直流稳压电源原理与设计课件.ppt

1、 直流稳压电源的原理与设计直流稳压电源的原理与设计 直流电源的组成及各部分的作用直流电源的组成及各部分的作用电源变压器电源变压器：把：把220V电网电压降至所需电压。电网电压降至所需电压。整流电路整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。：减小脉动使输出电压平滑。稳压电路稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输：在电网电压波动或负载电流变化时保持输 出出电压基本不变。电压基本不变。纯电阻负载半波整流电压波形纯电阻负载半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD t 2 3 4 0u2 0二极管导通二极

2、管导通uo=u2u20二极管截止二极管截止uo=0 整流与滤波电路整流与滤波电路-半波整流半波整流u1u2aTbDRLuouDiouo 2 0 t纯电阻负载半波整流参数纯电阻负载半波整流参数2220200045. 02sin22121UUttdUtduULLRURUI/45. 0/200002022257.122sin21IIItdtIImm2IID00IID22UUDRM直流电压反向电压直流电流有效值电流二极管电流u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形单相全波整流电压波形u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2 = 2u2+ 整流与滤波电路整流与滤波电路-全

3、波整流全波整流单相全波整流主要参数单相全波整流主要参数u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo 2 0 t22200009 . 022)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9 . 0/2000021IID0257. 1DDIII222UUDRMu1u2TD3D2D1D4RLuo桥式整流电路波形桥式整流电路波形 整流与滤波电路整流与滤波电路-桥式整流桥式整流uo 2 0 t正半周正半周D1、D4 导通，导通， D2 、D3截止截止负半周负半周D2、D3 导通，导通， D1 、D4截止截止桥式整流电路参数u1u2TD3D2D1D4RLuouo 2 0 t22200009 . 0

4、22)(sin21)(1UUttdUtduULLRURUI/9 . 0/2000021IID22UUDRM057. 1DDII 0257. 12DII S定义：定义：整流输出电压的基波峰值整流输出电压的基波峰值Uo1M与与Uo平均值之比。平均值之比。S越小越好。越小越好。脉动系数脉动系数6703222324221.UUUUSoMo用傅氏级数对全波整流的输出用傅氏级数对全波整流的输出 uo 分解后可得分解后可得:)6cos3544cos1542cos342(22tttUuouo 2 0 t基波基波基波峰值基波峰值输出电压平均值输出电压平均值全波整全波整流电路流电路桥式整桥式整流电路流电路半波整半

5、波整流电路流电路290 U.LRU.29022U571.670.22ULRU.24502450U.290 U.LRU.290670.222U)AV(OU)AV(OIS2maxRULRU.2450LRU.2450LRU.2450)AV(DI整流电路性能的简单对比整流电路性能的简单对比 二、滤波电路二、滤波电路滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: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直流直流电压电压RLLRLCRLLu2tuot只有整流电路输出电压只有整流电路输出电压大于大于uc时，才有充电电时，才有充电电流。因此二极管中的电流。因此二极管中的电流是脉冲波。流是脉冲波。二极管中

6、的电流二极管中的电流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1. 电容滤波电路电容滤波电路uot当当u2上升到上升到 大于电容上的电压大于电容上的电压uc，u2对电容充电，充电时间常数对电容充电，充电时间常数t= rd C很小很小,每次都能充满每次都能充满uo= uc 当当u2下降到下降到 小于电容上的电压时。小于电容上的电压时。二极管承受反向电压而截止。电二极管承受反向电压而截止。电容容C通过通过RL放电，放电， uc按指数规律按指数规律下降，时间常数下降，时间常数t t = RL C比较大比较大,放电慢放电慢.22 Uu2tuot电容充电时，电容充电时，电容电压滞后电容电压滞后于于u2。

7、RLC越小，输越小，输出电压越低。出电压越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时 (考虑整流电路内阻考虑整流电路内阻)一般取一般取)105(TCRL(T:电源电压的周期电源电压的周期)近似估算近似估算: Uo=1.2U2 Io= Uo/RL(b) 流过二极管瞬时电流很大流过二极管瞬时电流很大RLC 越大越大 Uo越高越高负载电流的平均值越大负载电流的平均值越大 ; 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(2)电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(a) 输出电压输出电压 平均值平均值Uo与时间常数与时间常数 RLC

8、 有关有关RLC 愈大愈大 电容器放电愈慢电容器放电愈慢 Uo(平均值平均值)愈大愈大(c) 二极管承受的最高反向电压二极管承受的最高反向电压22UURM串联式稳压电路串联式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电源类型稳压电源类型:以下主要讨以下主要讨论线性稳压论线性稳压电路。电路。稳压二极管稳压二极管稳压电源稳压电源开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路( (小功率设备小功率设备) )电路最简单，电路最简单，但是带负载能但是带负载能力

9、差，一般只力差，一般只提供基准电压，提供基准电压，不作为电源使不作为电源使用。用。效率较高，效率较高，目前用的也目前用的也比较多，但比较多，但因学时有限，因学时有限，这里不做介这里不做介绍。绍。一一. . 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 利用稳压二极管的利用稳压二极管的反向击穿特性。反向击穿特性。 由于反向特性陡直，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只较大的电流变化，只会引起较小的电压变会引起较小的电压变化。化。 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路1. 1. 稳压原理稳压原理(1) (1) 当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知根据电路图可知ZLR+=I

10、IIRIVVVVVRIRIZO= 输入电压输入电压VI的增加，的增加，必然引起必然引起VO的增加，即的增加，即VZ增加，从而使增加，从而使IZ增加，增加，IR增加，使增加，使VR增加，从而增加，从而使输出电压使输出电压VO减小。这一减小。这一稳压过程可概括如下：稳压过程可概括如下： VIVOVZIZIRVRVO 硅稳压二极管稳压电路硅稳压二极管稳压电路 这里这里VO减小应理解为，由于输入电压减小应理解为，由于输入电压VI的增加，的增加，在稳压二极管的调节下，使在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而的增加没有那么大而已。已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。还是要增加一点的，这

11、是一个有差调节系统。2.2.稳压电阻的计算稳压电阻的计算稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大越大，稳压性能越好。稳压性能越好。稳压电阻稳压电阻R 的作用的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。也是限流电阻。 显然显然R 的数值越大，较小的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的的变化就可引起足够大的VR变变化，就可达到足够的稳压效果。化，就可达到足够的稳压效果。 但但R 的数值越大，就需要较大的输入电压的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要值

12、，损耗就要加大。加大。稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击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，与稳压电阻穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大的阻值大小有关。小有关。稳压电阻的计算如下稳压电阻的计算如下 当当输入电压最小，负载电流最大输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极时，流过稳压二极管的电流最小。此时管的电流最小。此时I IZ Z不应小于不应小于I IZminZmin，由此可计算出，由此可计算出稳稳压电阻的最大值压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即即LmaxZminZIminmax=IIVVR(1)(

13、1)稳压二极管在使用时稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！否则会造成损坏！LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR 当当输入电压最大，负载电流最小输入电压最大，负载电流最小时，流过时，流过 稳压二极管的电流最大。此时稳压二极管的电流最大。此时I IZ Z不应超过不应超过I IZmaxZmax，由，由 此可计算出此可计算出稳压电阻的最小值稳压电阻的最小值。即。即(2)(2)三三. . 串联型稳压电源串联型稳压电源1. 1. 串联型稳压电源的构成串联型稳压电源的构成 VO =VI- -V

14、R，当当VIR VR在一定程度在一定程度上抵消了上抵消了VI增加对输出电压的影增加对输出电压的影响。响。若负载电流若负载电流ILRVR在在一定程度上抵消了因一定程度上抵消了因IL增加，使增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。减小，对输出电压减小的影响。 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 串联稳压电源示意图串联稳压电源示意图 在实际电路中，可变电阻在实际电路中，可变电阻R R是用一个三极管来是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降管压降VCE，VCE相当于相当于VR。 串联型稳压电路方框图串联型稳压电路方框图串联型稳压电源的

15、构成：串联型稳压电源的构成：调整管、放大环节、比较环节、基准电压源调整管、放大环节、比较环节、基准电压源2.2.工作原理工作原理1 1输入电压变化时输入电压变化时VIVOVfVO1VCEVO实质：实质：电压负反馈电压负反馈2 2负载电流变化时负载电流变化时ILVIVOVfVO1VCEVOQvCE/ViC/mAQ3.3.输出电压调节范围的计算输出电压调节范围的计算REF2321O)+(1=VRRRRV可见，调节可见，调节R2可以改变输出电压。可以改变输出电压。根据根据“虚短虚短”VfVREFoVo32132f=VFVRRRRRV VREFVfoFVFVV稳压原理稳压原理UoUB2UBE2=（UB

16、2-UZ）UC2 （UB1 ）Uo当当 UI 增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使 Uo升高时升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2UC2 （UB1 ）(3) 输出电压的确定和调节范围输出电压的确定和调节范围因为：因为：OU2BEZUU22WRR21WRRR22221BEZWWOUURRRRRU所以：所以：2221ZWWURRRRR忽略忽略UBE2R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2例：例：UI=18V，UZ=4V，R1=R2=RW=4.7k ，求，求输出电压的调节范围。输出电压的调节范围。R3T1T2UZRRW1RW2R

17、1RWR2RLUO+_+_UIUB2221ZWWOminURRRRRU4=6V4.74.74.74.7 4.7221ZWOmaxURRRRU4=12V4.74.74.74.710.3 三端集成稳压三端集成稳压器器一一. 输出电压固定的三端集成稳压器输出电压固定的三端集成稳压器 （正电压（正电压 78 、负电压、负电压 79 ）恒流源恒流源基准电压电路基准电压电路调整电路调整电路比较放大比较放大减流保护减流保护过热保护过热保护启动电路启动电路取取样样电电路路R4T1T4T2T3T5DZ1DZ2R3R2R1VREFT14T13D2D1R5R7R6T6T7T8T9T12T10T11R8R9R10R1

18、1R12R13R14R15DZ3DZ4VFVOVI123IO1端端: 公共端公共端2端端: 输入端输入端3端端: 输出端输出端W7900系列稳压器外形及典型接线图系列稳压器外形及典型接线图123+W7905UI+Uo231CI0.11 FCo1F-10V-5V1端端: 输入端输入端2端端: 公共端公共端3端端: 输出端输出端W7800系列稳压器外形及典型接线图系列稳压器外形及典型接线图123+_W7805UI+_Uo132CI0.11 FCo1F+10V+5V注意：注意：输入与输出端输入与输出端 之间的电压不之间的电压不 得低于得低于3V！10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用

19、1. 固定式应用举例固定式应用举例10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例10.2.4 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用2. 可调式应用举例可调式应用举例四四. 稳压电路的主要性能指标稳压电路的主要性能指标输出电压变化量输出电压变化量TSIRVKVT OoIVO 稳压系数稳压系数00IIOOO / TIVVVV 输出电阻输出电阻00OOoI TVIVR温度系数温度系数00OI TVTTVS直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计方法直流稳压电源的设计的依据是技术指标直流稳压电源的设计的依据是技术指标设计的内容包括：设计的内容包括： 电路结

20、构选择、参数计算、器件选择、具体电路电路结构选择、参数计算、器件选择、具体电路设计步骤包括：设计步骤包括： 根据市场、技术潮流、主要指标选择电源类型和电路结构根据市场、技术潮流、主要指标选择电源类型和电路结构 根据电压关系计算各部分的电压根据电压关系计算各部分的电压 根据电流关系计算各部分的电流根据电流关系计算各部分的电流 根据功率关系计算各部分的功率根据功率关系计算各部分的功率 根据电压、电流、功率选择器件根据电压、电流、功率选择器件设计结果包括：设计结果包括： 具体电路图，设计到电路、器件型号、管脚具体电路图，设计到电路、器件型号、管脚 电路结构的选择稳压类型: 线性串联直流稳压电源和开关

21、式稳压电源;稳压器件: 三端稳压器,晶体管稳压,其他集成稳压器;滤波电路: 电容滤波,电感滤波,电感电容滤波;整流电路: 桥式整流,全波整流,半波整流;工频变压器降压.得到如下电路: T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805电路参数的计算电压的计算T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1

22、?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805U2Ui UU0电路参数的计算电流的计算T1220/?D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C1?UF/?VC4?UF/?VC20.1UFC30.1UFR1?12J1CON212J2CON2Vin1GND2Vout3U1LM7805I0IiI2ID ID0电路元件参数的选取1、稳压器件: 三端稳压器, 正稳压系列 78LXX：100mA78MXX：500mA78XX ：1A78HXX： 5AXX=05，06，08，09，12，15，24负稳压系列：79LXX；79MXX；79X

23、X；正可调稳压系列：LM117；LM217；LM317 Uo=1.25-25V Iomax=1.5A负可调稳压系列：LM137；LM237；LM337 Uo=-（1.25-25）V Iomax=1.5A2、输出滤波电容3、稳压器前后小滤波电容作用：是输出电压波形更平滑，减少负载对电源的影响，提高动态响应。取值范围：取值太小时，起不到应有的作用；太大时会造成冲击太大；反馈相移大，甚至自激。参考输出电流取值：耐压：=50%的裕量100mA500mA 1A1.5A3A5A47F100F220F470F1000F2200F主要目的是滤除高频干扰，电解电容的高频特性较差，小容量的无极性电容高频特性好，起

24、到互补作用。也有利于改善动态特性。取值在0.01F0.33F4、泻放电阻5、滤波电容6、整流二极管:、保护二极管滤波电容越大纹波越小，但整流冲击大，电流有效值大，要求变压器和整流管的功率和电流都要大。2)53(TCRLt0021IID005 . 225. 1DDIII057. 15 . 2DFII22UVDRM给稳压器的漏电流提供泻放回路，防止空载电压高于正常输出电压。RU0/Is Is一般在微安数量级。7、变压器DII22222IUP21PP 功率功率30-8080-200200-400400以上以上效率0.80.850.90.95铁芯与磁导率铁芯与磁导率表征各种材料导磁能力的物理量表征各种

25、材料导磁能力的物理量（亨（亨/米）米）70104 真空中的磁导率真空中的磁导率( )为常数为常数0一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率r0r1r，则称为磁性材料，则称为磁性材料1r，则称为非磁性材料，则称为非磁性材料三、三、 功率损耗功率损耗Fe2cosPRIUIP铜损耗铜损耗 Pcu铁损耗铁损耗 PFe铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。PCu线圈电线圈电阻阻R上的损耗上的损耗PFe 处于交变磁化下的铁心的损耗处于交变磁化下的铁心的损耗（1）磁滞损耗）磁滞损耗 （ Ph）由磁滞所产生的能量损耗称

26、为由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（磁滞损耗（ Ph）。）。单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率和磁场交变的频率 f。(2)涡流损耗（涡流损耗（ Pe）涡流损耗涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。涡流涡流：交变磁通在铁心内产生感交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。在垂直于磁通的平面内环流。涡流涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器

27、和选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。1u2uLZ1i2i单相变压器单相变压器+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心变压器的基本结构变压器的基本结构1u1i2u2iLR变压器符号：变压器符号：一次、二次绕一次、二次绕组互不相连，能量组互不相连，能量的传递靠磁耦合。的传递靠磁耦合。 磁芯形状及特点磁芯形状及特点形状形状特点特点EE 、EI TYPE大小齐全大小

28、齐全 有有JIS及及IEC标准标准EER、ETDTYPE 大小齐全大小齐全 有有JIS及及IEC标准标准LP、EEDTYPE low profile （扁平特性）（扁平特性） 适合高密度装配适合高密度装配C型变压器EI变压器产器特点：产器特点：EI型铁芯变压器制造工艺简单，成本相对较低。由于铁芯片及与其相配套的线圈骨架均已形成系列并大量生产，所以应用十分广泛。?EI型铁芯变压器全部采取冷轧取向硅钢带冲制的铁芯，比采用其他材质的变压器损耗小、效率高，温升低。功率大小根据要求订制单相，三相（1VA100KVA）。R型变压器采用取向性高磁导率硅钢带制成的，无切割环形截面的R铁芯是变压器的一个革命性突

29、破。R变压器具有体积小，重量轻和漏磁小等特点，与E-I型、C型和环形变压器相比有着更高的性能和可靠性。体积小，重量轻体积小，重量轻R变压器具有无切割卷绕铁芯，使用高品质的材料，因而体积小，重量轻，使用这种变压器，你就可以将产品重新设计成更新颖的形状，并且降低成本。高效率高效率由于铁芯无切割，损失就很小，使用高品质的材料和紧凑结构，把铁芯与绕组之间的距离降到最小， 这样，R变压器的效率通常可达90%以上。漏磁最小漏磁最小R变压器的铁芯没有磁隙而且绕线极匀衡，因而漏磁非常小，这样，就无需采取任何防范措施来防止影响漏磁。产热量最小，无噪音产热量最小，无噪音由于R变压器是用高品质低损耗的材料制成，具有

30、均匀圆形截面和连续的绕线，电阻损耗和产热都非常低，且由于没有切割，磁致伸缩应力就很易被吸收，因而保证了实际应用无噪音。励磁电流小励磁电流小R变压器设计合理，因而具有铁损低，产热少，励磁电流小和能耗省的特点。符合安全标准符合安全标准 由于它的独特设计，将初级与次级的骨架分开，绝缘性能优良，由阻燃材料制成的互相分离的骨架可以满足任何国家的安全标准，还可以接受附件例如温度保险丝和电子一静电屏蔽 规格型号：可根据客户要求设计制造绝缘等级：B(130)，F(155)，H(180)R型变压器比EI变压器小30%，薄40%，轻40%。 R型变压器漏磁最小，比EI型变压器小10倍。 R型铁芯变压器产生的热量最

31、少比EI型变压器小50%。 R型变压器不会产生噪音，这一特点远胜EI型变压器或铁芯有间隙的切形铁芯变压器。 R型变压器与环形变压器相比，工作性能更强，可靠性更高，绝缘性能强，安装简便。 R型变压器的构造比EI和C型变压简单但可靠性和品质都比它们高。 R型变压器容许你有细密的设计和减低成本提高效益。 R型变压器的设计基本上满足全球一切安全标准。R型变压器我公司已生产多年，而产量每年增加。采用R型变压器的公司现急剧上升。R型变压器主要应用于显示器、打印机、电脑终端机、复印机、图文传真机、卫星广播接收器、高保真音响扩音器、测量和测试设备、电力设备仪器、计量流量仪器、医用电子仪器设备、金融仪器设备、工业设备，电梯升降机、信号设备、监控器报警设备仪器、通讯设备等等。用了R型变压器必能使你的质量效高品质环型变压器：其采用进口硅钢带卷绕而成，其磁路无气隙，充分利用硅钢带的方向， 故其磁路特性极好。本身漏磁小，负载能力强，效率高。其产品大量用在高档音响、功放机供电电源、仪器仪表、电器设备、灯饰照明及要求严格的医疗机械上。今后随着人们对电子产品的要求越来越高，其产品的市场占有率将越来越多，应用的领域也更广泛。