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直流电源

第十章. 直流电源. 第十章 直流电源. 10.1 　直流电源的组成及各部分作用. 10.2 　整流电路. 10.3 　滤波电路. 10.4 　稳压二极管稳压电路. 第三版童诗白. 10.5 　串联型稳压电路. 10.6 　开关型稳压电路. 本章重点和考点：. 1. 重点掌握整流、滤波和稳压的流程及参数的计算 。. 2. 掌握串联型稳压电路原理及集成稳压器的使用。. 第三版童诗白. 本章教学时数：　 6 学时. 本章讨论的问题：. 1. 如何将 50Hz 、 220V 的交流电压变为 6V 的直流电压？.

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  1. 第十章 直流电源

  2. 第十章直流电源 10.1　直流电源的组成及各部分作用 10.2　整流电路 10.3　滤波电路 10.4　稳压二极管稳压电路 第三版童诗白 10.5　串联型稳压电路 10.6　开关型稳压电路

  3. 本章重点和考点： 1.重点掌握整流、滤波和稳压的流程及参数的计算 。 2.掌握串联型稳压电路原理及集成稳压器的使用。 第三版童诗白 本章教学时数：　6学时

  4. 本章讨论的问题： 1.如何将50Hz、220V的交流电压变为6V的直流电压？ 2.220V的交流电压经整流后是否输出220V的直流电压？ 3.将市场销售的6V直流电源接到收音机上，为什么有的声音清晰，有的含有交流声？ 第三版童诗白 4.对于同样标称输出电压为6V的直流电源，在未接收音机时，为什么测量输出端子的电压，有的为6V，而有的为7－8V？

  5. 本章讨论的问题： 5.为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时　输出电压不变，而有的随之变化？ 6.一个5V交流电压是否可能转换为6V直流电压？一　个3V电池是否可以转换成为6V的直流电压？ 第三版童诗白 7.对于一般直流电源，若不慎将输出端短路，则一定　会使损坏吗？ 8.线性电源和开关型电源有和区别？它们分别应用在　什么场合？

  6. 10.1　直流电源的组成及各部分的作用 滤波电路 稳压电路 电网电压 电源 变压器 整流电路 负载 图10.1.1直流稳压电源的方框图 整流：将交流变为直流的过程。 滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

  7. 10.2　整流电路 10.2.1　整流电路的分析方法及其基本参数 一、工作原理 图10.2.1单相半波整流电路 优点：使用元件少。 缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。 图10.2.2

  8. 二、主要参数 1.输出电压平均值 UO(AV) 输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 2.负载电流的平均值 3.脉动系数

  9. 三、二极管的选择 根据流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号。 二极管的正向电流等于负载电流平均值 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

  10. 10.2.2　单相桥式整流电路 在实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单向桥式整流电路 一、单向桥式整流　　电路的组成 图10.2.4单向桥式整流电路 图10.2.5单向桥式整流电路的习惯画法

  11. iD3 iD4 iD1 iD2 uD3 uD4 uD1 uD2 二、工作原理 1. u2 >0时，电流由+流出，经　D1、RL、D2流入-。 2. u2 <0时，电流由-流出，经　D3、RL、D4流入+。 图10.2.6单相桥式整流电路的波形图 动画avi\15-1.avi

  12. 三、输出电压平均值 UO(AV)和输出电流的平均值IO(AV) 脉动系数：

  13. 四、二极管的选择 每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。 二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

  14. 图10.2.7　利用桥式整流电路实现正、负电源 图10.2.8　　三相整流电路 如何实现正、负电源？ 将桥式整流电路变压器副边中点接地，并将二个负载电阻相连接，且连接点接地。 uO1为正； uO2为负 三相整流电路 变压器副边的三个端均应接二只二极管，一只接阳极，另一只 接阴极。 D1 D2 D3轮流导通，阳极电位高的D先导通； D4D5D6轮流导通，阴极电位低的D先导通。

  15. 滤波 整流 L C RL RL 10.3　滤波电路 交流 电压 脉动 直流电压 直流 电压 滤波：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。 滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联， 　　　　　　　　　　或电感与负载RL串联。

  16. 图10.3.1(a)　滤波电路 (b)理想情况下的波形 (c)考虑整流电路内阻时的波形 10.3.1　电容滤波电路 滤波电路 滤波电路输出电压波形 滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。 电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 动画avi\15-2.avi 动画avi\15-3.avi

  17. a D4 u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b 桥式整流电容滤波电路 一、滤波原理 （电容器的充、放电） 以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。

  18. D4 a u1 u1 S u2 D1 uo D3 C RL D2 b uo u2 t1 设t1时刻接通电源 t t 整流电路为电容充电 RL未接入时(忽略整流电路内阻) 没有电容时的输出波形 uc 充电结束

  19. D4 a u1 u1 S u2 D1 uo D3 C u2 RL D2 b t uo t RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻) 充电 放电 加入滤波电容 时的波形 无滤波电容 时的波形

  20. uo t u2下降， u2小于电容上的电压。 二极管承受反向电压而截止。 电容C通过RL放电， uc按指数 规律下降，时间常数 = RL C u2上升， u2大于电容 上的电压uc，u2对电容充电， uo= uc u2 时间常数 = (RL // Rint ) C 放电时间常数远远大于充电时间常数， 滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好。

  21. 考虑电网电压波动，电容的耐压值应大于 二、输出电压平均值 当负载开路时 当RLC＝（3~5)T/2时 三、脉动系数 S 约为 10% ~ 20%

  22. D4 a u1 u1 u2 S D1 uo D3 C RL D2 b u2 uo t t 四、整流二极管的导通角 充电电流 只有整流电路输出电压大于uc时，才有充电电流。因此二极管中的电流是脉冲波。 二极管中的电流 二极管的导通角  < 

  23. 图10.3.5a电容滤波电路的输出特性 图10.3.5b电容滤波电路滤波的特性 五、电容滤波电路的输出特性和滤波特性 1.输出特性 当滤波电容选定后，输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）的关系。 2.滤波特性 脉动系数S和输出电流平均值IO（AV）的关系。

  24. + _ 10.3.2　倍压整流电路 1.二倍压整流电路 iD1 iD2 图10.3.6二倍压整流电路 负载上的电压在理想情况下是变压器副边电压的二倍

  25. + - + - - + u2 2.多倍压整流电路 + - + - + - + - + - 图10.3.7多倍压整流电路 适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。

  26. 10.3.3　其它形式的滤波电路 二、 LC滤波电路 一、电感滤波电路 图10.3.9　复式滤波电路(a) 输出直流电压为： 图10.3.8　单相桥式电感滤波电路 脉动系数 S ： L愈大，滤波效果愈好；适用于负载电流较大的场合。 适用于各种场合。

  27. 　三、LC - 型滤波电路 四、RC - 型滤波电路 图10.3.9复式滤波电路(b) 图10.3.9复式滤波电路(c) 适用于负载电流较小的场合 适用于负载电流较小的场合

  28. 三、各种滤波电路的比较 表10 .3.1　各种滤波电路的性能比较

  29. 10.4　稳压二极管稳压电路 整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因： ·负载变化；　　　 ·电网电压波动。 10.4.1　稳压管稳压电路的组成 图10.4.1稳压二极管组成的稳压电路

  30. UI＝UR+UO IR＝IDZ+IL 图10.4.2稳压管的伏安特性 两个基本公式 稳压管的伏安特性 在稳压管稳压电路中，只要使稳压管始终工作在稳压区，保证稳压管的电流：IZ≤IDZ≤IZM 输出电压UO就基本稳定。

  31. IL 10.4.2　稳压原理 稳压电路应从以下二个方面考察其稳压特性 ·电网电压波动； ·负载变化。 1. UI不变，RL减小 IR=IL+IZ RL IL UR UO IZ UO 基本不变 2. RL 不变， UI 升高 综上所述，在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。 UO=UI -UR UO 基本不变 UO IZ UR UI

  32. 10.4.3　稳压管稳压电路的性能指标 一、内阻 Ro 二、稳压系数 Sr 三、电压调整率 四、电流调整率

  33. 内阻和稳压系数的估算 1. 内阻 Ro 2. 稳压系数 Sr 图10.4.3稳压管稳压电路的交流等效电路 当 rZ << RL ， rZ << R 时，

  34. 10.4.4　电路参数的选择 在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压UO，负载电流IL的最小值ILmin和最大值ILmax，输入电压UI的波动范围。 1.稳压电路输入电压UI的选择 UI＝（2~3） UO 2.稳压管的选择 UZ＝ UO IZM－IZ >ILmax－ILmin IZM >ILmax+ IZ

  35. 3.限流电阻R的选择 　　（1）. 当电网电压最高和负载电流最小时，稳压管IZ 的值最大，此时 IZ 不应超过允许的最大值，即 或： 　　（2）. 当电网电压最低和负载电流最大时，稳压管IZ 的值最小，此时 IZ 不应低于其允许的最小值，即 或：

  36. [例10.4.1]　在10.4.1所示的电路中，已知UI＝15V，负载电流为10~20mA；稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZ＝5A，最大稳定电流IZM＝40A动态电阻rZ＝15Ω。[例10.4.1]　在10.4.1所示的电路中，已知UI＝15V，负载电流为10~20mA；稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZ＝5A，最大稳定电流IZM＝40A动态电阻rZ＝15Ω。 （1）求解R的取值范围； （2）若R＝250Ω，则稳压系数和输出电阻各为多少？ （3）为使稳压性能好一些，R的值是大还是小些，为什么？ 解：（1） ＝360 Ω ＝180 Ω （2） ＝15 Ω （3） 在允许范围内R的取值应当偏大些。

  37. DZ (a)稳压管稳压电路 10.5　串联型稳压电路 稳压二极管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调。 串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入电压负反馈使输出电压稳定；可通过改变反馈网络的参数使输出电压可调。 10.5.1　串联型稳压电路的工作原理 一、基本调整管电路 动画avi\15-4.avi

  38. 基本调整管电路 T的工作电源为UI，不稳定 “输入信号”为稳定电压UZ 在UI变化或负载电阻RL变化时，输出电压基本不变。 图10.5.1(b)　加晶体管扩大负载电流的变化范围稳压电路 稳压原理：晶体管的调节作用，T应工作在放大状态。 调整管与负载串联 串联型稳压电源电路 调整管工作在线性区 线性稳压电源电路 图10.5.1(c)常见画法的稳压电路

  39. 图10.5.2具有放大环节的串联型稳压电路 二、具有放大环节的串联型稳压电路 基本调整管稳压电路输出电压仍不可调节，且输出电压将因UBE的变化而变化，稳定性较差。 1.电路的构成 (a)原理电路图

  40. 电路组成　　 (b)常见画法 调整管：VT； 比较放大电路：A； 图10.5.2　具有放大环节的串联型稳压电路 采样电路：R1、 R2、 R3 ； 基准电压电路：由R 、VDZ 提供。 2.稳压原理  UBE UI  UO  UF  UId  IC UO UCE↑ 动画avi\16-1.avi

  41. 3.输出电压的可调范围 　由于 U+ = U-，UF = UZ， 所以 则： 图10.5.2串联型直流稳压电路 当 R2的滑动端调至最上端时， UO 为最小值 当 R2的滑动端调至最下端时，UO 为最大值，

  42. ≥ ≥ ≥ 4.调整管的选择 一、集电极最大允许电流 ICM 　　二、集电极和发射极之间的最大允许电压 U(BR)CEO 三、集电极最大允许耗散功率 PCM 四、稳压电路的输入直流电压 五、变压器副边电压

  43. 三、串联型稳压电路的方框图 实用的串联型稳压电路至少包括调整管、基准电压电路、取样电路、比较放大电路四个部分组成。此外为使电路安全工作，还常在电路中加保护电路。 图10.5.3　串联型稳压电路的方框图 动画avi\16-2.avi

  44. 图10.5.5　稳压管基准稳压电路 10.5.2　集成稳压器中的基准电压电路和保护电路 一、基准电压电路 串联型稳压电路的输出电压取决于基准电压。要求基准电压应具有温度系数为零，输出电阻小，噪声低。 1.稳压管基准电压电路 稳压管具有正温度系数，而晶体管具有负温度系数。能进行温度补偿。 电路采用射极输出形式，引入电压副负反馈。

  45. UREF UREF 图10.5.6零温度系数基准电压源电路及等效电路 零温度系数基准电压源电路 基准电压：UREF=IER2+mUBE 在m、n、稳压管的UZ和二极管的UBE的温度系数确定的情况下，只要R1和R2按要求选定，基准电压温度系数则为零。

  46. + I2 + I R2 R1 I1 T3 T2 UI UREF T1 R3 - - I3 图10.5.7能隙基准电压源电路 2.能隙基准电压源电路 （CJ336/329,MC1403 ,AD580） UREF ＝Ugo Ugo为硅材料在0K时外推禁带宽度的电压值 基准电压与温度无关，从而获得很好的稳定性。

  47. UO O IL 二、保护电路 在集成稳压器电路内部有各种保护电路，如过流保护、短路保护、调整管安全区保护、芯片过热保护。 1.过流保护电路（限流型）过流时，使调整管发射电流限制在某一数值的电路。 R4 很小，约为 1 。 负载电流超过某一值后，VT2 导通，限制 VT1 中的电流，保护调整管。 图10.5.8(a) 正常稳压区 限流保护 　　保护电路的输出特性： 图10.5.8(c) 不适应于大功率电路

  48. 截流型过流保护电路 过流时，使调整管发射电流迅速减小到较小数值的电路。 T1为调整管 R0为取样电阻，它与T2 、 R1和R2构成保护电路 保护原理 图10.5.9　截流型过流保护电路及其输出特性

  49. 图10.5.10调整管的安全工作区保护电路 图10.5.11　　芯片过热保护电路 2.调整管的安全工作区保护电路 3.芯片过热保护电路

  50. 调整电路 减流保护 恒流源 启动电路 取样电路 比较放大 基准电压电路 过热保护 集成稳压器电路图

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