《电工电子》课件项目八稳压电源的设计.pptx

1、电工电子技术项目化教程任务目标任务目标学习目标：掌握稳压电源的基本原理和电路组成；掌握开关电源的基本原理和电路组成能力目标：掌握稳压电源的设计方法任务分析任务分析通过学习，了解并掌握稳压电源和开关电源的基本原理和电路组成，并完成稳压电源的设计。8.1.1 8.1.1 稳压电源的组成稳压电源的组成稳压电源的组成框图见图15-1所示。图中可见稳压电源的由4部分组成，各组成部分的作用如下：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。.2.2单相桥式整流电路单相桥式整流

2、电路15.2.1 工作原理 电路原理图如图15-2所示单相桥式电路巧妙地利用二极管的单相导电性，分别构成了两组回路，无论变压器的两端的极性如何，正极性端与电阻R的上端相连，负极性端与电阻R的下相连。这样负载一直都有一个单方向的电压。电路中电压和电流波形图如图15-3所示：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。图15-3 电路中电压和电流波形图15.2.2负载上的直流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

3、电压为：流过负载的平均电流为：2202L9.022dsin21VVttVVLLRVRVRVIL2L2L9.022流过二极管的平均电流为：二极管所承受的最大反向电压 数量关系如图15-4所示。L2L2LD45.022RVRVII2Rmax2VV3 3 滤波电路滤波电路15.3.1 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。1.电容

4、滤波电路在负载电阻上并联了一个滤波电容C，就构成了电容滤波电路（见图15-5）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。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。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。原理图见图15-6。图15-6 电容滤波电路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

5、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。）)41(2L2OLCRTVVV4 4稳压电路稳压电路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。15.4.1稳压电路方框图见图15-7。图15-7 稳压电路方框图2稳压电路种类1.硅稳压二极管稳压电路的原理（见图15-8。）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。基准源：一般是指击穿电压十分稳定，电

6、压温度系数经过补偿了的稳压二极管。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/。2.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。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。图15-9 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路的工作原理电路如图15-9。3.三端集成稳压器 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

7、端、输出端和公共端，称三端集成稳压器。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。1）集成稳压器符号图15-102）外形图见图15-113）三端集成稳压器的分类三端固定正输出集成稳压器 国标型号:CW78-/CW78M-/CW78L-三端固定负输出集成稳压器 国标型号:CW79-/CW79M-/CW79L-三端可调正输出集成稳压器 国标型号:CW117-/CW117M-/CW117L-CW217-/CW217M-/CW217L-CW317-/CW317M-/CW317L-三端可调负输出集成稳压器 国标型号:CW137-/CW137M-/CW137L-C

8、W237-/CW237M-CW237L-CW337-/CW337M-/CW337L-三端低压差集成稳压器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。4.应用电路1）三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图15-12所示。图15-12 三端固定输出集成稳压器的典型应用电路2）三端固定式集成稳压器的正、负输出应用电路如图15-13所示。图15-13 三端固定输出集成稳压器的正负输出应用电路3）三端可调输出集成稳压器的典型应

9、用电路如图15-14所示。图15-14 三端可调输出集成稳压器的典型应用电路4）三端可调式集成稳压器的正、负输出的典型应用电路如图15-15所示。图15-15 三端可调式集成稳压器的正、负输出的典型应用电路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1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。)1(25.1+=1PPaP1REFREFORRRIRRVVV8.2.1 开关稳压电源基本工作原理分析1开关稳压电源与串联调整型稳压电源比较稳压电源是使用电子电路调整输出电压达到稳定目的的电源，有串联型稳压电源、并联型稳压电源、开关稳压电源，开关电源也是稳压电源，但稳压电源不能直接称为开关

10、电源。普通的串联稳压电源都安装电源变压器，具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。并联稳压电源输出电压特别稳定，但是负载能力很差，一般只在仪表内部做基准用。开关稳压电源的效率高，电压范围宽，输出电压相对稳定，由于开关管工作在开关状态，功耗小，所以开关电源的工作效率可达8090。而通常的线性调整式稳压电源的效率仅达50左右开关电源是近代普遍推广的稳压电源，比如现在电脑的ATX电源、笔记本电脑电源适配器、打印机电源、手机充电器等等。稳压电源是在负载功率变化时，输出电压仍然保持固定的电压值。开关电源也是稳压电源，但稳压电源不能直接称为开关电源。两种电源的比较见表15.2所示。2开关电

11、源的分类1.根据开关管在电路中的连接方式分类，可分为串联型开关稳压电源，并联型开关稳压电源和脉动变压器耦合式开关电源。如图15-16所示四种类型开关电源电路。1)串联型开关稳压电源是指：开关管（或储能电感）与负载采用串接方式连接的一种电源电路。2)并联型开关稳压电源并联型开关稳压电源是指：开关管（或储能电感）与负载采用并接方式连接的一种电源电路3）脉冲变压器耦合型开关稳压电路电源是指：开关管与脉冲变压器一次绕组串联后与整流电路并联，负载电路与脉冲变压器二次绕组并联。2.根据开关管的激励方式不同分类，开关电源可分为自激式开关稳压电源和他激式开关稳压电源。1）自激式开关稳压电源是利用电源电路中的正

12、反馈电路来完成自激振荡，启动电源。2）他激式开关稳压电源电路是专门设有一个振荡器来启动电源的。3.根据使用的器件种类不同分类，可分为由分立元器件组成的开关稳压电源和由集成电路组成的开关稳压电源4.根据稳压的控制方式不同分类，开关稳压电源可分为脉冲调宽式和脉冲调频式两种1）所谓脉冲调宽式开关稳压电源是指：由相关电路对开关的脉冲宽度进行调制的一种稳压电路2）所谓脉冲调频式开关稳压电源是指：由相关电路对开关的脉冲频率进行调制的一种稳压电路15.5.3 串联型开关稳压电源电路工作原理分析1.串联开关稳压电源是指开关管串联在输入电压与负载电路之间的一种工作方式的电源电路。3.串联型开关稳压电源电路的工作

13、原理串联式开关电源的基本电路如图15-17所示。在该电路中，VT1为开关管，VD1为续流二极管，L为储能电感，C为滤波电容，RL为负载电阻。图15-17 串联式开关电源的基本电路3.串联式开关电源基本电路的工作原理 1）VT1基极输入正脉冲：开关管VT1正偏饱和导通，如图15-18所示输出的电压ui一路加到续流二极管VD1的负极上，使其反偏截止；另一路经L、C、RL形成回路，电流经L对电容C进行充电，也对RL负载供电。线圈自感电压为左“+”右“-”，以阻碍电流的增大。图15-18 VT1基极输入正脉冲的原理图 VT1基极输入负脉冲：开关管VT1反偏截止如图15-19所示，从而切断了输入电压 u

14、i向负载供电的通路。但由于电感中的电流不会突变，在电感中会感应出右“+”正、左“-”负的电压。该电压就会使续流二极管正偏导通，储存在电感 L中的能量就会通过VD1导通的二极管继续向电容 C充电，同时也为负载提供工作电流，以维持负载电流的连续性。电路要求电容耐压值高，一般不小与输入电源2倍。图15-20 关键点的电压和电流波形电路图中几个关键点的电压和电流波形。图中A、B、C图分别是控制开关K的占空比D等于0.5、0.5时，输出电压uo的波形、储能滤波电容两端电压uc的波形、储能电感L电流IL的波形。电压波形小结：占空比大电源输出电压Uo大，但电压波动也大；相反，占空比小电源输出电压Uo就小。当

15、占空比等于0.5时，电源输出电压为脉冲电压的平均值，且电压较稳定。4串联式开关电源电路分析做几点说明 1）由于输入电压没有隔离电路，所以整个电路是带电的，称为热地板，在调试和修理时要注意安全。2）由于开关管与负载串联，因此对开关管的反向耐压要求不高。3）串联式开关电源基本电路只能输出一个直流电压，而且输出电压低于输入电压。4 并联型开关稳压电路原理分析1.并联开关稳压电是指开关管与输入电压及负载并联的一种工作方式的电源电路2.并联式开关电源的基本电路如图15-21所示。在该电路中，L 为储能电感，VD1为脉冲整流二极管，C为滤波电容，RL为负载电路。图15-21 并联式开关电源的基本电路2.并联式开关电源基本电路的工作原理1）VT1基极输入正脉冲：开关管VT1正偏导通，脉冲整流二极管VD1反偏截止。负载RL上电压、电流由此前电容C上所充的电压提供。此时电容C起着对负载续流（Ic1）的作用，电容C称之为续流电容。如图15-22（a）所示。图15-22（a）VT1饱和导通时等效电路图15-22（b）VT1截止时等效电路2）VT1基极输入负脉冲：开关管VT1反偏截止，切断了电感L对地回路的电流，由于电感中电流不会突变，在电感上会感应出上负下正的感应电压，该电压与电源电压之和会使VD1整流二极管处于正偏导通。并向电容C充电，且对负载供电，此时Id=Ic2+Io。如图15-22（b）所示。