成稳压器,将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。集成稳压器有：输入端、输出端和公共端，称三端集成稳压器。,集成稳压器符号,要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。,外形图,三端可调式集成稳压器,三端集成稳压器的分类,1.三端固定正输出集成稳压器 国标型号:CW78-/CW78M-/CW78L- 2.三端固定负输出集成稳压器 国标型号:CW79-/CW79M-/CW79L- 3.三端可调正输出集成稳压器 国标型号:CW117-/CW117M-/CW117L- CW217-/CW217M-/CW217L

15、- CW317-/CW317M-/CW317L- 4.三端可调负输出集成稳压器 国标型号:CW137-/CW137M-/CW137L- CW237-/CW237M-CW237L- CW337-/CW337M-/CW337L- 5.三端低压差集成稳压器 6. 大电流三端集成稳压器 以上1-为军品级；2-为工业品级；3-为民品级。 军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55150； 工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25150； 民品级多为塑料封装，工作温度范围0125。,应用电路,三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图所示。,可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1

16、.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图所示。,防自激震荡,防高频噪声,利用三端集成稳压器组成恒流源,稳压器做恒流源,三端集成稳压器可 做恒流源使用。,16.4 开关型稳压电源,为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。,16.4.1 开关型稳压电路的工作原理,16.4.2 集成开关型稳压器,16.4.1 开关型稳压电路的工作原理,开关型稳压电

17、源的原理可用图16.13的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。,图16.13 开关型稳压电源原理图,三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。 续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。,根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为ton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间toff。,输出波形中电位水平高于高电 平最小值的部分，对方波而言，相 当方波存在的部分。,输出波形中电位水平低于低

18、 电平最大值的部分，对方波而言， 相当方波不存在的部分。,为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。,各点波形见图16.14。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。,图16.14 开关电源波形图,可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比） 来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制 (PWM)。,q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。,在输入电

19、压一定时， 输出电压与占空比成正比。,忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有,1调整管工作在开关状态，功耗大大降低， 电源效率大为提高； 2调整管在开关状态下工作，为得到直流输出， 必须在输出端加滤波器； 3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值； 4在许多场合可以省去电源变压器； 5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。,由以上分析可以得出如下结论：,16.4.2 集成开关型稳压器,典型的开关电源控制器和开关电源见下表,型号 电源范围/V 最大输出电流 /A 内部参考源 /V 输出级形式 TL494 740 0.2 5 推挽或单端 SG3524 835

20、 0.1 5 推挽 SG3525 835 0.5 5 推挽 LM2575 3.535 1 1.23 _,表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。,实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器， 经常也用于其它脉宽调制场合。,集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。,(1)开关稳压电源概述,利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图16.15所示。,(2)开关稳压电源控制器SG3524,图16.15 SG3524的内部方框图,它的内部包括误

21、差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。,SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图16.16所示。,图16.16 开关稳压电源应用电路,3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的RT和CT决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。,SG3524电路控制过程的波形如图16.17所示。,图16.17 SG3524的波形图,当V1降低时， V2加宽， T1和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当V1增加时， T1和

22、T2 的导通时间增加。,图16.16 开关稳压电源应用电路,设负载电流加大，VO下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V1增加， T1和T2的导通时间增加，输出电压VO增加。,(3) SG3524构成的开关稳压电源,现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。,图16.15 SG3524的内部方框图,反之，当VO增加时，反馈电压增加， V输出减小， T1和T2的导通时间减小，输出电压VO 减小。,SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V1下降， T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。,当三极管的电流过大时，电阻R9上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V1

23、在大大下降， 使T1和T2 关断。,由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2 应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,变压器,硅桥整流,滤波,稳压,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用, 调节RL，使IL200mA。,1.调节调压器使输出V1=220V，再测量V2的电压。,2.用双踪示波器同时观察硅桥的输入、输出电压波形。,3.测量V3的值。（用万用表直流档测量）,接上滤波电容C1。（先断开电源）,4.用双踪示波器同时观察V2、V4的电压波形。,5.测量V4的值。（用万用表直流档测量）,实验十三 单片集成

24、直流稳压电路的应用,用示波器观察V0的波形。并测量VI和V0的值。（用万用表直流档测量）,测量稳压系数：,调节调压器使输出V1分别为242V和198V，再分别测量输入电压VI、VI和输出电压V0、V0。则：,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用, 调节RL，使IL200mA。并测量VI和V0的值。（用万用表直流档测量）,测量输出电阻：,断开RL(IL=0)，测量输出 电压V0，则：,实验十三 单片集成直流稳压电路的应用,1. 调节调压器，用万用表监视VI，使VI =30V。,2.调节电位器RW，观察输出电压，分别测得V0max和V0min的值。,3.当V0=V0max时，在重新测量和R0。,LM324运放,面包板,面包板装配,b,c,e,