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。
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电源. 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。. 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。. 小功率整流滤波电路. 单相桥式整流电路. (1) 工作原理. 当正半周时二极管 D 1 、D 3 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 D 2 、D 4 导通,在负载电阻上得到正弦波的负半周。. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
电源 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。
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。
动画 5-1
动画 5-2
(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。输出平均电压为
22
π
0
2L 9.0π
22dsin2
π
1VVttVV
流过负载的平均电流为
L
L
R
V
R
V
R
VI
L
2
L
2L
9.0
π
22
L
2
L
2LD
45.0
π
2
2 R
V
R
VII
流过二极管的平均电流为
2Rmax 2VV 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 开始下降。先假设二极管关断,电容 C 就要以指数规律向负载R 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,C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R 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R 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
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:
)4
1(2L
2OL CR
TVVV
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 RLC≥6~10 。)
( 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
2O
Ld
2O
2OL
1.22
)53(=
0.9=, 0
2=,=
VV
TCR
VVC
VVR
~
电感滤波电路 利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质,把电感L
与整流电路的负载R 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。),(= OIO IVfV
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 可用下式表示
(1) 稳压系数 Sr 0=I
O
I
Or O
=IV
V
V
VS
定义为
OoIrOO
OI
I
OO IRVSI
I
VV
V
VV
有时稳压系数也用下式定义
0=II
OOr O/
/=
IVV
VVS
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
%100=0=
O
OI I
VV
VS
(3) 输出电阻 Ro0=
O
Oo I
=VI
VR
%1001
=0=
I
O
OV O
IV
V
VS
(2) 电压调整率 SV
一般特指 ΔVi/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
%1001
=0=0,=
O
OT IO
VIT
V
VS
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
),,(= OIO TIVfV
( 5 )纹波抑制比Srip p-op
p-iprip 20lg=
V
VS
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 ZLR += IIIRIVVVVV RIRIZO == 输入电压 VI 增加,必然引起 VO 的增加,即 VZ 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:
VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓
(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: IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓ ( VO↓ →) IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
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
LmaxZmin
ZIminmax =
II
VVR
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
LminZmax
ZImaxmin =
II
VVR
maxmin < RRR
(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!
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 ΔV 。误差信号经放大后,用 VO1去控制调整管的管压降 VCE 增加,从而抵消输入电压增加的影响。
VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓
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。 IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑
3. 输出电压调节范围的计算可知 Vf≈VREF
REF3
1O1O )+(1= V
R
RVV
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↓
021
2 VRR
RVF
→VCE↑→VO↓
0VFV
)( 0VFVAV VREFVB
0V
动画 16-1
16.3.2 稳压电路的保护环节 串联型稳压电源的内阻很小,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
21
0 )( RIR
VVV abj
REFREF 2
1
2 )1( RIR
RV abjREF
)1(1
20 R
RVV REF
1IIabj
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--
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 -55℃~ 150℃; 工业品级为金属外壳或陶瓷封装,工作温度范围 -25℃~ 150℃; 民品级多为塑料封装,工作温度范围 0℃~ 125℃。
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1.25 V 的参考源,因此输出电压可通过电位器调节。
)1(25.1+=1
PPaP
1
REFREFO R
RRIR
R
VVV
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 可调稳压器做恒流源电路
小电流恒流源
大电流恒流源
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
分析见下
页
qVT
tV
tVVT
tVT
tvT
tvT
VT
t
t
Ion
I
onCESIoffD
E0 EO
)(1
+)(1
d1
d1
=1
1
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 7 ~ 40 0.2 5 推挽或单端 SG3524 8 ~ 35 0.1 5 推挽 SG3525 8 ~ 35 0.5 5 推挽 LM2575 3.5 ~ 35 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。 V3 和 V4 是或非门的输出,只要或非门的输入端有高电平,它的输出即为低电平。 V3 和 V4 的输出由 V2 、 CP 、 Q
或 Q 决定。因 Q 和 Q 只能有一个是高电平, T2 和 T1 不可能同时导通。 T1 和 T2 只能按推挽方式工作,轮流交替导通。
SG3524 电路控制过程的波形如图 16.17 所示。
图 16.17 SG3524 的波形图
锯齿波由振荡器提供, V1 是误差放大器的输出,它们一起加到比较器上。 V2 是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动 T '触发器, CP 、 Q 和 V2 的或非是 V3 ,决定 T1 的通断。 CP 、 Q 和 V2 的或非是 V4 ,决定 T2 的通断。由于 Q和 Q等宽,加上 V2 的存在,所以 V3 和 V4这两路信号之间有一定的死区,以保证 T1 和 T2 管不会同时导通。
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 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 1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 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 IL≤200mA 。
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:
I
I
VV
VV
0
0
保持不变LI
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:
I
II
VVV
VVV
0
00
保持不变LI
实验十三 单片集成直流稳压电路的应用
★ 调节 RL ,使 IL≤200mA 。并测量 VI 和 V0 的值。(用万用表直流档测量)
测量输出电阻:保持不变IVLI
VR
00
断开 RL(IL=0) ,测量输出 电压 V0’’’ ,则:
保持不变IVLI
VVR
000
0
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 γ 和 R0 。
LM324运放
面包板
面包板装配 CCV
bR cR 2C1C
LR
iV
0V
b ce